上海青草沙水庫表層沉積物重金屬含量水平及其生態風險評價

朱宜平 李小飛 梁霞

摘要：采集青草沙水庫上游水閘、墾區南北水道、庫中以及庫尾5個代表性區域的30個表層沉積物樣品，分析了沉積物中7種重金屬（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As和Hg）含量和賦存形態，并評價了其潛在生態風險。結果顯示，青草沙水庫中部表層沉積物的重金屬含量相對較高，而墾區南北水道附近重金屬含量最低。表層沉積物重金屬以殘渣態為主，可交換態含量低。基于重金屬污染的生態風險評價可知，水庫表層沉積物的潛在生態風險指數值（ERI）介于55～113，屬于低風險或不具潛在生態風險水平，其中上游水閘附近的生態風險相對最高，而南北水道和庫尾附近的生態風險最低。

關鍵詞：重金屬;沉積物;生態風險;水庫;飲用水水源地

中圖分類號：X131.3文獻標志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.006

ContentandecologicalriskassessmentofheavymetalsinthesurfacesedimentsofQingcaoshaReservoirinShanghai

ZHUYiping1，LIXiaofei2，LIANGXia3

（1.ShanghaiChengtouRawWaterLimitedCompany，Shanghai200125，China;

2.SchoolofGeographicalSciences，FujianNormalUniversity，Fuzhou350007，China;

3.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China）

Abstract：Surfacesedimentswerecollectedfromfiverepresentativeareas—thefloodgateentrance，thenorthandsouthsidesofthereclamationarea，andthecentralanddownstreamsections—ofQingcaoshaReservoir;thepollutioncharacteristicsandpotentialecologicalriskofsevenheavymetals（Cu，Zn，Pb，Cr，Cd，AsandHg）inthesesedimentsweresubsequentlyinvestigated.Resultsshowedthattheheavymetalcontentinthesurfacesedimentsshowedspatialvariations：thecontentwasrelativelyhigherinthecenterofthereservoirandwaslowinthenorthandsouthsidesofthereclamationarea.Heavymetalsinthesurfacesediments，inaddition，weremainlyintheresidualfraction;thecontentofheavymetalsintheexchangeablefractionwasextremelylow.Apotentialecologicalriskassessmentindicatedthatthecomprehensivepotentialecologicalriskindex（ERI）oftheinvestigatedheavymetalsrangedfrom55to113.ThemaximumERIvaluewasobservedaroundthefloodgateofthereservoirentrance，andlowERIvalueswereobservedatthenorthandsouthsidesofthereclamationarea.TheERIwaslowerthanthethresholdforlowecologicalrisk，indicatingthatheavymetalsinthesurfacesedimentsoftheQingcaoshaReservoirhavelowpotentialecologicalrisk.

Keywords：heavymetal;sediment;ecologicalrisk;reservoir;drinkingwatersource

0引言

水庫作為重要的淡水資源，在農業灌溉、區域防洪、飲用水供給以及水電清潔能源等方面都扮演著重要的角色[1-2]。受人類活動影響，近年來水庫沉積物重金屬污染問題日益突出，對水庫生態環境安全提出了挑戰。自然水體中的重金屬主要源于巖石風化和土壤淋溶流失[3]。然而隨著人類工業活動，大量重金屬通過廢水排放以及大氣干濕沉降等方式進入河流、湖泊和水庫等水體。這些重金屬在懸浮顆粒物表面吸附沉積，并隨著水環境改變而經歷吸附-解吸、氧化-還原、溶解-沉淀以及顆粒凝聚等一系列過程，沉積物因此成為水體重金屬污染的重要來源[4-6]。作為我國重金屬污染綜合防治“十二五”規劃中的重點防控對象，汞（Hg）、鉛（Pb）、砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、銅（Cu）和鋅（Zn）等重金屬在包括太湖、巢湖、遼河、珠江、海河，以及三峽水庫、密云水庫等在內的重要河湖水庫沉積物中富集并引發水體污染，受到了眾多研究學者和管理部門的高度關注[6-10]。

