向家壩庫區沉積物中重金屬的形態分布特征

文 帥

（河北工程大學能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038）

隨著人類社會文明的不斷進步與發展，工業活動開始大規模的進行，其產生的重金屬大量輸入到環境中，并在環境中不斷累積，不僅對環境造成了危害，而且同時通過生物富集和食物鏈進入人體后對人類身體健康造成嚴重危害[1]。

金沙江處于長江上游，為長江輸送了大量的營養鹽，同時具備節約能源，保護生態環境，并兼顧防洪、攔沙、灌溉與航運作用。本文以金沙江以及其支流為研究對象，探究向家壩水電站建成后，庫區沉積物重金屬的分布情況，分析沉積物中各類重金屬對污染指數的貢獻度。為向家壩庫區的生態管理提供基本數據依據，對庫區的生態環境保護有著一定參考作用。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

向家壩庫區是金沙江流域周邊部分市、縣的水源地或備用水源地，屬生態環境敏感區域，國家在向家壩壩軸下1.8 km 處，設立了游珍稀特有魚類國家級自然保護區。向家壩庫區水質將直接影響到金沙江下游流域的生活、生產用水安全和自然保護區水域生態環境[2]。

建設向家壩水電站的技術經濟指標十分優越，工程總投資較低。向家壩水電站發電容量總和略大于三峽，且由于水庫移民投資所占的比例小，兩座電站單位千瓦投資和造價同國內在建和今后擬建的大型水電工程項目相比，經濟指標優越。因此，向家壩水電站將成為“西電東送”中路通道的骨干電源項目[3]。

1.2 樣品采集

依照金沙江河流的位置以及其特征與污染狀況，考慮到金沙江上下游、干流和支流的交匯情況來分析污染源的分布狀況，在金沙江流域布設了13 個采樣點（見圖1）。于2021 年4 月采集金沙江表面沉積物。采用抓斗式采泥器在各個監測點進行斷面采集，低溫運回實驗室并進行預處理。

圖1 向家壩庫區采樣點分布圖

1.3 樣品處理及分析方法

樣品中重金屬的形態采用BCR 法分級提取，具體步驟如下：

弱酸提取態：準確稱取1 g 樣品，加入20 mL 0.11 mol/L 的醋酸溶液，在室溫下振蕩16 h；離心分離20 min（3 000 r/min），取上清液用于測定土壤中重金屬弱酸提取態的濃度。

可還原態：向上一級(弱酸提取態)提取后的剩余物中加入20 mL 0.5 mol/L 的鹽酸羥胺，用硝酸將pH 值調至1.5，在室溫下振蕩16 h；離心分離20 min（3 000 r/min），取上清液用于測定土壤中重金屬可還原態的濃度。

可氧化態：向上一級（可還原態）提取剩余物中加入5 mL 雙氧水（pH 值為2～3），于室溫條件下靜置1 h，然后再加熱到85 ℃±2 ℃，靜置1 h，再加入5 mL 雙氧水，溫度繼續維持在85 ℃±2 ℃，再靜置1 h，加入1 mol/L 乙酸（pH 值為2）溶液25 mL，置于振蕩器上振蕩16 h，離心分離20 min（3 000 r/min），取上清液用于測定土壤中重金屬可氧化態的濃度。

殘渣態：重金屬殘渣態的含量由測得的土壤中重金屬的全量減去以上3 種形態（弱酸提取態+可還原態+可氧化態）的重金屬含量計算得出[4]。

2 結果與討論

表層沉積物分布特征如圖2：

圖2 各斷面重金屬形態分布情況

1）在整個向家壩庫區的13 個斷面中。Cd 的形態分布在空間上呈相似性，Cd 的4 種形態含量關系為醋酸可提取態（平均值0.199 mg/kg〉碳酸鹽結合態（平均值0.095 mg/kg）〉Fe-Mn 氧化物結合態（平均值0.092 mg/kg）〉殘渣態（平均值0.059 mg/kg）。Cd 的主要賦存形態為醋酸可提取態，平均含量占總量的44.74%，其次為碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態，占比分別為21.44%和20.62%，殘渣態僅為13.2%。由于鎘的化學性質較為活潑且易溶于酸，與環境有著多種吸附和結合的方式。所以，Cd 的可提取態占比重較大，而殘渣態占的比重較小。可提取態的重金屬對環境條件變化敏感，容易釋放到環境中，因此可提取態具有較強的生物有效性和毒性。因此Cd 在各采樣點具有較強的遷移轉化能力及生態危害性，在向家壩庫區沉積物中有著較大的生物風險[5]。

