顧橋采煤沉陷積水區(qū)重金屬分布與遷移特征

歐金萍，鄭劉根*，陳永春，謝欣湉，朱文遠(yuǎn)，陳業(yè)禹

1. 安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院礦山環(huán)境修復(fù)與濕地生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601；2. 煤炭生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001

煤炭在中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中長期占據(jù)主導(dǎo)地位，煤炭資源的開發(fā)和利用導(dǎo)致地表沉陷、土地破壞、植被損毀、水體及土壤污染等一系列生態(tài)和環(huán)境問題。特別在中國東部高潛水位礦區(qū)，長期的地表沉陷形成了大面積的沉陷積水區(qū)，僅安徽兩淮煤田，煤炭開采導(dǎo)致的沉陷面積已達(dá)300 km2，預(yù)計(jì)10年后沉陷區(qū)面積將達(dá)到500 km2，其中積水區(qū)面積將占150～250 km2（孫鵬飛等，2014）。

重金屬是地表水體中重要的污染物之一，其在水體中具有難降解、易積累、毒性大的特性（Gao et al.，2012）。進(jìn)入水體的重金屬少部分以溶解態(tài)存在于水體中，大部分重金屬經(jīng)過物理沉淀、化學(xué)吸附等作用進(jìn)入沉積物中，當(dāng)水體中的pH、有機(jī)質(zhì)、氧化還原電位、溫度等條件發(fā)生變化時(shí)，重金屬在上覆水、間隙水和沉積物之間不斷進(jìn)行遷移交換，造成水環(huán)境的二次污染，危害水生生態(tài)系統(tǒng)（陳春霄等，2011；馮精蘭等，2011）。

近年來有許多學(xué)者對采煤沉陷區(qū)水域的重金屬進(jìn)行了研究，馬莉等（2017）以淮北朱仙莊礦塌陷湖為研究對象，分析了重金屬的含量分布及水體污染源解析；潘文明等（2017）對淮南市新集一礦采煤沉陷水域重金屬元素污染程度進(jìn)行了調(diào)查；劉慧力等（2016）分析了淮南劉崗塘采煤沉陷水體中沉積物重金屬元素的含量分布、富集程度和生態(tài)危害程度；盧嵐嵐等（2014）對顧橋礦土壤中重金屬的分布特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；徐良驥等（2008）評價(jià)了淮南礦區(qū)不同塌陷水域的水質(zhì)特征及重金屬污染效應(yīng)。這些研究主要集中于單一層面的水體或沉積物中重金屬污染特征，缺乏某一具體區(qū)域重金屬在上覆水-間隙水-沉積物之間分布和遷移規(guī)律的報(bào)道。本研究選取中國典型的高潛水位淮南顧橋采煤沉陷積水區(qū)作為研究對象，對顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水-間隙水-沉積物中重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Sb、Zn）含量分布與遷移特征進(jìn)行系統(tǒng)探討，旨在為高潛水位采煤沉陷積水區(qū)水體污染防治和開發(fā)利用提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

淮南礦區(qū)地處安徽省中部，淮河中游，被列為全國14個(gè)億噸煤炭生產(chǎn)基地、6個(gè)大型煤電生產(chǎn)基地之一。顧橋礦位于淮南礦區(qū)的中西部，毗鄰潘集、謝橋礦區(qū)，東距鳳臺(tái)縣城約20 km，交通便利。該礦資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，是亞洲井工開采規(guī)模最大的礦井。目前顧橋采煤沉陷積水區(qū)水域面積達(dá)到 10 km2，顧橋—丁集公路、煤矸石充填的大壩將積水區(qū)域分為 4個(gè)部分，沉陷水體的北側(cè)和東側(cè)分布著大面積農(nóng)田，西南側(cè)和東北側(cè)堆放著大量矸石山。目前該部分塌陷區(qū)水體主要被開發(fā)用于農(nóng)田灌溉、漁業(yè)養(yǎng)殖，該魚塘有投餌活動(dòng)，屬于飼料養(yǎng)殖。

圖1 顧橋采煤沉陷積水區(qū)采樣點(diǎn)圖Fig.1 The location of sampling sites in Guqiao coal mining subsidence water area

