竺山湖及太湖西沿岸北段的重金屬分布特征及其生態風險評價

任小龍，朱 玲，姚 華，王 苓

(江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇無錫 214031)

湖泊底泥沉積物是重金屬、營養鹽等污染物質的蓄積地。來自河流輸入、大氣沉降等的污染物質與懸浮顆粒物結合進入湖泊中，通過沉降作用，蓄積于湖泊沉積物的表層。沉積物中的重金屬在物理和化學的作用下與沉積物中的有機質、鐵錳氧化物、硫化物等物質結合，以不同的形態儲存于沉積物中[1-2]。這些重金屬并非永久地存在于沉積物中，在外界環境條件的影響下(如pH、氧化還原電位等)它們又被釋放到間隙水中，在擴散作用下最終釋放到湖泊水體中，對湖泊水質造成影響，引起“二次污染”[3-4]。湖泊底泥是許多生物的棲息地，水生生物通過直接攝取顆粒懸浮物而將重金屬蓄積于體內，部分生物被人類食用而將重金屬儲存于人的體內。因此，了解底泥沉積物中重金屬的污染狀態是非常必要的。

竺山湖是太湖西北部的半封閉型湖灣，北起百瀆口，南至馬山咀一線，面積57.2km2，主要入湖河道為雅浦港、太滆運河、殷村港。受入湖河道污水匯入影響，竺山湖常年水質為劣V類，是太湖水質污染最嚴重的湖區，其底泥污染嚴重。太湖西沿岸北段北起師瀆港，南至烏溪港，湖區面積29.3km2，主要入湖河道包括師瀆港、茭瀆港、官瀆港、城東港、大浦港、林莊港等，受上游來水水質影響，其水體污染嚴重(水質為劣V類)，底泥也存在嚴重的污染風險。以往雖然也有學者對上述區域進行了相關研究，然而研究只是基于少數點位，對沉積物中污染物的了解不夠全面。本研究通過對竺山湖及太湖西沿岸區進行底泥采樣分析，弄清竺山湖及太湖西沿岸重金屬的分布特征，在此基礎上進行重金屬生態風險評估，并提出重金屬污染治理策略，以期為太湖污染治理提供依據。

1 重金屬分布特征

1.1 采樣點分布

采用全球定位系統(GPS)確定采樣點位置。本次調查采樣點為77個，實際底泥采樣分析點為15個，采樣點主要分布在竺山湖和太湖西沿岸入湖河口區域(太湖污染治理的重要區域)，見圖1。采樣時間為2008年10月，目的是分析竺山湖和太湖西沿岸北段 As、Hg、Cr、Cd、Pb、Cu 6 種重金屬的分布特征。

1.2 樣品分析方法

圖1 竺山湖及太湖西沿岸北段采樣點分布

根據現場采集到的泥樣長度(≤底泥深度)，按0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm的間距對底泥進行分層。去除泥樣中的石塊、殘草等雜質，并按四分法進行代表性取樣。樣品裝入聚乙烯保鮮袋中，標注編號，密封保存，并即刻運抵實驗室，進行底泥的物理、化學參數分析。對Cr、Cd、Pb、Cu 的測定，先采用 HNO3-HF-HCLO4法進行消解，然后用原子吸收分光光度計測定其在泥樣中的質量比。對Hg和As的測定，先分別采用H2SO4-HNO3-K2CrO7法和H2SO4-HNO3進行消解，然后采用原子熒光法測定其在泥樣中的質量比。

1.3 沉積物中重金屬質量比范圍

表1[5]為竺山湖及太湖西沿岸北段表層沉積物中主要重金屬質量比的統計結果。和太湖其他區域相比，該區域沉積物中重金屬的質量比偏高，這主要由于該區域長期受到來自沿岸的污水污染。將測定的重金屬質量比平均值與太湖流域重金屬質量比背景值相比發現，Cd、As、Cr、Hg、Pb 以及 Cu 的質量比平均值分別為背景值的4.6倍、1.1倍、1.0倍、0.7倍、2.2倍和1.8倍，其中Cd的質量比平均值超過背景值的倍數最多。可見，竺山湖及太湖西沿岸北段區域重金屬污染嚴重，需要加以關注。

表1 竺山湖及西沿岸北段表層沉積物中主要重金屬質量比的統計結果 mg/kg

1.4 沉積物中重金屬的垂直分布

竺山湖及太湖西沿岸北段水域底泥沉積物中Cu、Pb、Cr、Cd、Hg、As 6 種重金屬的垂直分布各不相同。重金屬的高質量比值有的處于底泥表層或近表層，有的處于深層。在表層底泥中，底泥多為最近沉降下來的，重金屬與顆粒物結合，使底泥對生物體構成生態風險。重金屬較多處于深層沉積物中，可能是因為這些區域的底泥中重金屬富集時間較長。沉積物中重金屬的富集大致發生在20世紀80年代，在適當的條件下重金屬會向下遷移，使得表層沉積物中的重金屬質量比低于歷史沉積層深層中的重金屬質量比。表2為竺山湖及太湖西沿岸北段水域不同采樣點不同層次(0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm)底泥沉積物中的 Cr、As 、Cu、Hg、Pb、Cd 6 種重金屬的垂直分布情況。

