湖南三十六灣甘溪河重金屬污染特征及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估

郭婧琳，邱 波，劉耀馳，楊兆光

(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院環(huán)境與水資源研究中心，湖南長沙 410083)

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湖南三十六灣甘溪河重金屬污染特征及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估

郭婧琳，邱 波，劉耀馳*，楊兆光*

(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院環(huán)境與水資源研究中心，湖南長沙 410083)

摘要[目的]調(diào)查分析湖南三十六灣地區(qū)主要河流甘溪河水體及沉積物中重金屬污染情況，旨在為治理礦區(qū)河流重金屬污染提供依據(jù)。[方法]以湖南典型有色金屬采選工業(yè)區(qū)三十六灣為研究對象，選取了甘溪河流域的8個(gè)典型斷面收集水樣及底泥沉積物樣品，采用ICP-OES測定甘溪河水體及周圍沉積物中重金屬含量，并采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬污染進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估。[結(jié)果]三十六灣地區(qū)甘溪河重金屬污染程度由強(qiáng)至弱依次為Zn、As、Pb、Cu、Cr(Cd)；底泥沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由強(qiáng)到弱依次為Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr；各采樣點(diǎn)斷面重金屬污染程度從大到小依次為甘溪村、三合鄉(xiāng)、楊家田、芹菜村、沙子嶺、新橋頭、兩江口、李家坪。[結(jié)論]三十六灣甘溪河重金屬污染嚴(yán)重，急需采取綜合措施進(jìn)行治理。

關(guān)鍵詞重金屬污染；甘溪河；潛在生態(tài)危害指數(shù)法；風(fēng)險(xiǎn)評估

近年來，有色金屬采選工業(yè)的發(fā)展為我國國民經(jīng)濟(jì)做出了巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)，大量技術(shù)起點(diǎn)低、設(shè)備落后的小型采選企業(yè)的發(fā)展對有色金屬采選區(qū)的環(huán)境造成了極大影響，其中重金屬污染對環(huán)境及人體健康的危害最為深遠(yuǎn)[1-4]。

湖南素有“有色金屬王國”之稱，采選礦及冶煉帶來的環(huán)境污染特別是湘江流域重金屬污染問題不容忽視，因此重金屬污染與防治刻不容緩[5-7]。目前，關(guān)于湘江流域重金屬污染的研究較多[8-10]，大部分集中在長株潭區(qū)域，對湘江源頭的重金屬污染鮮見報(bào)道。甘溪河是湘江水系源頭之一，位于郴州三十六灣地區(qū)。三十六灣是湖南有色金屬企業(yè)最密集、秩序最混亂、污染最嚴(yán)重、治理難度最大的“重災(zāi)區(qū)”。目前，甘溪河流域堆積了上百萬噸的尾礦尾砂，選礦廢水直排入河水，導(dǎo)致河道堵塞，流域內(nèi)重金屬污染嚴(yán)重，對當(dāng)?shù)丶跋掠螀^(qū)域帶來了極大的污染風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。筆者通過收集和分析甘溪河各斷面水體及沉積物中重金屬含量，進(jìn)行了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估，以期為了解和掌握甘溪河污染狀況及防控重金屬污染提供科學(xué)依據(jù)與參考。

1材料與方法

1.1樣品采集采樣點(diǎn)分布于甘溪河上游沙子嶺至下游新橋頭，全長約30 km，共設(shè)置8個(gè)斷面，并對采樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，分別為沙子嶺(S1)、甘溪村(S2)、三合鄉(xiāng)(S3)、李家坪(S4)、芹菜村(S5)、兩江口(S6)、楊家田(S7)及新橋頭(S8)，同時(shí)收集測定了兩江口附近另一支流水樣，標(biāo)記為S9。采樣點(diǎn)位置均通過便攜式GPS導(dǎo)航儀記錄(圖1)。加HNO3將水樣酸化至pH小于2，保存于聚乙烯塑料瓶中，于4 ℃保存，存放時(shí)間不超過7 d。對于每個(gè)斷面底泥沉積物的采集量需大于500 g，存放于密封袋中。

