南四湖表層底泥重金屬空間分布及污染程度評價

李 爽,張祖陸

(山東師范大學人口?資源與環(huán)境學院,山東濟南 250014)

湖泊底泥是水體各種污染物的源和匯。一方面,輸入到水體中的各種污染物被水中懸浮物吸附,最終沉積到表層底泥中;另一方面,通過動植物、微生物等的作用,污染物又會被重新釋放到水體中,造成水環(huán)境的二次污染[1-2]。表層底泥所含的重金屬元素通常比水體中所含的重金屬元素要高幾個數(shù)量級,且易受到各種自然和人為因素的影響,具有較高的潛在生態(tài)危害性,因此表層底泥被譽為湖泊水環(huán)境重金屬污染的“指示劑”[3],表層底泥中的重金屬元素質(zhì)量比成為評價湖泊水環(huán)境污染程度的重要指標[4-7]。對湖泊表層底泥重金屬質(zhì)量比的空間分布特征進行研究,能有效揭示人類活動對湖泊環(huán)境的影響[8]。

南四湖位于山東省西南部,是南水北調(diào)東線工程的重要調(diào)蓄樞紐,由南陽湖、獨山湖、昭陽湖和微山湖由北到南相連構成, 最大湖水面積約為1 266 km2,集水總面積約為30 453 km2。1960 年,在昭陽湖最窄處興建了二級壩,將昭陽湖隔成壩北和壩南兩部分。南四湖被分隔成二級壩以北的上級湖和以南的下級湖,其中南陽湖、獨山湖和二級壩以北的昭陽湖位于上級湖,二級壩以南的昭陽湖和微山湖位于下級湖。南四湖內(nèi)的重金屬一部分來自于自然積累,一部分來自于人為積累。近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,人為污染嚴重,南四湖表層底泥中很多重金屬的質(zhì)量比遠高于當?shù)刈匀槐尘爸?水體污染嚴重。南四湖流域是山東省重要工業(yè)區(qū),流域內(nèi)分布著化工、造紙、煤炭、冶金等重污染企業(yè),大量工業(yè)廢水和生活污水未經(jīng)處理直接排入湖中,致使南四湖底泥中某些重金屬元素快速積累,重金屬污染嚴重[3]。

目前對南四湖重金屬污染的研究主要集中在上級湖或各主要入湖河流[9-13],而對全湖的重金屬污染及上級湖和下級湖對比分析的研究較少。劉恩峰等[8]、孟祥華等[13]對全湖常量元素和重金屬分布進行了總體評價,但側(cè)重于對各個入湖河流的重金屬污染情況和金屬組成形態(tài)進行分析,未對全湖的重金屬污染程度進行評價,未能得到全湖的重金屬分布等級圖。

筆者根據(jù)二級壩的位置和湖區(qū)的分布,將南四湖劃分為5 個湖區(qū),即,南陽湖、獨山湖、壩北昭陽湖(位于二級壩以北的昭陽湖)、壩南昭陽湖(位于二級壩以南的昭陽湖)、微山湖,見圖1。通過對南四湖29 個采樣點表層底泥中的重金屬質(zhì)量比進行分析,了解上級湖、下級湖及南四湖5 個湖區(qū)的重金屬污染特征,并采用地質(zhì)積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法對5 個湖區(qū)和上下級湖表層底泥中幾類污染嚴重的重金屬質(zhì)量比進行評價,以識別重金屬污染重點區(qū)域及污染的可能性來源,并用ArcGIS 地統(tǒng)計方法得到南四湖As、Hg、Cd、Pb 元素分布圖,旨在為南水北調(diào)東線工程南四湖段的水體污染整治提供參考和依據(jù)。

1 樣品采集與污染程度評價

1.1 樣品采集

2010 年9 月15 日—9 月21 日,利用重力采樣器在南四湖采集了表層底泥(0 ～2 cm)樣本29 個,各點利用GPS 定位,采樣點分布位置見圖1。其中,樣點1 ～9 位于南陽湖內(nèi),10 ～15 位于獨山湖內(nèi),16 ～18位于壩北昭陽湖內(nèi),19 ～22 位于壩南昭陽湖內(nèi),23 ～29 位于微山湖內(nèi)。