表2 不同采樣點不同層次底泥沉積物中Cr、As、Cu、Hg、Pb、Cd的垂直分布 mg/kg

從表2可以看出，Cr在沉積物中的質量比較高，分布規律不明顯，但其質量比極值出現在沉積物50cm深度以上;底泥中As的質量比在表層較高，逐漸向底層降低，50 cm以上深度的底泥沉積物中As的質量比較高，50 cm以下較低且基本趨于穩定;Cu在沉積物中的分布無明顯規律，但各個采樣點的質量比極值基本出現在表層底泥50 cm以上，且在底泥表層與底層中的質量比差別不大，所測點底泥沉積物中Cu的質量比都較低，只是在個別區域出現質量比高的現象，這與個別區域的特型污染輸入有關;Hg的質量比有自底泥表層向底層逐漸降低的趨勢，最大值幾乎都集中到表層10 cm左右的底泥中，在50 cm以下的底泥沉積物中Hg的質量比逐漸趨于穩定，且明顯低于表層;Pb的質量比在垂直層面沉積物中的差異較小，最大值基本出現在50 cm以上的底泥沉積物中，隨著沉積物深度的增加，Pb的質量比逐漸趨于穩定甚至減小;在所測點中，只有8個點測出了Cd，其中，大浦口區域(01號采樣點)底泥沉積物中Cd的質量比極高，這與有關部門的研究結論相同，原因可能是大浦口的電鍍以及印染等廢水的輸入。

2 重金屬生態風險評價

2.1 評價方法

瑞典科學家Hakanson[6]于1980年提出了潛在生態風險指數法來進行重金屬生態危害評價。該方法是目前學者較多采用的重金屬生態危害評價方法[7-10]。潛在生態風險評價是基于元素豐度和釋放能力的原則，假設了如下前提條件:①元素豐度響應，即潛在生態風險指數，隨沉積物中重金屬污染程度的加重而增加;②多污染物協同效應，即沉積物的金屬生態危害具有加和性，多種金屬污染的潛在生態風險更大，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Hg 是需要優先考慮的重金屬;③各重金屬元素的毒性響應不同，生物毒性強的重金屬對潛在生態風險指數具有較高的權重。

潛在生態風險指數可以反映4方面的情況:①表層沉積物中重金屬的質量比;②重金屬污染物的種類數;③重金屬的毒性水平;④水體對重金屬污染的敏感性。在這些前提條件下產生如下生態風險評價指標:單一金屬污染系數，不同金屬生物毒性響應系數，單一金屬潛在生態風險系數，多金屬潛在生態風險指數RI，其關系用以下公式表達:

Hakanson[6]根據大量數據，提出了重金屬的生態危害風險指數和生態危害程度分級標準(表3)。

表3 Eir和RI的閾值區間和生態危害程度分級

2.2 評價結果與分析

經計算，竺山湖和太湖西沿岸北段6種金屬的潛在生態風險指數見表4。

表4 竺山湖和太湖西沿岸北段重金屬潛在生態風險指數

使用surfer軟件的克里金(Kriging)插值法生成竺山湖及太湖西沿岸北段0～10cm和10～20cm底泥的重金屬生態風險指數分布圖(圖2～3)。由圖2～3可見，重金屬生態風險指數小于170～180的區域占到95%以上，也就是說95%的區域為輕微生態風險狀態;生態風險較大區域主要在大浦口附近，其最高生態風險指數達到400以上，表明該區域已處于重度生態風險狀態，對人類和生物種群已產生明顯危害。

圖2 竺山湖及太湖西沿岸北段0～10 cm底泥生態風險指數RI

圖3 竺山湖及太湖西沿岸北段10～20 cm底泥生態風險指數RI

3 結論與建議

a.竺山湖及太湖西沿岸區域表層沉積物中Cd、As、Cr、Hg、Pb 以及 Cu 的質量比平均值分別為 1.23 mg/kg、10.28mg/kg、82.98mg/kg、0.074 mg/kg、35.27 mg/kg和33.9 mg/kg，分別是各自背景值的4.6倍、1.1倍、1.0倍、0.7倍、2.2倍和1.8倍。

b.竺山湖及太湖西沿岸區域沉積物中的重金屬的質量比均表現為隨著沉積物深度的增加而逐漸降低的趨勢，且在沉積物50cm深處出現明顯的拐點。

c.竺山湖及太湖西沿岸區域0～10 cm和10～20 cm底泥沉積物的生態風險指數平均值分別為120和114，大浦口局部區域的重金屬生態風險相對較大，Cd對生態風險的貢獻最大。d.建議對竺山湖以及太湖西沿岸區大浦口區域Cd的污染進行必要的疏浚控制，疏浚深度在底泥50 cm深處，以有效去除該區域的Cd污染。

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