圖1　采樣點(diǎn)位置Fig.1　Location of sampling sites

1.2樣品分析及測定樣品的分析測定參照以下標(biāo)準(zhǔn)：USEPA-Method 3005a“Acid Digestion of Waters for Total Recoverable or Dissolved Metals for Analysis by FLAA or ICP Spectroscopy”、 中國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿“水質(zhì)金屬總量消解方法硝酸消解”(中國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿)。采用濃HNO3-HCl酸化消解處理水樣，通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP-OES(Perkin-Optima 8000，USA)對Pb、Zn、Cu、As、Cd、Cr進(jìn)行測定。

底泥沉積物重金屬的測定：樣品于自然條件下風(fēng)干，通過四分法縮分抽樣，再經(jīng)瑪瑙研缽研磨處理，樣品過100目篩，采用濃HNO3-H2O2消解法處理，通過ICP-OES對Pb、Zn、Cu、As、Cd、Cr進(jìn)行測定。

1.3環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估底泥沉積物是水環(huán)境中重金屬的貯藏庫，底泥中重金屬濃度可反映水體污染程度，因此常被用作判別水環(huán)境質(zhì)量的重要參考指標(biāo)[8，13]。國內(nèi)外用于沉積物重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估的方法主要有潛在生態(tài)危害指數(shù)法[14]、地累積指數(shù)法[15]、回歸過量分析法[16]、沉積物富集系數(shù)法[17]和沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法[18]等。

潛在生態(tài)危害指數(shù)(Potential Ecological Risk Index)法[14]由Hakanson提出，該法綜合考慮沉積物中重金屬濃度、種類、毒性水平影響，能反映多種重金屬污染綜合影響，定量計(jì)算潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度[11]。甘溪河屬于多種重金屬復(fù)合污染，故選擇潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價(jià)甘溪河沉積物中重金屬污染現(xiàn)狀。

(1)

(2)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度PotentialecologicalriskdegreeRIEir輕度LightRI<150Eir<40中度Moderate150≤RI<30040≤Eir≤80中強(qiáng)度Moderateintensity300≤RI<60080≤Eir≤160強(qiáng)度IntensityRI>600160≤Eir≤320極強(qiáng)度ExtremeintensityEir≥320

2結(jié)果與分析

2.1水體中重金屬分布特征由表2可知，各采樣點(diǎn)重金屬Pb、Zn、Cu、As的濃度分別為0.007～0.129、0.096～7.608、0.025～0.045、0.005～0.622 mg/kg。其中，Pb、Zn、As變化范圍大，Cu的含量相對穩(wěn)定。甘溪河水體中重金屬含量與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)比較，Zn在4個(gè)斷面超出國家地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，其中沙子嶺超標(biāo)3.5倍，Pb在3個(gè)斷面超出國家地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。甘溪河水體中各種重金屬的污染程度由強(qiáng)至弱依次為Zn、As、Pb、Cu、Cr(Cd)，水體中Pb、Zn、As污染突出。三十六灣地區(qū)主要以鉛鋅礦采選為主，由于選礦廢水未經(jīng)合適處理，導(dǎo)致水體中Pb、Zn嚴(yán)重超標(biāo)。從地域分布來看，從甘溪河上游到下游，污染物分布差異較大，且無明顯規(guī)律。甘溪河源頭沙子嶺和甘溪村的水質(zhì)遠(yuǎn)超V類水標(biāo)準(zhǔn)，屬于劣V類；三河鄉(xiāng)與李家坪水質(zhì)為V類水；到中游芹菜村與兩江口電站水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，有II和III類水標(biāo)準(zhǔn)；下游水質(zhì)又逐漸轉(zhuǎn)惡，均為IV和V類水(表3)。

表2　甘溪河各采樣點(diǎn)水體中重金屬含量分布

注：ND表示“未檢出”，TN表示“重金屬總量”。

Note：ND stands for not detected, TN stands for total amount of heavy metals.

表3　地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

注：ND表示“未檢出”，TN表示“重金屬總量”，AVG表示平均含量。

Note：ND stands for not detected, TN stands for total amount of heavy metals; AVG stands for average content.