樣品置于密封的塑封袋中帶回實驗室,剔除底泥樣品中的貝殼、砂石等雜質(zhì),自然風干,將干透的樣品研磨,并過100 目篩,分袋裝,保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 湖區(qū)位置及采樣點位置示意

1.2 測試方法

本研究對南四湖表層底泥中幾種重金屬和類金屬的質(zhì)量比進行分析,這些重金屬和類金屬主要包括：砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)。檢測分析依據(jù)是GB/T 5009—2003、DZG 20.03—1987 等有關國家標準。Cr、Ni 和Pb 的測定利用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀;As 和Hg 的測定利用雙道原子熒光分光光度計;Cu、Zn 和Cd 的測定利用等離子體質(zhì)譜儀測定。樣品的測定均在國土資源部濟南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。通過隨機抽取平行樣對比分析,使得測試誤差控制在10%以內(nèi)。

1.3 污染程度評價

評價底泥中重金屬污染程度的方法有很多,常用的方法有地質(zhì)積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法。本研究運用這兩種評價方法,并進行綜合分析,以期得到更具可靠性的結果。

1.3.1 地質(zhì)積累指數(shù)法

地質(zhì)積累指數(shù)法是由M¨uller[14]提出的,被廣泛應用于沉積物重金屬污染程度的定量評價。其表達式為

式中：Igeo為地質(zhì)積累指數(shù);Cn為元素n 在表層底泥中的質(zhì)量比;Bn為元素n 的環(huán)境背景值;k 為各地巖石差異可能引起的背景值變動系數(shù)(一般取1.5)。

地質(zhì)積累指數(shù)法主要用于描述單個元素對環(huán)境污染的程度[15]。根據(jù)Igeo值的大小對污染強度進行分級：小于0 為無污染,0 ～1 為輕-中污染,1 ～2 為中等污染,2 ～3 為中-強污染,3 ～4 為強污染,4 ～5為強-極嚴重污染,大于5 為極嚴重污染。

1.3.2 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法是由瑞典學者Hakanson[16]提出的,用于評價重金屬潛在的生態(tài)危害。其表達式為

表1 和RI 的閾值區(qū)間和污染強度分級

表1 和RI 的閾值區(qū)間和污染強度分級

_____Eir污染強度R I污染強度≤40Ⅰ輕微生態(tài)污染≤50Ⅰ無污染40～80Ⅱ中等生態(tài)污染50～120Ⅱ輕污染80～160Ⅲ強的生態(tài)污染120～240Ⅲ中等污染160～320Ⅳ很強的生態(tài)污染240～400Ⅳ重污染____≥320_____Ⅴ極強的生態(tài)污染≥400Ⅴ極重污染

由于南四湖地處黃河泛濫的黃泛平原區(qū),因此,本研究環(huán)境背景值的選取綜合考慮了黃河干流沉積物的重金屬質(zhì)量比和南四湖流域未受污染土壤中的重金屬質(zhì)量比。根據(jù)南四湖各重金屬元素的污染情況和前人的研究[18],本研究設定各式中的重金屬生物毒性加權系數(shù)：As 為10, Hg 為30, Cd 為30,Pb 為5。

2 結果與分析

2.1 重金屬的空間分布

南四湖表層底泥中8 類重金屬質(zhì)量比、質(zhì)量比平均值和環(huán)境背景值如圖2 所示。

南四湖各采樣點的表層底泥中,As、Hg、Cd、Pb的總平均質(zhì)量比均高于環(huán)境背景值,說明南四湖受As、Hg、Cd、Pb 污染嚴重;Cr、Ni、Cu、Zn 的平均質(zhì)量比與環(huán)境背景值接近,說明湖區(qū)尚未受到這些金屬的污染威脅。

南四湖5 大區(qū)域表層底泥中各重金屬質(zhì)量比的平均值見表2。由表2 可見,下級湖表層底泥中As和Cd 的質(zhì)量比略高于上級湖,其他各重金屬的質(zhì)量比均是上級湖明顯高于下級湖。

