巢湖重污染匯流灣區沉積物重金屬污染特征及風險評價

劉 成,邵世光,范成新,周麒麟,商景閣 (1.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008；2.中國科學院大學,北京 100049；.河海大學水文水資源學院,水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098)

重金屬污染由于其在環境中的隱蔽性、持續性和不可降解性而受到了廣泛關注[1].通過生物富集和生物放大作用[2-3],重金屬可對生態系統造成嚴重危害.在地表水體中,重金屬會隨著地表徑流遷移、沉降,逐步轉移至沉積物中,并可能在一定環境條件下釋放到水體中造成環境危害和生態風險[4].

目前對重金屬污染的評價方法主要有沉積物富集系數法[5]、臉譜圖法[6]、過量回歸法[7]、地積累指數法[8]和潛在生態風險指數法[9]等.其中,地積累指數法著重評價某種金屬污染水平,潛在生態風險指數法則考慮了各種金屬污染的綜合作用[10],本文擬使用這2種方法對巢湖重污染匯流灣區重金屬污染狀況進行評價.

巢湖是我國第五大淡水湖,水域面積770km2,流域面積13486km2,平均水深2.69m.巢湖周圍共有大小入湖河流 33條[11],從水體污染物含量和入湖污染物量的分配而言,西半湖的污染程度和入湖量要明顯高于東半湖[12-13].在巢湖西半湖北部的匯流湖灣區域,所分布的3條重污染河流(南淝河、十五里河、塘西河)主要承受來自合肥市的地表徑流水體,受到了嚴重污染.而目前關于巢湖重金屬污染的研究一般關注全湖的污染狀況,研究區域較分散,在不考慮該重污染灣區的情況下生態風險并不高[14],本研究采用地積累指數法和潛在生態風險指數法,對該重污染灣區沉積物重金屬污染特征和風險進行評估,旨在為巢湖污染治理提供依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

圖1 研究區域采樣點位及沉積物分布Fig.1 Sampling sites and sediment distribution in the present study

本文研究區域為巢湖西半湖自塘西河至南淝河外的匯流湖灣區,涉及水域面積約20km2.2013年 3月,在湖灣內有泥區,用 GPS定位設置了 17個采樣點,用柱狀采樣器(Φ90mm×500mm)采集無擾動柱狀樣品,湖灣內沉積物深度分布及采樣點分布情況見圖 1.樣品采集后使用上頂法對其進行分層,在0～10cm深度之間按每2cm間隔分層,在大于10cm深度,則每4cm間隔分層.

1.2 樣品處理及測定

將沉積物分層樣品放入冰箱冷凍后轉移至真空冷凍干燥器干化處理,去除樣品中的沙石和動植物殘體,研磨后過150目尼龍分樣篩,分裝在聚乙烯塑料袋中貯存備用.

沉積物中 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn的測定使用7700X型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS),Hg的測定使用Hydra-c型全自動測汞儀.

1.3 評價方法

1.3.1 地積累指數(Igeo)法廣泛應用于重金屬污染評價[15-16].該方法在評價過程中主要考慮元素的富集作用[17],其評價方程是:

式中,Cn為某種金屬的實測含量;Bn為該金屬在沉積巖中的地球化學背景值,本文使用安徽省土壤重金屬背景值[18]:As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn分別為9.0, 0.097, 66.5, 20.4, 0.033, 29.8,26.6, 62.0mg/kg;1.5是考慮到成巖作用引起的背景值波動而引入的參數[16].

地積累指數法根據Igeo數值的大小將重金屬污染程度劃分為7級,具體分級情況見表1.

1.3.2 潛在生態風險指數(RI)法既可評價多種金屬元素的協同作用,又考慮了單個金屬的毒性污染[17].評價公式為:

(1) 單個重金屬污染指數

(2) 單個重金屬潛在生態風險指數

(3) 多個金屬綜合潛在生態風險指數

表1 地積累指數與潛在生態風險指數分級[20-21]Table 1 Classification of Igeo and potential ecological risk indexes

2 結果與討論

2.1 重金屬含量分析

匯流灣區表層沉積物(0～2cm)中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為 13.3,0.777, 67.1, 33.0, 0.269, 28.7, 54.1, 306mg/kg,基本高于各自背景值,表明均存在一定的污染.從表層沉積物中各金屬元素的分布圖中看出(圖2),含量較高的區域均集中在距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖灣低洼區,由人類活動產生的重金屬污染物在這幾個重污染河道的遷移、匯集下,堆積至該區域.同時,該區域也是匯流灣區內沉積物蓄積深度較大的區域(圖1),由于地表徑流的沖刷導致沉積物和金屬污染物堆積在這一低洼區域而不是河口處,這與余輝等[21]的研究結果相近.統計分析發現,各采樣點的重金屬元素含量間均呈現顯著相關(P＜0.01),說明各金屬的污染來源相近且可能形成以某種金屬為主的復合性污染[22-23].

匯流灣區沉積物中各金屬元素富集倍數(富集倍數計算使用安徽省土壤環境背景值[18])大小順序是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni,分別是8.14, 8.01, 4.95, 2.03, 1.62, 1.47, 1.01, 0.96.其中,富集倍數最大的是 Hg,在研究區沉積物中的含量 為 0.170～0.358mg/kg,遠 遠 高 于 湖 心 區(0.080mg/kg)[24];其 次 是 Cd,含 量 為 0.422～1.064mg/kg.

