淮南礦區塌陷水域沉積物營養物質和重金屬現狀調查與評價

唐鴻達，高良敏

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001）

1 引言

由于煤炭的大量開采，久而久之使地面下沉形成了地面塌陷，又由于淺層地下水和大量雨水的匯入，形成了面積大小不等的塌陷水域，進而形成相應的沉積物。沉積物是生態系統的重要組成部分，底泥不僅可間接反映水體的污染情況、水動力狀態，且在外界水動力因素制約下向上覆水體釋放營養成分和重金屬，從而影響水質［1，2］。目前國內對于河流、湖泊、水庫等水體沉積物方面已有大量相關研究［3～8］。但對于塌陷區水域這一特定水環境，其沉積物相關研究鮮有報道。而塌陷區水域的綜合治理和利用已經逐漸成為當前的熱點。因此，本文選取潘集楊莊區這一具有代表性的塌陷水域，對其沉積物營養物質和重金屬進行檢測和評價分析。

2 研究區域概況

潘集楊莊位于安徽省淮南市潘集區。潘一礦于1983年投產塌陷水域年齡約為23年，水域相對較封閉，附近有農田。其2004年塌陷面積為23093畝，到2009年為26538畝，到2010年底為28236畝。潘集楊莊塌陷區水深約為4.2m，面積約為3km2，塘內有漁業養殖，并有河流穿過。該區域塌陷前主要是農田和河道，其沉積物厚度在17～70cm。

3 材料與方法

3.1 采樣點的布設和樣品采集、樣品的處理與制備

采樣點的布設采集和樣品的處理與制備參考國內相關標準，結合當地實際情況制定。

取用荷蘭BWT2－04.23.SB水下沉積物采樣器采取沉積物樣品，采樣深度約為10～15cm。在塌陷水域內布設10個采樣點，具體點位用GPS導航定位，詳見圖1。采集的底泥柱狀樣品按2cm長現場分段，一般分為3～6段。

圖1 潘集楊莊底泥采樣布點

所有樣品用自封袋包裝好帶回實驗室后，置于通風、陰涼、干燥的地方自然風干。樣品風干后，揀去其中的石塊及動植物殘體，用瑪瑙研磨磨碎。磨碎的樣品按實驗分析處理要求分別過2mm、100目和200目尼龍篩網，然后裝入自封袋密封保存，貼標簽、編號，以備測定。

3.2 指標的監測

沉積物主要測定指標包括OM、TN、TP及各類重金屬（Cu、Zn、Hg、Ni、Cd、Fe）。其方法和來源見表1。

表1 營養物質和重金屬指標的測定方法和來源

4 結果與討論

4.1 沉積物OM、TN、TP的含量和分析

OM是沉積物中反映有機營養程度的重要標志，也是其重要的自然膠體之一［9］。潘集楊莊塌陷區水域沉積物的 OM 含量在22.69～86.09g/kg間，平均值為41.05g/kg。TN的含量在663.62～2631.48mg/kg，均值為1188.55mg/kg。TP的含量在204.01～365.84 mg/kg，均值為278.01mg/kg。

研究表明，水體中底泥所含OM，一般來自生活污水和水生生物死亡殘骸長期積累［10］。對比國內眾多湖泊、水庫、河流的沉積物，潘集楊莊塌陷區水域沉積物OM值處于較高水平。這可能與塌陷水域周邊村莊所排污水及該區域內的漁業養殖有關。

參考周邊土壤的 OM、TN、TP的均值（分別為30.09g/kg、1056.72mg/kg、267.02mg/kg），發現潘集楊莊塌陷水域沉積物以上三項指標均超過當地周邊土壤，說明營養物質在該區沉積物中都有一定程度的累積，可能形成潛在的污染。

在某種程度上值可反映出底泥中有機質的來源［11］。一般高等植物的C/N值介于14～23之間，水生生物的C/N介于2.8～3.4之間，浮游動植物的C/N介于6.0～6.3之間［12］。潘集楊莊塌陷水域沉積物中C/N比在12.23～35.74之間，均值為23.72，說明沉積物中有機質主要來自陸源輸入。