由表3 可見,南四湖As、Hg、Cd、Pb 的總平均富集系數(shù)均遠大于1,說明湖區(qū)這4 類元素出現(xiàn)了較重的富集現(xiàn)象;而Cr、Ni、Cu 和Zn 的總平均富集系數(shù)與1 接近,表明這些元素暫未出現(xiàn)明顯富集現(xiàn)象。

微山湖表層底泥中的As 和Cd 平均富集系數(shù)最大,分別為2.26 和3.38,其次是壩北昭陽湖、南陽湖、壩南昭陽湖、獨山湖。

壩北昭陽湖表層底泥中的Hg 和Pb 富集最為嚴重,平均富集系數(shù)分別為3.80 和1.93,其次是南陽湖、獨山湖。其中,Hg 的平均質(zhì)量比均超出環(huán)境背景值3 倍多,Pb 的平均質(zhì)量比均超出環(huán)境背景值近2 倍,富集現(xiàn)象主要位于上級湖。

As、Hg、Cd、Pb 都為生物毒性顯著的重金屬,它們在南四湖表層底泥中的平均質(zhì)量比高于環(huán)境背景值多倍。Cr、Cu、Zn、Ni 為一般毒性的重金屬,它們的平均質(zhì)量比與環(huán)境背景值相近,富集系數(shù)在1.00 左右。

2.2 污染程度評價結果

由以上分析可以看出,南四湖已經(jīng)開始受到多種重金屬的污染。為對南四湖各類重金屬污染程度及其潛在的生態(tài)風險作出定量評價,綜合地質(zhì)積累指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)兩種方法,對南四湖5 個區(qū)域的表層底泥所含的的4 類富集系數(shù)較高的重金屬(As、Hg、Cd、Pb)作出污染程度綜合評價。

對5 個湖區(qū)4 類重金屬元素運用地質(zhì)積累指數(shù)進行污染程度評價,評價結果見表4。

由表4 可以看出,As 和Pb 元素在各個湖區(qū)都處于輕-中污染程度;而Hg 元素在上級湖處于中等污染程度,在下級湖屬于輕-中污染程度;Cd 元素在微山湖處于中等污染程度,在其他湖區(qū)屬于輕-中污染程度。對5 個湖區(qū)的4 類重金屬元素運用潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)進行風險評價,評價結果見表5。

圖2 南四湖表層底泥中8 類重金屬質(zhì)量比、質(zhì)量比平均值及環(huán)境背景值

表2 南四湖5 大區(qū)域表層底泥中重金屬質(zhì)量比及富集系數(shù)

表3 南四湖表層底泥中重金屬質(zhì)量比總平均值情況

表4 不同湖區(qū)Igeo及污染等級

表5 南四湖5 個湖區(qū)的R I 及污染等級

由RI評價結果看,各湖區(qū)的4 類重金屬污染都處于中等污染水平,其中壩北昭陽湖RI指數(shù)最大;其次為南陽湖;再次為微山湖;獨山湖和壩南昭陽湖重金屬元素的污染程度比其他湖區(qū)要低。

由圖3 可以明顯看出,As 和Cd 在下級湖污染較重,而Hg 和Pb 則主要聚集在上級湖。

2.3 重金屬污染源討論

南四湖表層底泥中的重金屬元素除了自然的累積外,工業(yè)、生活污水的排放也是其直接可能來源。為進一步探究兩者之間的相互關系,對8 類金屬元素之間的相關系數(shù)做了對比,結果見表6。

由表6 可知,Cr、Cu、Zn、Ni 之間具有較高的相關系數(shù)(0.7 ～0.959),說明其具有同源性,且表層底泥中這4 類元素的平均質(zhì)量比與環(huán)境背景值相近,富集系數(shù)都在1.00 左右,屬于以自然沉積為主,受人為干擾小。As、Hg、Cd、Pb 與受人為干擾小的Cr、Cu、Zn、Ni 相關性較小,甚至出現(xiàn)負相關,且As、Hg、Cd、Pb 的平均質(zhì)量比遠高出環(huán)境背景值,富集現(xiàn)象顯著,表明As、Hg、Cd、Pb 的污染以人為因素為主。

