峽江樞紐庫區沉積物表層重金屬分布及風險評價

2016-12-31 00:00:00張潔姚毅臣魏進夏美龍胡志堅計勇

湖北農業科學 2016年17期

摘要：為掌握淹沒前峽江樞紐庫區沉積物表層重金屬的污染特征，采集5個典型代表性斷面沉積物表層樣品，并對7種重金屬進行了測定分析。結果表明，沉積物中7種重金屬Cu、As、Pb、Cr、Hg、Cd和Zn的含量均值分別為11.19、9.48、40.69、58.82、0.15、0.27、79.85 mg/kg；庫區沉積物表層重金屬存在一定程度污染，除As、Cd外，其余重金屬元素均已經超過鄱陽湖背景值。地累積指數法和污染指數法分析表明，Cd與Hg是主要污染因子，各元素污染程度排序為Cd>Hg>Pb>Cr>Zn>As>Cu，大部分重金屬元素呈正相關，具有相似遷移過程的規律與污染來源。Hakanson潛在生態風險指數法評價與污染程度評價結果基本一致，Cd和Hg達到中等風險水平，其余元素在各斷面都處于低風險水平。

關鍵詞：表層沉積物；重金屬；分布特征；生態風險評價

中圖分類號：X820.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4472-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.029

Abstract： In order to have an overall understanding on the pollution characteristics of heavy metals in the sediments of Xiajiang Reservoir，five typical representative cross sections of surface sediment samples were collected，of which seven kinds of heavy metals were determined. The contents of Cu，As，Pb，Cr，Hg，Cd，Zn were 11.19，9.48，40.69，58.82，0.15，0.27，79.85 mg/kg.There was a certain degree of heavy metal pollution in the surface sediments in reservoir area. In addition to As and Cd，the contentration of other metal elements were higher than that of the background of Poyang Lake. The indexs of geo-accumulation and pollution indexs analysis showed that Cd and Hg were the main pollution factors， the sequence of pollution degree was Cd>Hg>Pb>Cr>Zn>As>Cu. A significant positive correlation was found among most of heavy metals with similar rules and sources of the migration process. Hakanson potential ecological risk indexs were basically consistent with the evaluation of the pollution degree evaluation results. Cd and Hg were in the medium risk level，while the remaining elements were in a low level of risk.

Key words： surface sediments； heavy metals； distribution； ecological risk assessment

水體沉積物不僅可以保留流域天然地質信息，而且能反映人為作用對環境的影響[1]。沉積物作為水體污染物的歸宿和儲備庫，能以各種形態存儲99%水體中的重金屬[2]，當外界條件發生變化時，沉積物中的重金屬又會重新向水體釋放，形成二次污染[3，4]。沉積物中重金屬的含量分布作為水體環境評價中的一個重要指標，可以反映所在流域常年的污染狀況、污染特征和潛在風險，也可追蹤可能的重金屬污染源，評價人為活動對水體污染物貢獻的大小。因此，研究與評價水體沉積物中的重金屬污染有重要意義。江西省峽江水利樞紐工程（峽江工程），是鄱陽湖生態經濟區建設的重點水利工程之一，項目建設一方面促進了當地經濟發展，但同時對庫區生態環境造成了影響。本試驗為掌握淹沒前峽江樞紐庫區沉積物表層重金屬的污染特征，采集5個典型代表性斷面沉積物表層樣品，并對7種重金屬進行了測定分析，以期為贛江流域水質保護提供基礎數據，為保障贛江沿岸供水水質安全及今后開展相關監測研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置

于2012—2013年間，采用GPS定位對峽江水利樞紐庫區設置5個采樣斷面S1（吉安市青原區，115.012 °E，27.118 °N）、S2（吉水縣文峰鎮，115.110 °E，27.178 °N）、S3（吉水縣文峰鎮，115.132 °E，27.248 °N）、S4（峽江縣巴邱鎮，115.132°E，27.513 °N）、S5（吉水縣文峰鎮，115.138 °E，27.195 °N），如圖1所示。

1.2 樣品處理

每個斷面處用重力式抓斗采泥器采集0～10 cm的沉積物，裝入聚乙烯袋，帶回實驗室自然風干，手工剔除明顯的動植物殘片，用4分法獲得樣品，置于陶瓷研缽中研磨并過100目（0.15 mm）篩后保存備用。稱取0.200 0 g烘干樣品，經HNO3-HCL體系消解后，采用原子熒光光度計測定Hg、As含量；經HNO3-HF-HCLO4體系消解后[5]，采用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS（Aglient Elan9000）測定樣品中的Cu、Pb、Cr、Cd和Zn含量。

濃硝酸、高氯酸均為優級純，濃鹽酸為分析純。

1.3 污染程度評價方法

1.3.1 地累積指數法庫區沉積物表層重金屬污染程度評價采用地累積指數法，詳見參考文獻[6]。通常依據Geo-accumulation index（Igeo）將污染程度分為7個等級：等級0（Igeo<0，清潔）、等級1（0

1.3.2 污染指數法庫區沉積物表層重金屬污染程度評價采用污染指數法[7]，污染指數法公式為：

式中，Ci為元素i的實測值；Cni為i的背景濃度；Cfi為單因子污染指數；Cd為總體污染指數；各評價指標的污染程度分級見表1。

1.3.3 潛在生態風險法采用瑞典學者Hakanson提出的潛在生態風險指數法[7-9]對庫區各監測斷面重金屬的生態風險進行評價，計算公式為：

式中，Tri為污染物i的毒性響應系數；Eri為i的潛在生態風險系數；RI為多種污染物的綜合風險指數。其中Tri反映了污染物的毒性水平及生物體的敏感程度，揭示了重金屬對人體和水生生態系統的危害性[8]。