4.2 沉積物營養評價

目前國內對淺水沉積物的污染狀況尚無統一的評價方法和標準，多用有機指數和有機氮評價法［13］。計算方法如：OI＝OC（%）×ON（%）

式中：OC（%）＝OM（%）/1.724；ON（%）＝TN（%）×0.95。

結合潘集楊莊塌陷水域的實際情況，并參考相關湖泊水庫沉積物營養評價分級標準［14］，制定了沉積物營養評價分級標準如表2所示。

表2 OI和ON評價標準

潘集楊莊塌陷水域沉積物OI在0.10～0.61之間，均值為0.27。根據表2可知潘集楊莊塌陷水域總體上有機污染指數為Ⅲ級，屬于尚清潔。ON在0.063～0.173%，其均值為0.113%。據表2可知總體水平在Ⅲ級，屬于尚清潔。OI和ON評價結果一致，個別點位OI和ON值分別超過0.50和0.133，達到IV級，這可能與臨近村莊排放污染物和漁業養殖有關。說明該區域總體屬于尚清潔范圍，但也有潛在有機污染威脅。

4.3 沉積物重金屬的含量和分析

潘集楊莊塌陷區水域沉積物重金屬質量濃度測定結果見表3。除Cu元素外，其余Zn、Pb、Cd、Ni、Hg質量濃度均高于淮南市土壤背景值［15］，其值分別為背景值的4.53、1.03、10.59、1.16、4.22倍，可知這5種重金屬元素在潘集楊莊塌陷水域沉積物中有明顯的富集現象。其中Cd元素的富集現象最為嚴重，其次為Zn和Hg。

表3 沉積物中的重金屬質量濃度 mg/kg

4.4 沉積物重金屬污染評價

目前國內外常用的水體沉積物重金屬污染的評價方法有污染指數法、富集因子法、地積累指數（Igeo）法、Hakanson潛在生態風險指數法及臉譜圖法等。根據潘集楊莊塌陷水域實際情況，本文采用地積累指數法和潛在生態風險指數法進行評價。

4.4.1 地積累指數Igeo法

地積累指數法是德國海德堡大學沉積物研究所的科學家Muller在1969年提出的，它是研究水環境沉積物中重金屬污染程度的定量指標，在歐洲被廣泛采用，我國也有學者采用過［16～18］。其計算公式如下：

式中：Cn為元素n在沉積物中的實測含量；B為該元素的地球化學背景值，本文采用淮南市土壤值中元素含量作為背景值；常量1.5是為消除各地差異可能引起背景值的變動轉換系數。

沉積物重金屬地積累指數分級與污染程度之問的相互關系列于表4。

表4 地積累指數評價標準

潘集楊莊塌陷水域沉積物 Cu、Zn、Pb、Ni、Cd、Hg的地積累指數分別為－0.69、1.59、－0.54、－0.37、2.82、1.49。由表4可知，沉積物中Cu、Pb和 Ni的Igeo值均小于0，屬于無污染。Zn和Hg的Igeo值在1～2之間，屬于中污染；而Cd的Igeo值在2～3之間，說明Cd元素在潘集楊莊塌陷水域屬于中污染－重污染范圍。由此可知，沉積物中Cd的污染程度最高，Hg和Zn次之。

根據泥河底泥中的重金屬含量［19］和周邊農田土壤的實地測量可知，兩者本身的Cd、Zn、Hg的含量較高，且當地煤矸石中Cd、Zn、Hg亦屬于較高水平［20］。該區域塌陷前為泥河河道和農田，說明其沉積物中本來的重金屬含量就較高。加之西北面臨靠矸石堆以及周邊的農田，使得重金屬污染物在雨水沖刷下帶入到塌陷水域，進而沉降富集于沉積物中。

4.4.2 潛在生態風險指數法

潛在危害生態指數（RI）表征了沉積污染物對生態環境的潛在危害，該方法除了考慮重金屬含量，還將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，采用具有可比的、等價屬性指數分級法進行評價［21，22］。其計算公式為：

表5 潛在生態風險程度評估劃分標準

經計算，潘集楊莊塌陷水域沉積物Cd、Hg、Cu、Pb、Zn的值分別為317.60、126.58、4.66、5.15、4.53；RI的值為458.51。由表5可知Cu、Pb、Zn的單因子風險程度均為輕微；Hg的污染程度較為嚴重，其風險程度為強，而Cd的污染程度最為嚴重，其風險程度為很強。由于受Hg、Cd高污染程度的影響，該區域沉積物重金屬總的風險程度達到強生態危害級別，說明沉積物中最主要的重金屬污染生態風險因子為Cd，其次為Hg。

5 結論

通過對潘集楊莊塌陷區水土沉積物營養物質和重金屬分析可以得出以下結論。

（1）沉積物的OM、TN、TP均超過當地周邊土壤，說明營養物質在該區沉積物中都有一定程度的累積。C/N比在12.23～35.74之間，均值為23.72，表明沉積物中有機質主要來自陸源輸入。

