銅陵相思河重金屬污染的潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

徐曉春, 牛杏杏, 王美琴, 謝巧勤, 黃界穎, 陳莉薇

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

銅陵相思河重金屬污染的潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

徐曉春, 牛杏杏, 王美琴, 謝巧勤, 黃界穎, 陳莉薇

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

鳳凰山銅礦和新橋硫鐵礦的采礦活動(dòng)對(duì)銅陵市相思河水質(zhì)造成較為嚴(yán)重的重金屬污染,文章根據(jù)重金屬環(huán)境化學(xué)行為特點(diǎn),應(yīng)用沉積學(xué)原理,對(duì)相思河的重金屬污染情況進(jìn)行了調(diào)查和研究,從相思河上游到下游共取沉積物樣7個(gè),采用潛在危害指數(shù)法對(duì)沉積物中重金屬進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,相思河中下游受到的重金屬污染明顯比上游嚴(yán)重,危害指數(shù)從大至小的排列順序?yàn)镾7＞S6＞S4＞S5＞S3＞S1＞S2;相思河重金屬生態(tài)危害由大到小的順序?yàn)镃d＞Cu＞As＞Pb＞Zn＞Cr,Cu和Cd的富集系數(shù)和生態(tài)危害高;受污染的河水通過(guò)地表徑流、食物鏈等各種途徑會(huì)對(duì)附近居民的身體健康構(gòu)成威脅。

重金屬污染;生態(tài)危害評(píng)價(jià);沉積物;相思河;銅陵

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,河流污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。銅陵市相思河由于受上游鳳凰山銅礦和中游新橋硫鐵礦的采礦影響,水質(zhì)嚴(yán)重惡化,水體中重金屬污染加劇,造成自然界水體自?xún)糇饔玫南陆?加重了水體污染[1,2]。近年來(lái)的研究表明,通過(guò)各種途徑進(jìn)入水體的重金屬,不易溶解,而是結(jié)合到懸浮物和沉淀物中,當(dāng)其負(fù)荷量超過(guò)水體搬運(yùn)能力時(shí),絕大部分將迅速轉(zhuǎn)入沉積物或懸浮物中[3,4]。

由于沉積物反映水系狀況,沉積物是水環(huán)境重金屬污染的指示劑,因此本文以沉積物為研究對(duì)象,分析了相思河重金屬污染變化趨勢(shì),檢測(cè)了沉積物中重金屬的含量,采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)其污染程度,以期為制定環(huán)境管理政策、實(shí)施污染綜合防治措施提供理論依據(jù)。

1 樣品采集與測(cè)試

1.1 樣品的采集

本次工作從相思河的上游到下游共取沉積物樣 7 個(gè),依次編序號(hào)為 S1、S2、S3 、S4、S5、S6 、S7。其中 S1、S2、S3是取自相思河上游 ,S4、S5、S6是取自相思河中游,S7是取自下游。樣品用采樣筒采取,以達(dá)到河底為準(zhǔn),一般樣長(zhǎng)10～20 cm。樣品特征及采樣地點(diǎn)見(jiàn)表1所列和圖1所示[5]。

表1 沉積物樣品特征及采集地點(diǎn)

圖1 相思河沉積物樣采樣點(diǎn)示意圖

采集的樣品用雙層的聚乙烯塑料袋盛裝帶回,先在自然條件下風(fēng)干,并除去其中的小石塊、植物根系、廢紙等雜質(zhì),然后將樣品裝入干凈的布袋,放入40℃的恒溫箱烘干,因?yàn)?0℃的條件下不會(huì)使砷元素?fù)]發(fā)。幾天后取出,用錘子、研缽等將其磨碎,再拿200目的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分,然后用樣袋保存待用。