1.4 數據分析

圖形信息采集用MapInfo Professional 7.0軟件處理，化學數據及生物數據采用SPSS19.0和Excel 2003等軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 分布特征分析

庫區表層沉積物重金屬含量的分析結果見表2。分析表明，5個斷面樣點表層沉積物重金屬中Cu元素的變異系數較大，為81.3%，其他元素空間變異系數較小。由表2可知，除了Cu、As以外，其他重金屬元素平均含量都高于全國平均含量，As、Cr元素的平均含量和全國平均值非常接近，而Pb、Hg、Cd和Zn元素的平均含量分別是中國水系沉積物平均值的1.73、3.75、1.93、1.17倍，尤其是Hg元素含量遠遠超過了全國平均值[10-12]。其中，S5斷面處各種重金屬元素含量均已超過研究區域的均值和全國的均值，這可能與此處為人口與交通密集處有關。

以鄱陽湖背景值為評價標準[13]，利用單因子污染指數對庫區沉積物中的重金屬污染進行計算，結果見表2。由表2可知，除As、Cd外，其他單因子污染指數平均值均達到污染水平，Pb屬于沉積物中最重要的污染因子，污染指數為3.26，重金屬污染因子的順序為Pb>Hg>Cu>Cr>Zn>As>Cd。

采用SPSS 19.0軟件對各重金屬含量進行Pearson相關分析，結果如表3所示。相關性分析表明，庫區沉淀物大部分元素間呈正相關，其中Cu與Zn、Pb、Cd等元素的相關系數分別為0.506、0.701、0.622，反映其遷移過程具有相似的規律，在沉積物中他們的含量具有共同的變化趨勢。從地球化學的角度看，他們之間具有相近的地球化學特性，說明其可能具有相似的污染來源，且主要來自于工業污染廢水排放[14，15]。

2.2 污染程度評價

2.2.1 地累積指數法各金屬元素地累積指數Igeo計算結果如表4所示。庫區表層沉積物重金屬Hg元素和Cd元素輕度污染，其中Cd元素在S5斷面處出現偏中度污染；其他金屬Igeo均值均小于0，但個別斷面的重金屬含量出現輕度污染，如Pb元素在S2斷面和S5斷面處出現輕度污染；Cu、As、Cr、Zn 4種元素在所有采樣斷面均保持清潔狀態。各金屬元素污染程度依次為Cd>Hg>Cr>Pb>Zn>As>Cu。

2.2.2 污染指數法為避免采用大尺度平均值產生的偏差，本試驗選擇江西省地區土壤環境質量[16-18]作為背景值評價重金屬的污染情況，詳見表5。庫區表層沉積物重金屬元素Cfi和Cd值如表6所示。

分析表明，Cu、As屬于低污染水平，Pb、Cr、Hg、Cd、Zn元素都達到了中等污染水平，但Cu元素在S5斷面達到中等污染水平。各元素污染程度排序為Cd>Hg>Pb>Cr>Zn>As>Cu。Cfi與Igeo的計算方法都是基于重金屬實測值與區域背景值的比較，然而由于分級標準不同可導致污染等級的劃分出現一些差異[19]。兩種方法的分析結果均表明，Cd與Hg是研究區域的主要污染因子，這可能與峽江庫區造紙、印染行業分布有關。從綜合污染指數來看，除S1斷面外，調查區域Cd均值在8～16之間，總體屬于中等污染水平，最大值出現在S5斷面，Cd值為12.02。

2.2.3 潛在生態風險法表7為潛在生態風險評價結果。分析表明，Cd和Hg達到中等風險水平，監測點中，有超過60%以上樣本Eri值大于80，達到了較重生態風險程度；其余元素在各斷面都處于低風險水平。風險系數排序為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn。其中Cd與Hg是研究區域最主要的生態風險因子。這與Cfi單因子污染指數計算結果的排列順序有所差別，原因是生態風險評價考慮了重金屬的生物毒性效應因素，相關結果更能反映重金屬元素的潛在生態危害[20]。從綜合潛在生態風險評價指數來看，除S1監測斷面外，調查區域RI均值在150～300之間，總體處于中等風險水平，最大值出現在S5斷面，RI值大小為212.84。

3 小結

1）庫區沉積物表層一定程度已受重金屬的污染，除As、Cd外，其余金屬元素均已經超過以鄱陽湖背景值。與全國水系沉積物重金屬平均水平比較，As、Cr元素的平均含量和全國平均值非常接近，而Pb、Hg、Cd和Zn元素的平均含量均超過中國水系沉積物平均值水平。

2）污染程度評價表明，Cd與Hg是主要的污染因子，污染程度較高；Cu、As屬于低污染水平；Pb、Cr、Zn元素介于兩者之間；庫區沉淀物大部分重金屬元素間呈正相關，具有相似遷移過程的規律與污染來源，且主要來自于工業污染廢水排放。

3）不同斷面沉積物中重金屬含量分布差別較大，污染最重的為S5與S2，周圍無污染源的S1斷面污染較輕；生態風險評價與污染程度評價結果基本一致，Cd和Hg達到中等風險水平，其余元素在各斷面都處于低風險水平。鑒于庫區印染等工業廢水不達標排放，建議應加強對當地這些企業排放的監控和管理。

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