竺山湖及太湖西沿岸北段的重金屬分布特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

任小龍，朱 玲，姚 華，王 苓

(江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇無錫 214031)

湖泊底泥沉積物是重金屬、營養(yǎng)鹽等污染物質(zhì)的蓄積地。來自河流輸入、大氣沉降等的污染物質(zhì)與懸浮顆粒物結(jié)合進(jìn)入湖泊中，通過沉降作用，蓄積于湖泊沉積物的表層。沉積物中的重金屬在物理和化學(xué)的作用下與沉積物中的有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物、硫化物等物質(zhì)結(jié)合，以不同的形態(tài)儲存于沉積物中[1-2]。這些重金屬并非永久地存在于沉積物中，在外界環(huán)境條件的影響下(如pH、氧化還原電位等)它們又被釋放到間隙水中，在擴(kuò)散作用下最終釋放到湖泊水體中，對湖泊水質(zhì)造成影響，引起“二次污染”[3-4]。湖泊底泥是許多生物的棲息地，水生生物通過直接攝取顆粒懸浮物而將重金屬蓄積于體內(nèi)，部分生物被人類食用而將重金屬儲存于人的體內(nèi)。因此，了解底泥沉積物中重金屬的污染狀態(tài)是非常必要的。

竺山湖是太湖西北部的半封閉型湖灣，北起百瀆口，南至馬山咀一線，面積57.2km2，主要入湖河道為雅浦港、太滆運(yùn)河、殷村港。受入湖河道污水匯入影響，竺山湖常年水質(zhì)為劣V類，是太湖水質(zhì)污染最嚴(yán)重的湖區(qū)，其底泥污染嚴(yán)重。太湖西沿岸北段北起師瀆港，南至烏溪港，湖區(qū)面積29.3km2，主要入湖河道包括師瀆港、茭瀆港、官瀆港、城東港、大浦港、林莊港等，受上游來水水質(zhì)影響，其水體污染嚴(yán)重(水質(zhì)為劣V類)，底泥也存在嚴(yán)重的污染風(fēng)險(xiǎn)。以往雖然也有學(xué)者對上述區(qū)域進(jìn)行了相關(guān)研究，然而研究只是基于少數(shù)點(diǎn)位，對沉積物中污染物的了解不夠全面。本研究通過對竺山湖及太湖西沿岸區(qū)進(jìn)行底泥采樣分析，弄清竺山湖及太湖西沿岸重金屬的分布特征，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，并提出重金屬污染治理策略，以期為太湖污染治理提供依據(jù)。

1 重金屬分布特征

1.1 采樣點(diǎn)分布

采用全球定位系統(tǒng)(GPS)確定采樣點(diǎn)位置。本次調(diào)查采樣點(diǎn)為77個(gè)，實(shí)際底泥采樣分析點(diǎn)為15個(gè)，采樣點(diǎn)主要分布在竺山湖和太湖西沿岸入湖河口區(qū)域(太湖污染治理的重要區(qū)域)，見圖1。采樣時(shí)間為2008年10月，目的是分析竺山湖和太湖西沿岸北段 As、Hg、Cr、Cd、Pb、Cu 6 種重金屬的分布特征。

1.2 樣品分析方法

圖1 竺山湖及太湖西沿岸北段采樣點(diǎn)分布

根據(jù)現(xiàn)場采集到的泥樣長度(≤底泥深度)，按0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm的間距對底泥進(jìn)行分層。去除泥樣中的石塊、殘草等雜質(zhì)，并按四分法進(jìn)行代表性取樣。樣品裝入聚乙烯保鮮袋中，標(biāo)注編號，密封保存，并即刻運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行底泥的物理、化學(xué)參數(shù)分析。對Cr、Cd、Pb、Cu 的測定，先采用 HNO3-HF-HCLO4法進(jìn)行消解，然后用原子吸收分光光度計(jì)測定其在泥樣中的質(zhì)量比。對Hg和As的測定，先分別采用H2SO4-HNO3-K2CrO7法和H2SO4-HNO3進(jìn)行消解，然后采用原子熒光法測定其在泥樣中的質(zhì)量比。

1.3 沉積物中重金屬質(zhì)量比范圍

表1[5]為竺山湖及太湖西沿岸北段表層沉積物中主要重金屬質(zhì)量比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。和太湖其他區(qū)域相比，該區(qū)域沉積物中重金屬的質(zhì)量比偏高，這主要由于該區(qū)域長期受到來自沿岸的污水污染。將測定的重金屬質(zhì)量比平均值與太湖流域重金屬質(zhì)量比背景值相比發(fā)現(xiàn)，Cd、As、Cr、Hg、Pb 以及 Cu 的質(zhì)量比平均值分別為背景值的4.6倍、1.1倍、1.0倍、0.7倍、2.2倍和1.8倍，其中Cd的質(zhì)量比平均值超過背景值的倍數(shù)最多?？梢?，竺山湖及太湖西沿岸北段區(qū)域重金屬污染嚴(yán)重，需要加以關(guān)注。

表1 竺山湖及西沿岸北段表層沉積物中主要重金屬質(zhì)量比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mg/kg

1.4 沉積物中重金屬的垂直分布

竺山湖及太湖西沿岸北段水域底泥沉積物中Cu、Pb、Cr、Cd、Hg、As 6 種重金屬的垂直分布各不相同。重金屬的高質(zhì)量比值有的處于底泥表層或近表層，有的處于深層。在表層底泥中，底泥多為最近沉降下來的，重金屬與顆粒物結(jié)合，使底泥對生物體構(gòu)成生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。重金屬較多處于深層沉積物中，可能是因?yàn)檫@些區(qū)域的底泥中重金屬富集時(shí)間較長。沉積物中重金屬的富集大致發(fā)生在20世紀(jì)80年代，在適當(dāng)?shù)臈l件下重金屬會向下遷移，使得表層沉積物中的重金屬質(zhì)量比低于歷史沉積層深層中的重金屬質(zhì)量比。表2為竺山湖及太湖西沿岸北段水域不同采樣點(diǎn)不同層次(0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm)底泥沉積物中的 Cr、As 、Cu、Hg、Pb、Cd 6 種重金屬的垂直分布情況。