（2）沉積物營養評價等級為Ⅲ，個別點位達到Ⅳ，說明該區域總體屬于尚清潔范圍，但也有潛在有機污染威脅。

（3）應用地積累指數法和潛在生態風險指數法對沉積物重金屬污染進行評價，其結果基本一致。通過Igeo和的計算結果，表明Cd為當地最主要的重金屬污染元素，Hg次之。而RI的值表明，該區域重金屬總潛在風險程度屬于強生態危害。

［1］朱元容，張潤宇，吳豐昌.滇池沉積物中氮的地球化學特征及其對水環境的影響［J］.中國環境科學，2011，31（6）：978～983.

［2］程 杰，李學德 ，花日茂 ，等.巢湖水體沉積物重金屬的分布及生態風險評價［J］.農業環境科學學報，2008，27（4）：1403～1408.

［3］葉宏萌，袁旭音，徐荊棘.南京近城市河流沉積物營養水平與磷形態的空間分布［J］.長江流域資源與環境，2011，22（10）：1262～1267.

［4］魏榮菲，莊舜堯，戎 靜，等.蘇州河網區河道上覆水與底泥中氮素形態分布特征塌陷區沉積物［J］.環境科學研究，2009，22（12）：1432～1439.

［5］隋桂榮.太湖表層沉積物中OM、TN、TP的現狀與評價［J］.湖泊科學，1996，8（4）：319～324.

［6］楊 卓，王殿武，李貴寶，等.白洋淀底泥重金屬污染現狀調查及評價研究［J］.河北農業大學學報，2005，28（5）：20～26.

［7］蔡金傍，李文奇，劉 娜，等.洋河水庫底泥污染特性研究［J］.農業環境科學學報，2007，26（3）：886～893.

［8］周真明，沈春花，張佳發，等.山美水庫流域沉積物中重金屬污染現狀評價［J］.華僑大學學報：自然科學版，2009，30（4）：454～457.

［9］余 輝，張文斌，盧少勇.洪澤湖表層底質營養鹽的形態分布特征與評價［J］.環境科學，2010，31（4）：961～968.

［10］王 佩，盧少勇，王殿武，等.太湖湖濱帶底泥氮、磷、有機質分布與污染評價［J］.中國環境科學，2012，32（4）：703～709.

［11］李風彬，戴 禮.洋河水庫底泥對富營養化影響的研究［J］.水資源保護，2003（3）：31～34.

［12］朱松泉，竇鴻身.洪澤湖［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，1993.

［13］陳如海，詹良通，陳云敏，等.西溪濕地底泥氮磷和有機質含量豎向分布規律［J］.中國環境科學，2010，30（4）：493～490.

［14］盧少勇，許夢爽，金相燦，等.長壽湖表層沉積物氮磷和有機質污染特征及評價［J］.環境科學，2012，33（2）：393～398.

［15］安徽省計劃委員會及安徽地質礦產局，安徽省國土資源遙感應用研究［M］.北京：地質出版社，1996.

［16］LOSK A K M.Contamination of farming soil saffected by industry［J］.Environment International，2004，30（2）：159～165.

［17］柴世偉，溫琰茂，張亞雷，等.地積累指數法在土壤重金屬污染評價中的應用［J］.同濟大學學報：自然科學版，2006，34（12）：1658～1660.

［18］弓曉峰，陳春麗，周文斌，等.鄱陽湖底泥中重金屬污染現狀評價［J］.環境科學，2006，27（4）：732～736.

［19］何 燦，高良敏，劉玉玲，等.淮南泥河沉積物中重金屬總量及形態分析［J］.環境化學，2010，29（4）：766～767.

［20］蔡 峰，劉澤功，林柏泉，等.淮南礦區煤矸石中微量元素的研究［J］.煤炭學報，2008，33（8）892～897.

［21］唐銀健.Hakanson指數法評價水體沉積物重金屬生態風險的應用進展［J］.環境科學導刊，2008，27（3）：66～68.

［22］黃靜高，高良敏，馮娜娜，等.煤礦復墾區土壤重金屬分布特征與質量評價［J］.環境污染與防治，2012，32（2）：68～71.

［23］吳坤杰，楊東耀，李 睿，等.南灣水庫表層沉積物重金屬污染及潛在生態風險評價［J］.河南農業科學，2012，41（3）：79～81.