目前，針對水庫沉積物金屬污染的研究主要集中在內陸水庫，包括三峽水庫、丹江口水庫及山美水庫等在內的表層沉積物都呈現一定程度的Cd、Pb污染，水庫處于較高的生態風險等級[1，4，7，11-13]。常用于重金屬污染生態風險評價的方法主要有地積累指數法、沉積物富集系數法、潛在生態風險指數法等[13-15]。其中，潛在生態風險指數法從重金屬的生物毒性出發，綜合考慮了重金屬的毒性、濃度及遷移轉化規律和區域背景值的影響，不僅反映沉積物中單一重金屬元素的環境影響，也反映了多種重金屬污染物的綜合效應[16]。因此，該方法在我國水體沉積物重金屬污染評價中得到廣泛應用[2，11]。

青草沙水庫位于長江河口南支下段江心島上海長興島的西北側，是長江河口淡水資源開發的重要飲用水水庫，也是我國最大的蓄淡避咸水庫。作為上海市重要的飲用水水源地，青草沙水庫受陸域排污干擾小，水量豐富、水質優良，是上海難得的優良水源地和城市供水的戰略儲備。青草沙水庫設計有效庫容4.35億m3，設計單日供水規模719萬t，可滿足上海市50%的日供應量[17]。但是青草沙水庫地處長江河口并受到上游來水水質和河口咸潮期咸水倒灌的共同影響，其沉積物重金屬污染含量和賦存特征與其他水源地水庫有所不同。自2011年水庫通水運行以來，已陸續展開了針對水庫沉積物的一系列研究，主要集中在庫區流態及淤積分布特點、氮磷營養鹽釋放以及沉積物中痕量有機污染物和部分重金屬污染調查等方面[18-23]。然而，目前針對青草沙水庫沉積物重金屬污染的研究仍相對較少，水庫沉積物重金屬賦存形態和生態風險評估也相對缺乏。因此，本文以青草沙水庫為研究對象，采用野外采樣與室內分析相結合的方法，開展沉積物重金屬含量和形態分析以及生態風險評估，以期為青草沙水庫水環境質量保護與保障飲用水供水安全提供科學依據。

1研究材料與方法

1.1研究區概況與采樣設計

青草沙水庫（121.47°～121.78°E，31.36°～31.55°N）地處長江口南北港分流口下方、長興島北側和西側的中央，水域面積約66.26km2，平均水深約8m，最大水深約13m[21]。水庫地處典型亞熱帶氣候區，年平均氣溫約16℃，年平均降水約1030mm。基于對青草沙水庫庫區面積、不同區域水動力條件和潛在污染源分布特征等因素的綜合考慮，于2014年8月和2015年7月采用便攜式采泥器對青草沙上游水閘、墾區南北水道、庫中區域以及庫尾附近5個代表性區域采集30個表層（0～5cm）沉積物樣品（見圖1和表1）。樣品現場封裝后低溫保存并盡快運輸至實驗室完成樣品分析。現場記錄采樣點水深、經緯度等相關信息。

1.2沉積物重金屬總量和賦存形態含量分析

表層沉積物樣品自然風干并研磨100目過篩。隨后樣品酸化（HNO3-HCl-HF）并于120℃消解16h。采用ICP-MC（XSERIES2，Thermo，美國）測定分析沉積物樣品中的Cu、Pb、Zn、Cr、Cd和As含量。沉積物樣品中的Hg含量采用H2SO4-HNO3-HCl酸化消解，并采用雙光束冷原子吸收測汞儀（SG921-1）進行分析。使用Tessier分級提取法逐步萃取沉積物中的可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘渣態重金屬組分。采用沉積物標準物質（GBW07436）進行樣品質量控制。

1.3生態風險評價

利用潛在生態風險指數法對重金屬污染生態風險進行評價[24]，計算公式如下：

式（1）和式（2）中：為某單一重金屬潛在生態風險指數;ERI為綜合潛在生態風險指數;Tr為該重金屬毒性響應系數，反映該重金屬的毒性水平及生物對重金屬污染的敏感程度;Cr為該重金屬實測值;Bref為該重金屬的評價參照值，采用上海濱岸沉積物背景值[25]。考慮到不同區域間沉積物背景值的差異性，在參考重金屬毒性響應系統和背景值的基礎上，本文重新調整了生態風險程度的等級劃分標準[26]，具體如表2所示。