表6 8 類金屬元素之間的相關系數(shù)

總體而言,南四湖上級湖的污染比下級湖嚴重,這與劉恩峰等[8-12]的研究結果一致。南四湖上級湖的重金屬污染嚴重,主要由于：①南四湖的入湖河流主要集中在上級湖,大量含重金屬的污染水通過河流進入南四湖;②上級湖距濟寧、兗州等城市較近,大量工業(yè)和生活污水的排放入湖,且南四湖的水自北向南流動,造成上級湖污染較重。

南四湖5 個湖區(qū)受重金屬污染最嚴重的是壩北昭陽湖,其次是南陽湖、微山湖、獨山湖、壩南昭陽湖。這與劉恩峰等[8-12]認為上級湖污染程度是南陽湖＞獨山湖＞昭陽湖的結論有所不同。壩北昭陽湖之所以成為重金屬污染區(qū),一方面因為其位于上級湖,另一方面與二級壩的位置也有關系：受二級壩攔截,水中依附著重金屬元素的懸浮物在此容易沉積。濟寧的生活、工業(yè)廢水大量排放入南陽湖,可能是南陽湖重金屬污染較重的原因。而微山湖中作為重要旅游島嶼的微山島對周圍湖水的污染較嚴重。

圖3 南四湖As、Hg、Cd、Pb 污染分布趨勢

南四湖各個湖區(qū)內(nèi)都受到了As、Hg、Cd、Pb 不同程度的污染,尤其以Hg 污染最為嚴重。

Hg 在南四湖表層底泥中質(zhì)量比最高,且主要集中在上級湖,這主要由于產(chǎn)于南四湖流域最大的煤炭基地兗州煤炭所致,煤炭中Hg 的質(zhì)量比約0.188 mg/kg[19],煤炭中的Hg 經(jīng)燃燒后經(jīng)廢水、廢棄、粉塵等各種形式最終匯于南四湖。As 主要來源于醫(yī)藥、紡織和印染等行業(yè)排放的含As 廢水,以及燃燒煤的排放[3],另外含As 農(nóng)藥也是As 的重要來源。Cd 主要來自采礦、冶金和電鍍業(yè)[20],南四湖流域內(nèi)微山湖周邊的棗滕煤炭、微山縣的礦區(qū)及周邊的紡織印染等工業(yè),都是微山湖As、Cd 富集的主要原因。Pb主要來源于煤炭的燃燒。兗州煤炭的Pb 含量較高[3],Pb 在煤炭燃燒過程中釋放,而大氣中的Pb 經(jīng)降水和雨水沖刷等作用,大部分最終匯入南四湖的上級湖。

3 結 論

本研究對南四湖5 個區(qū)域表層底泥中的8 類重金屬元素質(zhì)量比進行測定,得到了南四湖表層底泥中8 類重金屬元素的分布情況,并對污染較重的4類元素進行了污染評價,得到結論如下：

a.南四湖已經(jīng)受到As、Hg、Cd、Pb 多種重金屬元素的污染,其中以Hg 污染最為嚴重。

b.對4 種污染嚴重的重金屬進行污染程度評價,可知,除了As 和Cd 元素在下級湖表層底泥中的質(zhì)量比略高于上級湖外,其他重金屬的污染程度上級湖明顯高于下級湖。總體來看,壩北昭陽湖的潛在生態(tài)危害性最大,其次是南陽湖、微山湖、獨山湖、壩南昭陽湖。

c.對8 類重金屬元素進行相關性分析,可知Cr、Cu、Zn、Ni 元素主要來源于自然沉積,而表層底泥中As、Hg、Cd、Pb 的污染,則以人為因素為主。

致謝：對協(xié)助野外采樣的杜臣昌、呂建樹、張倫、于泉洲、孫京姐、程剛,表示真摯的感謝。

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