從湖灣區各重金屬的垂向分布情況來看(圖3),幾乎所有重金屬都在深度 22～24cm處出現含量明顯下降趨勢,該結果與杜臣昌等[25]對巢湖沉積物巖芯受重金屬污染的研究結果相近,其認為人為污染始于 1950s(深度相當于 24cm).與背景值(圖3中虛線)比較,22cm深度以上Hg和Cd的富集倍數最高,As、Cr和Ni最小,幾乎未產生富集作用.說明巢湖匯流灣區沉積物主要受Hg、Cd等重金屬富集污染的影響和威脅.

2.2 地積累指數法評價

使用地積累指數法對匯流湖灣區表層各重金屬污染狀況進行了評價(表2).由表2可見,污染程度分布于0～3之間,共4級.各重金屬污染程度大小依次是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.同富集倍數分析結果相似,污染程度最重的仍然是Hg和Cd,2金屬污染等級(L)為 3,已達到中度污染水平;Cr、Ni和 As的污染等級為0,表明湖灣區尚未有Cr、Ni和As的污染形成.用SPSS19.0對各金屬元素進行聚類分析后發現(圖 4),Hg和Cd的污染可能是由人類活動排放的污染源引起的[26],而相關性分析表明兩者顯著相關(相關系數 0.812,P＜0.01),可能來自相同的污染源.Tang等[26]的研究表明,巢湖入流河道 Cd等金屬污染可能主要來自農業生產中化肥(主要為磷肥)的過度使用.另外,匯入湖灣區的南淝河、十五里河和塘西河流經合肥市人口最為密集的區域,流域內眾多的工農業生產和其他人類活動都有可能導致金屬污染的產生,并隨地表徑流匯入湖灣區,沉降至沉積物中.

2.3 潛在生態風險評價

應用式(2)～式(4)對匯流湖灣區沉積物重金屬綜合潛在生態風險指數評價反映(表 3,只列出部分代表性點位),除位于南淝河口附近的12,16和17號以及十五里河河口附近的3號點位具有重度潛在生態風險外,其余點位均具有嚴重的潛在生態風險,說明由于重金屬的存在,匯流湖灣區沉積物對水生生物以及人類健康存有潛在危害[27].其中,位于南淝河河口處的17號點雖然仍具有重度潛在生態風險,但因 1999年后表層底泥分別經過多次環保疏浚和航道疏浚,與其他類似深度的1,2,3,4,12和16號點位進行t檢驗比較,其沉積物重金屬生態風險有極顯著性差異(t計=5.30＞t表(0.01,6)=4.03).

圖2 湖灣區表層沉積物重金屬含量分布(mg/kg)Fig.2 Levels of heavy metal in the surface sediment of the bay studied (mg/kg)

圖3 湖灣區沉積物重金屬含量垂向分布Fig.3 Vertical distributions of heavy metal contents in sediments of the bay studied

表2 表層沉積物重金屬地積累指數及污染等級Table 2 Igeo and contamination level of heavy metals in surface sediment

圖4 沉積物重金屬聚類分析Fig.4 Dendrogram of cluster of heavy metals in sediment

從各金屬的風險指數來看(表3),其大小依次是 Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr.其中污染貢獻最大的仍然是Hg和Cd,這2種金屬的平均風險指數分別為325.59和240.28,達到嚴重和較重潛在生態風險狀態.這與之前的研究結果相似,石志芳等[24]及程杰等[14]分別認為Hg和Cd是巢湖的主要風險因子.Hg可以損害魚類的鰓組織[28],影響魚類的呼吸;Cd會在水生生物的肝臟和腎臟內累積[29].這兩種金屬都可以通過生物富集進入人體內,對人體肝臟、腎臟等內臟組織造成嚴重危害.從Hg和Cd的潛在生態風險垂向分布分析(圖 5),Hg在 10cm 以上具有嚴重生態風險,在22cm以上具有較重生態風險,34cm處仍具有中度生態風險;Cd則在18cm以上具有較重的生態風險,直至 26cm 處仍具有中度生態風險.受 Hg和 Cd主要污染貢獻影響,沉積物綜合潛在生態風險指數RI在14cm以內都具有嚴重生態風險(≥525).因此,在對巢湖進行重金屬整治時可著重考慮對該灣區進行針對Hg和Cd污染的環保疏浚,以消除這兩種金屬的生態威脅.

表3 表層沉積物潛在生態風險指數與風險等級Table 3 Potential ecological risk indexes and risk level of surface sediment

圖5 Eri(Hg、Cd)及RI垂向分布Fig.5 Vertical distributions of Eri (Hg, Cd) and RI along sediment depth

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3 結論

3.1 匯流灣區底泥主要蓄積于距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖灣低洼區,該泥區表層沉積物各重金屬含量大多都高于安徽省區域背景值.各金屬污染程度大小依次為Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.

3.2 匯流灣區沉積物中Hg和Cd為主要污染重金屬,其中富集倍數最大的是 Hg(8.14),其次是Cd(8.01).Hg和 Cd的污染深度最大分別達到34cm和26cm.

3.3 從單個重金屬生態風險考慮,大多數重金屬仍處于低風險狀態.但受Hg和Cd的影響,湖灣區各點位的風險指數(RI)基本處于嚴重污染水平.建議對湖灣進行重金屬治理時重點考慮對Hg和Cd的治理措施和入湖控制.

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