2結果與分析

2.1重金屬含量

青草沙水庫表層沉積物7種重金屬含量介于183～345mg·kg–1，平均含量約為250mg·kg–1，并且各金屬含量之間呈現時空差異（見表3）。庫區中部表層沉積物中3種重金屬（Zn、Pb、Cr）的單一含量以及7種重金屬總含量均高于水庫其他區域，而青草沙墾區南北水道的表層沉積物重金屬含量最低。但墾區南部水道7種重金屬和下游庫尾除Cr和Cd外的5種重金屬含量都呈現逐年增加的趨勢，其年均增幅分別可達16.79%和35.22%，而其他區域重金屬含量都在逐年下降，尤其是墾區北部水道降幅最大，可達60%左右。相比較而言，水庫上游水閘處的表層沉積物重金屬含量基本無年際變化。

2.2不同形態重金屬特征

對青草沙水庫表層沉積物重金屬不同形態和含量特征分析后可知，表層沉積物中的重金屬主要以殘渣態為主，平均占比約48%，而可交換態含量最低，僅占總量的約3.5%（見圖2）。不同金屬形態之間存在時空差異：庫中區域表層沉積物可交換態Cd含量占比相對較高，而碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態Pb在上游水閘、庫區中部和庫尾都呈現較高含量，且可交換態Cd和鐵錳氧化物結合態Pb在這些區域都呈現出逐年增加的趨勢（見圖3）。相對而言，水庫各區域表層沉積物中的殘渣態Cr和As占比最高。

2.3生態風險評價

沉積物重金屬單項和綜合潛在生態風險指數結果見表4.水庫表層沉積物中的Cd、As和Hg污染指數值相對最高，但除上游水閘附近表層沉積物的Hg污染指數達到中等風險水平外，其余重金屬均屬于低風險等級。青草沙水庫表層沉積物的綜合潛在生態風險指數（ERI）值介于55～113，屬于低風險或無潛在生態風險水平。其中，上游水閘附近的風險指數值最高，而南北水道及庫尾區域生態風險則相對較低。

3討論

近年來，包括飲用水水源地水庫在內的一系列水庫沉積物污染及其生態風險評價已引起人們的廣泛關注[4，7，11]。但目前的研究主要集中在內陸地區，針對河口區域的研究相對較少。河口水庫受上游來水水質和海水咸潮入侵等的共同控制，其表層沉積物污染物富集和遷移轉化等與內陸水庫有所不同。本研究對青草沙水庫表層沉積物中的7種重金屬污染進行調查，并參照長江河口沉積物重金屬背景值開展生態風險評價。結果表明，在青草沙水庫表層沉積物中，除As外的6種重金屬含量均接近于長江口沉積物背景值（見表5）。雖然水庫As含量略高于長江三角洲表層沉積物的平均范圍，但其存在形態主要以殘渣態為主（見圖3），因此其對水體的生態風險影響仍相對較低[27]。重金屬Cd、Hg和Pb是上海水源地水庫以及長江三角洲水體沉積物中重點關注的污染物，但青草沙水庫沉積物Cd、Hg含量均低于區域沉積物背景值（見表5），說明青草沙水庫目前還未受到周邊污染水體的影響。此外，與我國主要飲用水水庫相比，青草沙水庫表層沉積物重金屬含量也處于較低水平[11，28]，其中Cr、Zn和58華東師范大學學報（自然科學版）2021年Cu含量甚至低于長江上游的三峽水庫[29]，說明青草沙水庫受上游來水重金屬污染輸入影響也較小。一般來說，水庫沉積物中的重金屬主要源于原狀土壤以及周邊巖石風化輸入[1-2，11，29]。青草沙水庫表層沉積物累積主要來自上游懸浮泥沙輸入，但長江豐富的淡水輸入稀釋水體和懸浮泥沙中的重金屬，由此減少了水庫表層沉積物中的重金屬的富集[6]。值得注意的是，青草沙水庫中部的表層沉積物重金屬含量高于該水庫的其他區域（見圖3），這可能受到水庫水文過程的影響。青草沙水庫中部的水流速度較之南北水道明顯下降[18]，造成表層沉積物與上覆水體之間的物質交換通量減弱，由此加劇了水庫中部表層沉積物重金屬的富集[22]。