1.2 沉積物樣的測(cè)試方法與結(jié)果

取處理過(guò)的沉積物樣品,用10 m L王水溶解。As元素測(cè)定用原子熒光分析儀(北京海光公司,型號(hào)為 AFS-230E),精度 RSD＜2%;Cu、Pb、Zn、Cr元素采用全自動(dòng)掃描X射線(xiàn)熒光光譜儀(日本理學(xué)公司,型號(hào)為ZSX100C),精度RSD＜0.01%;Cd元素采用石墨爐型原子吸收光譜儀(德國(guó)耶那公司,型號(hào)為 AASZEEnit60),分辨率＜0.2 nm,精度RSD＜1%。樣品在安徽省地質(zhì)測(cè)試中心檢測(cè) C r、Cu、Zn、Pb 、Cd、As 6 種元素,結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 重金屬元素的測(cè)試結(jié)果 mg/kg

2 沉積物中重金屬污染評(píng)價(jià)

對(duì)河流沉積物中重金屬污染的評(píng)價(jià),有多種方法,如德國(guó)的地積累指數(shù)法(Index of Geoaccum u lation)[6]、英國(guó)的污染負(fù)荷指數(shù)法(The Pollution Load Index)[7]和回歸過(guò)量分析法(Regression Excessive Analyse)[8]、瑞典的潛在生態(tài)危害指數(shù)法(The Potential Ecological Risk Index)[9]等。文獻(xiàn)[10]將三角模糊數(shù)理論引入沉積物污染評(píng)價(jià),對(duì)巢湖烔煬河口沉積物重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行定量評(píng)價(jià),也取得了較好的效果。

本文采用潛在危害指數(shù)法[9]對(duì)相思河的重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。該指數(shù)法不僅反映了某一特定環(huán)境中的各種污染物的影響,也反映了多種污染物的綜合影響,并且用定量的方法劃分出潛在生態(tài)危害的程度。

2.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)

潛在生態(tài)危害指數(shù)是通過(guò)一種相對(duì)快速、簡(jiǎn)便和標(biāo)準(zhǔn)的方法,從一定數(shù)量的沉積物樣品的測(cè)定中得到的。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基于元素豐度和釋放能力的原則,假設(shè)了如下的前提條件:

(1)含量條件,是將表層沉積物中重金屬的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),與各自污染物的一系列自然背景值進(jìn)行比較。

(2)數(shù)量條件,是建立在選用一定量的樣品就可滿(mǎn)足實(shí)際需要這個(gè)觀(guān)點(diǎn)上的。

(3)毒性條件,是根據(jù)“豐度原則”區(qū)別各種污染物,由于金屬的沉積作用及對(duì)固體物質(zhì)的親和作用,其毒性和稀少性之間存在著一定的比例關(guān)系,即“沉積學(xué)毒性系數(shù)”。

(4)敏感條件,是表明不同的河、湖對(duì)不同的毒性物質(zhì)有著不同的敏感性。

2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)的計(jì)算

(1)單個(gè)重金屬污染系數(shù)(the Factor of Contamination),即富集系數(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)Cif,其計(jì)算公式為:

其中,Cif為某一重金屬的污染系數(shù);Ci表層為表層沉積物重金屬質(zhì)量比實(shí)測(cè)值;Cin為計(jì)算所需的參比值。

(2)各重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)(the Toxic Response Factor),簡(jiǎn)稱(chēng)Tir,此值用來(lái)反映重金屬的毒性水平及水體對(duì)重金屬污染的敏感程度。

(3)某單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(the Potential Ecological Risk Factor),簡(jiǎn)稱(chēng) Eir,其計(jì)算公式為:

(4)沉積物多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)(the Potential Ecological Risk Index),簡(jiǎn)稱(chēng) RI,其計(jì)算公式為:

2.3 各項(xiàng)參數(shù)的確定

表層沉積物重金屬質(zhì)量比的值,根據(jù)此次監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)值計(jì)算所需參比值,如以當(dāng)?shù)爻练e物的重金屬背景值為準(zhǔn)可以相對(duì)定性地反映出污染程度,而若以工業(yè)化以前全球沉積物重金屬的最高背景值為準(zhǔn),能更確切地反映水系的實(shí)際污染程度。但前人未做過(guò)銅陵地區(qū)沉積物重金屬背景值調(diào)查,為了更準(zhǔn)確地反映河流的實(shí)際污染程度,以工業(yè)化以前全球沉積物重金屬的平均值為參照值。