2.2底泥沉積物中重金屬分布特征從圖2可以看出，Pb、Zn、As、Cu、Cd、Cr的濃度分布范圍分別為707.70～1 825.00、1 728.00～4 341.00、2 660.00～7 933.00、123.60～363.10、10.63～30.79、45.93～155.07 mg/kg。對照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)，甘溪河各斷面底泥沉積物重金屬含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出III級標(biāo)準(zhǔn)，重金屬污染極為嚴(yán)重。Pb、Zn、As、Cu、Cd、Cr在甘溪村斷面含量達(dá)最大值，各重金屬平均含量由大到小依次為As、Zn、Pb、Cu、Cr、Cd；各斷面重金屬總含量由大到小依次為S2、S3、S7、S5、S1、S8、S6、S4。

圖2　甘溪河不同采樣點(diǎn)表層沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較Fig.2　Comparison of heavy metals concentrations in surface sediments of different sampling sites

3結(jié)論

(1) 三十六灣地區(qū)甘溪河流域水體中重金屬污染嚴(yán)重，與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較，上游、中游為劣V及V類水標(biāo)準(zhǔn)，下游為IV類水標(biāo)準(zhǔn)，水體中污染最為嚴(yán)重的是Zn、Pb、As，Cu含量空間差異小，達(dá)II類水標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 郴州三十六灣甘溪河表層沉積物中Cd、As具有極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Pb具有強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cu、Zn、Cr具有輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，不同重金屬污染物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從大到小依次為Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr，其中Cd、As的影響占主導(dǎo)地位；不同采樣點(diǎn)沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從大到小為甘溪村、三合鄉(xiāng)、新橋頭(芹菜村)、兩江口、楊家田、沙子嶺、李家坪，各采樣點(diǎn)RI值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過600.00，研究區(qū)域總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極強(qiáng)，因此區(qū)域內(nèi)的重金屬污染及治理應(yīng)引起高度重視。

表4　甘溪河各斷面底泥沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果

(3) 受三十六灣地區(qū)長期采選礦的影響，甘溪河重金屬污染非常嚴(yán)重，對甘溪河的污染治理應(yīng)給予高度重視，首先從源頭排放加以控制，提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)與清潔生產(chǎn)水平，同時(shí)加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，采取綜合手段有效治理。

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The Heavy Metals Pollution Characteristics and Environment Risk Assessment of Ganxi River, Sanshiliuwan, Hunan Province

GUO Jing-lin, QIU Bo, LIU Yao-chi*,YANG Zhao-guang*

(Center for Environment and Water Resources, School of Chemistry & Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410083)

Abstract[Objective] The aim was to investigate heavy metal pollution in water and sediments of Ganxi River in Sanshiliuwan Region in Hunan Province, and provide basic reference for heavy metal pollution control in mining area river. [Method] With Sanshiliuwan in Hunan Province as research object, water and sediment samples were collected from 8 typical sections in Ganxi River basin, ICP-OES was adopted to determine heavy metal content, and potential ecological risk index method was adopted to conduct environment risk assessment. [Result] The order of heavy metal pollution degree in Ganxi River was Zn>As>Pb>Cu>Cr(=Cd); the order of heavy metal ecological risk in sediments was Cd>As>Pb>Cu>Zn>Cr; the order of heavy metal pollution degree in each sampling site section was Ganxi Village>Sange Township>Yangjiatian>Qinjia Village>Shaziling>Xinqiaotou>Liangjiakou>Lijiaping. [Conclusion] Heavy metal pollution in Ganxi River in Sanshiliuwan is serious, comprehensive countermeasures should be adopted.

Key wordsHeavy metals pollution; Ganxi River; Potential ecological risk index; Risk assessment

基金項(xiàng)目環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201309052)。

作者簡介郭婧琳(1991- )，女，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境與水資源評價(jià)。*共同通訊作者：劉耀馳，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境與水資源研究；楊兆光，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事環(huán)境與水資源研究。

收稿日期2016-02-25

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號0517-6611(2016)10-085-04