2 材料與方法

2.1 樣品采集與前處理

于2016年9月在淮南礦區(qū)顧橋采煤沉陷區(qū)水域進(jìn)行樣品采集，采用手持GPS定位記錄，根據(jù)研究區(qū)分布特點(diǎn)，共布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），采樣點(diǎn)編號分別為1～10，利用有機(jī)玻璃采水器采集水面以下0.5 m處的水樣作為上覆水水樣，經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后裝入干凈的聚乙烯瓶中（用 10%硝酸浸泡24 h，并用超純水清洗3遍），采集后的水樣現(xiàn)場用硝酸處理（酸化至pH＜2.0）。用抓斗采樣器采集表層0～10 cm沉積物約1 kg，保存在密封的聚乙烯袋中。將樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，取部分沉積物樣品置于離心管中，以4000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心20 min后得到沉積物間隙水樣，并將其用硝酸酸化（pH＜2.0）后與其他樣品一并保存于-5 ℃冰箱中備用。沉積物樣品自然風(fēng)干后剔除石塊及植物雜體等雜物，用瑪瑙研缽磨細(xì)過200目篩后儲(chǔ)存于玻璃瓶中備用。

2.2 樣品測試與分析

上覆水的 pH、溫度（t/℃）、氧化還原電位（Eh/mV）采用Global Water便攜式多功能水質(zhì)測量儀于現(xiàn)場測試。稱取沉積物樣品0.1 g加入聚四氟乙烯消解罐中，泥樣的前處理采用 HNO3-HCl-HF混合酸（體積比 3∶3∶2）電熱消解法，消解后的樣品定容至50 mL，過濾后待測。實(shí)驗(yàn)所用器皿均用10%HNO3浸泡48 h以上，實(shí)驗(yàn)所需試劑均為優(yōu)級純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 ICP-MS（7500ICP-MS，美國安捷倫公司）測定水體和沉積物樣品中Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Zn含量，采用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法（AFS-9800型，北京海光）測試 As、Sb含量。重金屬元素平行樣的相對誤差＜5%，標(biāo)樣的回收率在80%～120%之間，測試數(shù)據(jù)有效。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

2.3.1 重金屬污染指數(shù)法

水體沉積物作為水體重金屬的“源”和“匯”，在外界條件發(fā)生改變時(shí)，重金屬在水相和沉積物界面間不斷進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，對水生生態(tài)系統(tǒng)造成威脅（王馨慧等，2016）。重金屬在上覆水與沉積物中的分配系數(shù)代表重金屬在水體和沉積物之間的遷移能力和潛在生態(tài)危害性（時(shí)春景等，2017）。

計(jì)算公式為：

式中，Cs是指體系達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)沉積物中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg·kg-1）；Cw表示體系達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)溶解態(tài)重金屬的質(zhì)量濃度（mg·L-1）。

2.3.2 重金屬污染指數(shù)法

本研究采用重金屬污染指數(shù)法（楊學(xué)福等，2014）對顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，具體的計(jì)算方法如下所示：

式中，Si表示水體功能允許的最高質(zhì)量濃度值，（μg·L-1），本研究選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值；k為比例常數(shù)，通常取數(shù)值 1；Ci表示水體中重金屬的實(shí)測值，（μg·L-1）；n是評價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。當(dāng) HPI＞100時(shí)，表示該水體存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，重金屬污染程度已超過其最高可接受水平（楊學(xué)福等，2014）。

2.3.3 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法被廣泛應(yīng)用于土壤、沉積物、灰塵中重金屬污染評價(jià)（Zhang et al.，2009；向麗等，2010）。其計(jì)算公式為：

式中，Cn為樣品中重金屬實(shí)測含量（mg·kg-1）；Bn為所測元素的地球化學(xué)背景值（mg·kg-1），本文選取淮南土壤背景值作為參比值，Mn、As、Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Sb分別為415.68、10.45、64.93、24.16、25.74、80.81、0.06、1.00 mg·kg-1；k一般取1.5（王冠森等，2017）。重金屬污染程度與Igeo數(shù)值的關(guān)系依次是無污染（Igeo＜0），輕度污染（0≤Igeo＜1），偏中污染（1≤Igeo＜2），中度污染（2≤Igeo＜3），偏重污染（3≤Igeo＜4），重污染（4≤Igeo＜5），嚴(yán)重污染（Igeo≥5）（劉新等，2016）。

2.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析；運(yùn)用 Corel Draw X5和Origin 8.5制圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 上覆水體中的重金屬分布規(guī)律

顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水體重金屬質(zhì)量濃度高低順序?yàn)?Mn＞Zn＞Cr＞As＞Ni＞Sb＞Cu＞Cd（表1）。Cr、Mn、Zn在研究區(qū)的質(zhì)量濃度變化范圍較大，分別為 11.30～50.59、35.71～153.55、34.36～132.78 μg·L-1，平均值分別為 23.62、74.11、62.29 μg·L-1。與地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）相比，除了 Cr的最大質(zhì)量濃度值超出地表水Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，As、Cd、Cr、Cu、Zn的平均質(zhì)量濃度均低于地表水Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，Mn、Ni和Sb的平均質(zhì)量濃度亦低于集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目的限值，說明顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水水質(zhì)基本符合魚類養(yǎng)殖的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。與長江河源地區(qū)未污染水體（張立成等，1992）相比，各重金屬含量存在較大差異，除 Cu和Ni平均質(zhì)量濃度低于背景值外，As、Cd、Cr、Mn、Sb、Zn分別是長江河源區(qū)背景值的4.08、25.2、1.87、1.48、4.55、9.64倍，存在一定的重金屬富集現(xiàn)象。顧橋采煤沉陷區(qū)處于非穩(wěn)沉狀態(tài)，水體周圍存在大面積正在沉陷的農(nóng)田，面源污染是水體重金屬污染的重要來源之一，含有重金屬的化肥、農(nóng)藥等會(huì)隨地表徑流進(jìn)入沉陷區(qū)水體中（陳碧珊等，2017），這可能是造成顧橋采煤沉陷區(qū)上覆水體中重金屬富集的原因。馬迎群等（2014）對渾河上游重金屬的研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染會(huì)導(dǎo)致水體重金屬含量升高，肥料的連續(xù)施用亦會(huì)導(dǎo)致重金屬濃度增加。

表1 顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水中8種重金屬的質(zhì)量濃度Table1 The concentrations of eight heavy metals of overlying water in Guqiao μg·L-1

3.2 沉積物間隙水中的重金屬分布規(guī)律

顧橋采煤沉陷積水區(qū)沉積物間隙水中重金屬質(zhì)量濃度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 2。與上覆水相比，間隙水中重金屬濃度明顯增加。研究區(qū)沉積物間隙水中重金屬質(zhì)量濃度分布規(guī)律為：Mn＞Cr＞Zn＞As＞Ni＞Sb＞Cu＞Cd。間隙水中Mn的含量變化范圍較大，最大值為 8958.53 μg·L-1，最小值為 1724.05 μg·L-1，平均值為4554.85 μg·L-1。外界條件改變時(shí)，沉積物中的Mn不斷向間隙水中釋放，造成間隙水中Mn含量較高。其他幾種重金屬在間隙水中的質(zhì)量濃度整體較低。

沉積物間隙水作為連接上覆水和沉積物的紐帶，其重金屬含量可以用來評定重金屬的潛在環(huán)境危害（田林鋒等，2011）。本文選用美國優(yōu)先控制污染物國家推薦水質(zhì)基準(zhǔn)法對顧橋采煤沉陷積水區(qū)沉積物間隙水中的重金屬的生物毒性進(jìn)行評估，若間隙水中某種重金屬的質(zhì)量濃度超過其相應(yīng)的基準(zhǔn)連續(xù)濃度（CCC）值，則該重金屬可能會(huì)對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生慢性毒性；若間隙水中某種重金屬的質(zhì)量濃度超過其相應(yīng)的基準(zhǔn)最大濃度（CMC）值，則該重金屬會(huì)對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生急性毒性威脅（李永霞等，2016）。由表2可知，Cd的質(zhì)量濃度均值超過CCC的8.96倍，超過CMC的1.12倍，說明間隙水中Cd可能會(huì)對水體生物產(chǎn)生急性毒性。Cr的質(zhì)量濃度均值是CCC值的21.46倍，是CMC值的14.85倍，Zn的均值是CCC和CMC值的1.47倍。水體中的底棲生物長期生活在底部表層沉積物附近區(qū)域，重金屬會(huì)通過生物富集等作用從間隙水進(jìn)入生物體內(nèi)，對底棲生物的生命安全構(gòu)成威脅，甚至威脅人體健康（秦延文等，2012）。顧橋采煤沉陷積水區(qū)沉積物間隙水中Cr、Cd和Zn可能會(huì)對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生急性毒性的威脅。

表2 顧橋采煤沉陷積水區(qū)的沉積物間隙水中8種重金屬質(zhì)量濃度Table2 Eight heavy metals contents of pore water in Guqiao μg·L-1

表3 顧橋采煤沉陷積水區(qū)沉積物中8種重金屬的分布特征Table3 Distribution characteristics of eight heavy metals of sediment in Guqiao mg·kg-1