重金屬毒性系數(shù)表示2個(gè)方面的信息,即重金屬對(duì)人體的危害和對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的危害,其危害途徑是:水—沉積物—生物—魚(yú)—人體,可以從多種角度討論此問(wèn)題。本文主要根據(jù)潛在危害指數(shù)法的要求選用毒性系數(shù)Tir,設(shè)定6種重金屬生物毒性響應(yīng)因子(Tir)的數(shù)值順序[11]為:

重金屬的參照值和毒性系數(shù)見(jiàn)表3所列[12]。

表3 重金屬的參照值和毒性系數(shù)

單元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子指標(biāo)Eir和綜合污染指數(shù)RI的等級(jí)劃分,見(jiàn)表4所列[12]。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)與分級(jí)關(guān)系

2.4 結(jié)果與討論

按照潛在危害指數(shù)法的單個(gè)重金屬污染系數(shù)的計(jì)算公式,計(jì)算出各個(gè)沉積物重金屬的富集系數(shù)結(jié)果,如圖2所示。

圖2 重金屬元素富集系數(shù)變化

從重金屬的富集系數(shù)來(lái)看,相思河中下游的各重金屬的富集系數(shù)均明顯高于上游,其中以Cu和Cd的污染尤為嚴(yán)重,Cd的富集系數(shù)高,可能是因?yàn)槌练e物對(duì)Cd有很強(qiáng)的吸附能力;其次是Zn和Pb,而A s和Cr的污染最小,污染源可能為上游鳳凰山銅礦和中游新橋硫鐵礦。

已有研究表明,懸浮物和沉積物中Cd的含量占水體總Cd量的90%以上,該水體對(duì)農(nóng)作物的灌溉危害很大,通過(guò)食物鏈的作用可對(duì)人類(lèi)造成嚴(yán)重的威脅[3]。眾所周知,日本的痛痛病就是由于長(zhǎng)期食用含鎘量高的稻米所引起的。

以現(xiàn)代工業(yè)化以前沉積物中重金屬平均值為參照值,計(jì)算潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù),結(jié)果見(jiàn)表5所列。從單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià),相思河沉積物中Cu和Cd均具有很強(qiáng)和極強(qiáng)的生態(tài)危害,中下游的生態(tài)危害明顯高于上游,但S2的各元素的Eir均略小于S1,只有 Pb、Cd例外,可能因?yàn)镾1靠近污染源。從S1到S7各元素的Eir基本呈上升趨勢(shì),表明污染物質(zhì)隨水流遷移向下游富集,S6中Cd的Eir高達(dá) 2 934.00,Cu的Eir高達(dá) 294.70,生態(tài)危害指數(shù) RI為 3 292.50,是S2的RI的近16.90倍;S7中Cd的Eir高達(dá)4 773.00,Cu的Eir高達(dá)363.65,生態(tài)危害指數(shù) RI也高達(dá)5 247.26,是S2的RI的近26.94倍。由此可看出,相思河中下游污染非常嚴(yán)重,尤其是Cd和Cu的污染值需要引起有關(guān)部門(mén)的注意,應(yīng)盡快采取措施,減輕對(duì)下游居民生產(chǎn)和生活的影響。

表5 各沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)

樣品S3、S4、S5的 RI均大于 300,根據(jù)表4中危害指數(shù)與污染程度的關(guān)系,屬于強(qiáng)的生態(tài)危害;樣品S6、S7的 RI均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 600,屬于很強(qiáng)的生態(tài)危害。潛在生態(tài)危害指數(shù)從大至小的排列順序?yàn)镾7＞S6＞S4＞S5＞S3＞S1＞S2。因此,該河流的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI屬于強(qiáng)的生態(tài)危害。在相思河的上游,雖然Cu的Eir均稍大于Cd的Eir,但是在中游Cd的Eir卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cu的Eir,使得Cd的平均Eir遠(yuǎn)大于Cu的平均的Eir,這與Cd的富集系數(shù)大是有密切關(guān)系的。河流中各個(gè)重金屬污染物的順序如下:Cd＞Cu＞As＞Pb＞Zn＞Cr。