表2 不同采樣點(diǎn)不同層次底泥沉積物中Cr、As、Cu、Hg、Pb、Cd的垂直分布 mg/kg

從表2可以看出，Cr在沉積物中的質(zhì)量比較高，分布規(guī)律不明顯，但其質(zhì)量比極值出現(xiàn)在沉積物50cm深度以上;底泥中As的質(zhì)量比在表層較高，逐漸向底層降低，50 cm以上深度的底泥沉積物中As的質(zhì)量比較高，50 cm以下較低且基本趨于穩(wěn)定;Cu在沉積物中的分布無明顯規(guī)律，但各個(gè)采樣點(diǎn)的質(zhì)量比極值基本出現(xiàn)在表層底泥50 cm以上，且在底泥表層與底層中的質(zhì)量比差別不大，所測點(diǎn)底泥沉積物中Cu的質(zhì)量比都較低，只是在個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)質(zhì)量比高的現(xiàn)象，這與個(gè)別區(qū)域的特型污染輸入有關(guān);Hg的質(zhì)量比有自底泥表層向底層逐漸降低的趨勢，最大值幾乎都集中到表層10 cm左右的底泥中，在50 cm以下的底泥沉積物中Hg的質(zhì)量比逐漸趨于穩(wěn)定，且明顯低于表層;Pb的質(zhì)量比在垂直層面沉積物中的差異較小，最大值基本出現(xiàn)在50 cm以上的底泥沉積物中，隨著沉積物深度的增加，Pb的質(zhì)量比逐漸趨于穩(wěn)定甚至減小;在所測點(diǎn)中，只有8個(gè)點(diǎn)測出了Cd，其中，大浦口區(qū)域(01號采樣點(diǎn))底泥沉積物中Cd的質(zhì)量比極高，這與有關(guān)部門的研究結(jié)論相同，原因可能是大浦口的電鍍以及印染等廢水的輸入。

2 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.1 評價(jià)方法

瑞典科學(xué)家Hakanson[6]于1980年提出了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法來進(jìn)行重金屬生態(tài)危害評價(jià)。該方法是目前學(xué)者較多采用的重金屬生態(tài)危害評價(jià)方法[7-10]。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是基于元素豐度和釋放能力的原則，假設(shè)了如下前提條件:①元素豐度響應(yīng)，即潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，隨沉積物中重金屬污染程度的加重而增加;②多污染物協(xié)同效應(yīng)，即沉積物的金屬生態(tài)危害具有加和性，多種金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更大，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Hg 是需要優(yōu)先考慮的重金屬;③各重金屬元素的毒性響應(yīng)不同，生物毒性強(qiáng)的重金屬對潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)具有較高的權(quán)重。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可以反映4方面的情況:①表層沉積物中重金屬的質(zhì)量比;②重金屬污染物的種類數(shù);③重金屬的毒性水平;④水體對重金屬污染的敏感性。在這些前提條件下產(chǎn)生如下生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo):單一金屬污染系數(shù)，不同金屬生物毒性響應(yīng)系數(shù)，單一金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，多金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI，其關(guān)系用以下公式表達(dá):

Hakanson[6]根據(jù)大量數(shù)據(jù)，提出了重金屬的生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和生態(tài)危害程度分級標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3 Eir和RI的閾值區(qū)間和生態(tài)危害程度分級

2.2 評價(jià)結(jié)果與分析

經(jīng)計(jì)算，竺山湖和太湖西沿岸北段6種金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見表4。

表4 竺山湖和太湖西沿岸北段重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

使用surfer軟件的克里金(Kriging)插值法生成竺山湖及太湖西沿岸北段0～10cm和10～20cm底泥的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布圖(圖2～3)。由圖2～3可見，重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于170～180的區(qū)域占到95%以上，也就是說95%的區(qū)域?yàn)檩p微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài);生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大區(qū)域主要在大浦口附近，其最高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)到400以上，表明該區(qū)域已處于重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，對人類和生物種群已產(chǎn)生明顯危害。

圖2 竺山湖及太湖西沿岸北段0～10 cm底泥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI

圖3 竺山湖及太湖西沿岸北段10～20 cm底泥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI

3 結(jié)論與建議

a.竺山湖及太湖西沿岸區(qū)域表層沉積物中Cd、As、Cr、Hg、Pb 以及 Cu 的質(zhì)量比平均值分別為 1.23 mg/kg、10.28mg/kg、82.98mg/kg、0.074 mg/kg、35.27 mg/kg和33.9 mg/kg，分別是各自背景值的4.6倍、1.1倍、1.0倍、0.7倍、2.2倍和1.8倍。

b.竺山湖及太湖西沿岸區(qū)域沉積物中的重金屬的質(zhì)量比均表現(xiàn)為隨著沉積物深度的增加而逐漸降低的趨勢，且在沉積物50cm深處出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。

c.竺山湖及太湖西沿岸區(qū)域0～10 cm和10～20 cm底泥沉積物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值分別為120和114，大浦口局部區(qū)域的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對較大，Cd對生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)最大。d.建議對竺山湖以及太湖西沿岸區(qū)大浦口區(qū)域Cd的污染進(jìn)行必要的疏?？刂?，疏浚深度在底泥50 cm深處，以有效去除該區(qū)域的Cd污染。

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