圖2 顧橋采煤沉陷積水區(qū)重金屬的沉積物-上覆水分配系數(shù)對數(shù)圖Fig.2 Logarithmic graph of distribution coefficient of eight heavy metals between sediment and overlying water in Guqiao

3.3 沉積物中重金屬的分布特征

沉積物中重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Sb、Zn）質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試結(jié)果見表3，與中國沉積物背景值相比（鄢明才等，1995），As、Cd、Cr、Cu、Ni、Sb的富集倍數(shù)分別為1.51、12.38、1.85、1.36、1.04、2.37 倍。As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni的平均值均超過淮南土壤背景值（蔡峰等，2008），其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是淮南市土壤背景值的1.23、18.57、1.71、1.21、1.03、1.01 倍，說明 As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Sb在采煤沉陷積水區(qū)沉積物中存在一定程度的富集。其中，Cd富集最嚴(yán)重，變化范圍為 0.050～2.642 mg·kg-1，平均值為 1.114 mg·kg-1；Sb富集程度次之，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.66 mg·kg-1。本課題組在前期研究中也發(fā)現(xiàn)，淮南新莊孜煤矸石充填復(fù)墾區(qū)土壤中Cd存在富集現(xiàn)象（鄭劉根等，2014）。

3.4 重金屬在沉積物和上覆水中的分配系數(shù)

8種重金屬在沉積物-上覆水中的分配規(guī)律如圖 2 所示，表現(xiàn)為 Cu＞Ni＞Mn＞Cr＞As＞Zn＞Cd＞Sb（圖 2）。有研究表明，Cu、Ni、Mn、Cr、As在沉積物中的存在形式以殘?jiān)鼞B(tài)為主（柏建坤等，2014；文輝等，2009；唐文忠等，2015；臧飛等，2015），故Cu、Ni、Mn、Cr、As從沉積物遷移進(jìn)入水體中的能力較弱，潛在生態(tài)危害越低。Cd、Zn、Sb的分配系數(shù)對數(shù)值分別為2.78、2.86、2.77，在8種重金屬的分配系數(shù)對數(shù)值中相對較低，說明研究區(qū)域的Cd、Zn、Sb潛在污染危害相對嚴(yán)重。有研究認(rèn)為，沉積物對 Sb的吸附與水體中銻的存在形態(tài)以及pH、離子強(qiáng)度、水體的氧化還原電位及吸附時(shí)間等有關(guān)，隨著pH的升高，Sb的吸附量降低，易于從沉積物進(jìn)入水體（徐偉等，2012）；黃瑩等（2015）對小清河沉積物重金屬的分析得出沉積物中Zn、Cd有效態(tài)含量高于殘?jiān)鼞B(tài)，有較高的二次釋放潛力；岳東等（2008）對蘇州河沉積物重金屬的研究亦表明，Zn主要存在于有機(jī)態(tài)中，研究區(qū)沉積物中Cd、Sb存在一定程度的富集。上覆水體中Cd、Sb、Zn與長江河源區(qū)背景值相比，存在重金屬富集現(xiàn)象。Cd、Zn、Sb的分配系數(shù)相對較低，說明這3種重金屬容易從沉積物中釋放出來，對沉陷區(qū)水體具有很大的潛在威脅性。

表4 顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水-間隙水-沉積物中重金屬的相關(guān)性分析Table4 Correlation analysis of heavy metals in overlying water-pore water-sediment at Guqiao

圖3 8種重金屬在沉積物-間隙水-上覆水中分布對數(shù)圖Fig.3 Logarithmic graph of contents of eight heavy metals in sediment-pore water-overlying water

3.5 相關(guān)性分析

圖3 所示為重金屬在沉積物-上覆水-間隙水中的分布對數(shù)特征，As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Sb、Zn在上覆水-間隙水-沉積物介面中呈現(xiàn)遞增趨勢：重金屬進(jìn)入水體之后大部分通過物理和化學(xué)途徑賦存于沉積物中，故重金屬在沉積物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于其上覆水和間隙水中的質(zhì)量濃度，As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Sb、Zn在沉積物、間隙水、上覆水中的分布特征亦呈現(xiàn)一致性，上覆水及間隙水中質(zhì)量濃度高的重金屬在沉積物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，沉積物中含量低的元素在上覆水和間隙水中的質(zhì)量濃度同樣相對較低。