文獻(xiàn)[13]參考了工業(yè)化以前全球沉積物重金屬的最高背景值,并結(jié)合銅陵有色多金屬礦區(qū)的實(shí)際,對(duì)部分元素評(píng)價(jià)參比值進(jìn)行了修正,所取背景值中重金屬元素的參照值是工業(yè)化以前全球沉積物重金屬平均值的1～3倍。本文若取該背景值來(lái)進(jìn)行計(jì)算,所得結(jié)果是相思河仍受到污染,只是污染的程度有所減小。

3 結(jié)論與建議

(1)相思河中Cd、Cu的富集系數(shù)很大,且中下游受到的重金屬污染明顯高于上游,推斷中下游重金屬元素含量上升的可能原因主要有:新橋硫鐵礦的采礦過(guò)程中重金屬元素通過(guò)地表徑流、大氣揚(yáng)塵沉降進(jìn)入相思河水體;由于新橋硫鐵礦產(chǎn)生的酸性礦山排水,大量的重金屬元素溶解在酸性廢水中,然后通過(guò)雨水、滲濾等途徑進(jìn)入河流[14]。

(2)相思河中Cd、Cu、As、Pb均造成強(qiáng)的或很強(qiáng)的生態(tài)危害,以Cd、Cu尤為嚴(yán)重,其直接原因顯然為上游鳳凰山銅礦和中游新橋硫鐵礦的采礦影響。采礦活動(dòng)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不能以環(huán)境的巨大破壞為代價(jià),需要引起有關(guān)采礦部門(mén)和礦業(yè)管理部門(mén)的注意,發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)應(yīng)注意保護(hù)環(huán)境,盡量減小對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響,必須嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度、“三同時(shí)”制度以及排污收費(fèi)制度。

(3)相思河中重金屬所造成的生態(tài)危害很?chē)?yán)重,重金屬?gòu)某练e物中重新釋放會(huì)成為二次污染問(wèn)題,作為灌溉水源,其必然對(duì)農(nóng)作物造成影響,導(dǎo)致重金屬在農(nóng)作物中積累,進(jìn)而危害人體健康;當(dāng)重金屬通過(guò)滲濾作用進(jìn)入地下水體,又會(huì)對(duì)周邊居民帶來(lái)安全隱患。受重金屬?lài)?yán)重污染的相思河河水對(duì)受其灌溉的農(nóng)作物的污染程度、重金屬在作物中的積累程度以及對(duì)人體健康的危害程度有待調(diào)查和研究。

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Heavymetal pollution in XiangsiRiver of Tongling City and assessment of its potentialecological risk

XU Xiao-chun, NIU Xing-xing, WANG Mei-qin,XIE Qiao-qin, HUANG Jie-ying, CHEN Li-wei

(School of Resources and Environmen tal Engineering,H efei University of Technology,Hefei230009,China)

Heavy metal pollution of XiangsiRiver in Tongling City is caused by Fenghuangshan copper mine and Xinqiao pyritem ine.Seven sediment samp leswere taken from upriver to dow nriver zones to investigate the heavy metal pollution of Xiangsi River based on sedim entological theory and behavior characteristics of environmental chemistry of heavy metals.The heavy metals in these sediment samples were assessed by the method of potential ecological risk index.The results show that the heavy metal po llution inm idd le river and dow nriver zones ismuch more serious than that in the up river zone.The order of pollution degree of the seven samp les is S7＞S6＞S4＞S5＞S3＞S1＞S2 and the order of ecological risk degree of the heavy metals in these sediments is Cd＞Cu＞A s＞Pb＞Zn＞Cr.Both the enrichment coefficient and ecological risk of Cd and Cu are very high.The polluted water of Xiangsi Riverm ay threaten the health of neighbouring peop le through surface flow ing and food chains.

heavymetal pollution;ecological risk assessment;sediment;Xiangsi River;Tong ling City

X820.3

A

1003-5060(2011)01-0128-05

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.030

2010-05-04;

2010-05-26

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(090415204)

徐曉春(1961-),男,安徽潛山人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

(責(zé)任編輯 張淑艷)