2）由于Cu 的性質，使其容易與環境中的碳酸鹽礦物相結合。Cu 的賦存形態主要以碳酸鹽結合態為主，其平均含量為15.18 mg/kg，平均為44.42%。其次為鐵錳氧化物結合態以及殘渣態，分別占比25.37%和25.49%。從空間上來看，JS04 斷面各形態的Cu 含量均較小，可能是因為，JS04 處于金沙江干流的末端，在其下游，正處于支流與干流交匯處，該斷面水深較深，流速較快，出殘渣態以外，其余形態的重金屬Cu難以在該斷面產生富集的現象，因此，JS04 斷面的重金屬Cu 的含量不高。在西寧河的三個斷面上，Cu 的賦存形態主要為鐵錳氧化態，可能是由于西寧河為金沙江支流，河寬較窄，水深不深，水流速度較低，水中存在濃度較高的有機物以及黏砂黏土，這些成分與重金屬Cu 發生了各種反應，導致大量的轉換出結合態的Cu。結合態的Cu 對PH 較為敏感，會在相應的環境條件下，轉化為活潑狀態，重新釋放并被水中動植物重新吸收，Cu 相對于其他重金屬，整體上存在一定生物危害[6]。

3）Pb 的4 種形態含量的關系為殘渣態（平均值5.343mg/kg）〉Fe-Mn 氧化物結合態（平均值3.808mg/kg）〉碳酸鹽結合態（平均值3.547 mg/kg）〉醋酸可提取態（平均值1.929 mg/kg）。Pb 的主要形態以殘渣態為主，平均占比為40.08%，其次是Fe-Mn 氧化物結合態，平均值占比為21.40%，但是在ZD02 斷面，XN01斷面，XN02斷面，XN03斷面。Fe-Mn 氧化物結合態的含量均超過了殘渣態，與銅的情況類似，占比分別為69.20%、61.38%、50.11%、44.69%。由于中都河以及西寧河均屬于金沙江支流，河寬相對較窄，受到人類開發的程度較大，水體中有較多含量的沙粒與有機物，影響了中都河以及西寧河重金屬形態的分布。總的來說，向家壩庫區重金屬Pb 的主要形態為殘渣態，形態穩定，不易釋放以及被植物吸收，具有較小的生物有效性，但不排除個別支流斷面，存在潛在的生物有效性[7]。

4）從空間分布上來看，整個庫區13 個斷面中的Ni 形態分布較為相似，可氧化態占比最高，比例在21.62%～54.43%。Ni 常在有機反應中作催化劑，能與多種有機物發生螯合反應，這種性質可能是導致Ni形態分布的主要因素。說明庫區沉積物中，有機物和部分黏粒對部分重金屬Ni 有一定的吸附作用。也說明了向家壩庫區各整體存在一定的有機污染物，可能是動植物排泄物及其代謝殘體所導致的，一般而言此部分重金屬一般來說較為穩定，不易釋放，有著較小的生物有效性[8]。

5）Zn 和Cr 的主要形態為殘渣態占比分別為58.48%和75.87%，這種形態的重金屬大部分被束縛在硅酸鹽礦物晶格中，這些重金屬有著較弱的生物有效性和生物毒性，對環境污染的影響較小[9]。

3 結論

1）重金屬Cd 的醋酸可提取態占有很大的比例，在中性條件下容易釋放出來，所以向家壩庫區沉積物重金屬Cd 具有較強的生物有效性，容易對環境造成影響。

2）其余重金屬均以殘渣態及鐵錳氧化態為主，對于鐵錳氧化態而言，當水中微生物水平正常時，有機物不會被大量分解，該形態較為穩定。而殘渣態賦存在礦物晶格中，具有極高的穩定性，一般不具備生物有效性。因此，除Cd 外的其他重金屬的主要形態較為穩定均，有著較小的生物有效性，對環境有著較小的污染威脅。