由于各形態重金屬的生物毒性和生物有效性不同，因此不同重金屬各形態間的生態風險也存在差異[1]。一般來說，可交換態、碳酸鹽結合態（弱酸溶解態）和鐵錳氧化物結合態（可還原態）均可被生物所吸收利用[38]。但是可交換態重金屬可溶于水并能被Ca2+、Mg2+、NH4+等陽離子進一步交換并釋放到水中被生物所利用[1]。因此，可交換態是沉積物中活性最高、毒性最強的重金屬組分，是潛在生態風險評估重點關注的對象[27]。碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態也是重金屬組成中生物活性較高的部分，其釋放過程受pH、溶氧以及鹽度影響控制[28]。相對上述形態，殘渣態重金屬性質十分穩定，因此其潛在生態風險最低。青草沙水庫表層沉積物的重金屬以殘渣態為主，碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態重金屬占比不高，分別介于3.3%～37.61%和3.9%～29.6%。但是，沉積物中的可交換態Cd和鐵錳氧化物結合態Pb的含量高于長江口水體及部分內陸水庫[12]，并且占比呈現逐年增加趨勢。水體鹽度變化對于可溶態Cd和Pb的解吸與吸附具有顯著影響。鹽度上升能夠促進沉積物中Cd的解吸[39]，而河口咸淡水混合尤其當長江沖淡水滲入高鹽度海水時，懸浮沉積物對Pb的吸附速率將急劇下降[40]。考慮到青草沙水庫取水口面臨著上游北支倒灌和北港下游外海鹽水入侵的威脅[41]，并由此可能導致水體Cd、Pb濃度增加，因此在后期管理中需要對咸潮期水庫中的這兩類重金屬保持關注。

利用潛在生態風險評估指數，將沉積物重金屬含量與區域背景值進行比較，可以較為客觀地反映水庫沉積物的生態風險水平[11]。相較于陳行水庫、黃浦江水源地、長江口灘涂、長江三角洲水體以及我國主要的內陸水庫系統，青草沙水庫目前總體保持在低生態風險等級（見表6）。其中，Cd、Hg和Pb是青草沙水庫中生態風險指數較高的3種重金屬，但水庫表層沉積物中Cd和Hg的實際含量低于長江口沉積物背景值，其生態風險指數值也遠低于長江口及我國內陸水庫水體。青草沙水庫中Pb的生態風險指數值略高于長江口以及內陸水庫，但較之長江三角洲近岸及經濟區水體仍保持在較低水平。因此，總體來看，本研究關注的7種代表性重金屬并未對青草沙水庫生態安全造成影響。盡管如此，考慮到表層沉積物中非殘渣態Cd、Pb占比相對較高，而這部分重金屬在咸潮期又具有二次釋放的風險，因此在后期工作中應加強其環境風險監控。最后，需要注意的是，本研究雖然與國內其他幾個水庫的重金屬潛在生態風險進行比較，但所選取的代表性重金屬有限，無法全面評估重金屬的生態風險效應。在今后的工作中應加強青草沙水庫重金屬生態風險的系統研究，以期得到更為全面準確的評價結果。

4結論

青草沙水庫表層沉積物的重金屬含量和賦存形態均表現出較大的空間差異性。其中，庫中區域表層沉積物重金屬含量較高，而青草沙墾區南北水道附近的重金屬含量則相對最低。水庫表層沉積物以殘渣態重金屬為主，可交換態重金屬含量低。單項和綜合潛在生態風險指數評價結果表明，青草沙水第2期朱宜平，等：上海青草沙水庫表層沉積物重金屬含量水平及其生態風險評價61庫表層沉積物重金屬污染屬于低生態風險水平。作為飲用水水源地，目前表層沉積物中重金屬的賦存與累積量不會影響水庫的供水安全。

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（責任編輯：李萬會）