元素之間的相關(guān)性不僅與元素本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還受到外界環(huán)境、遷移轉(zhuǎn)化特征，污染源等因素的影響（李永霞等，2016）。當(dāng)元素的來源相同污染或相似時(shí)，各元素會(huì)表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性（叢鑫等，2017）。重金屬在上覆水-間隙水-沉積物中的相關(guān)性分析結(jié)果見表4。在上覆水中，Cu與Cd在 0.01水平上（r=1.00）呈極顯著正相關(guān)，As與Mn在0.05水平上呈顯著正相關(guān)（r=0.73），說明As-Mn、Cu-Cd具有相同污染源。在間隙水中，各種重金屬之間的相關(guān)性最好，是由于其受到外界環(huán)境因素的干擾較少，污染源穩(wěn)定造成的。呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)的有 Cu-Cd、Mn-Sb，而 Cr與 Ni、Sb在0.05水平上呈顯著正相關(guān)，說明間隙水中Cr與Ni、Sb、Mn的污染源可能一致；而As與Sb在0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，則說明間隙水中Sb與As的污染源可能不同。Cu與Cd在上覆水與間隙水中均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，說明Cu與Cd在水體中的污染源可能相同。沉積物中Zn和Ni在0.05水平上呈顯著正相關(guān)（r=0.68），Mn與Ni在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)（r=0.80），Ni與Zn、Mn的正相關(guān)性說明沉積物中Ni與Zn、Mn可能具有同源性。作為受到人為活動(dòng)干擾形成的沉陷區(qū)水域，周圍存在大面積處于非穩(wěn)沉狀態(tài)的農(nóng)田，農(nóng)業(yè)面源污染是水體重金屬污染的重要污染源，在雨水充足時(shí)期，農(nóng)田土壤中的重金屬隨降雨形成地表徑流匯入水體；同時(shí)，沉陷水域周圍采礦活動(dòng)、燃煤電廠、堆放的煤矸石山淋溶作用、工業(yè)排污等因素，可能是造成顧橋采煤沉陷積水區(qū)水體及沉積物重金屬含量相對較高的原因（叢鑫等，2017）。

秦鐵崖四顧，搜尋喬十二郎和老太醫(yī)。李太嶂、李雙岱那些手下，除了燒傷嚴(yán)重不能跑的，其余都作鳥獸散，不見蹤影。老太醫(yī)和羅香正蹲在地上，守護(hù)著一個(gè)人。

圖4 顧橋上覆水重金屬總量與HPI指數(shù)比較Fig.4 Comparison of heavy metals and HPI index of overlying water in Guqiao

4 重金屬風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

4.1 重金屬污染指數(shù)法

對顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水中的 As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Sb、Zn進(jìn)行重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評估（圖4），位于農(nóng)田附近的10號采樣點(diǎn)的重金屬總量最高，各個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬總量大小順序?yàn)椋?0＞4＞6＞8＞5＞7＞1＞2＞9＞3（數(shù)字表示采樣點(diǎn)號）。有研究認(rèn)為重金屬總量越高，其潛在的環(huán)境危害就越大（周建民等，2005）。上覆水體中HPI指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示：10＞7＞6＞5＞2＞8＞4＞9＞3＞1。10 號采樣點(diǎn)重金屬總量最高，HPI指數(shù)也最高，但重金屬總量變化規(guī)律與HPI變化趨勢總體上仍存在一定的差異性。由于HPI指數(shù)法系統(tǒng)考慮到各重金屬對環(huán)境產(chǎn)生危害的權(quán)重，其結(jié)果對于反映水體中各重金屬對水質(zhì)的綜合污染程度更具客觀性。由表5可知，顧橋沉陷區(qū)上覆水體中 8種重金屬的 HPI總值為40.11，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于污染臨界值（100），由此說明顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水體的重金屬含量質(zhì)量濃度處于可接受水平，目前不存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。

表5 顧橋沉陷積水區(qū)水體重金屬污染評價(jià)結(jié)果Table5 HPI calculation for the subsidence water in Guqiao coal mining subsidence water area

4.2 地累積指數(shù)法

采用地累積指數(shù)法對顧橋采煤沉陷積水區(qū)沉積物中各重金屬污染狀況進(jìn)行評價(jià)（表6和圖5），結(jié)果表明：（1）研究區(qū)內(nèi)Ni為無污染；Sb輕度污染、偏中污染的比例分別為20%、10%；而各個(gè)采樣點(diǎn)中 As輕度污染的比例為 20%；90%的采樣點(diǎn)中Cd均存在污染，其中重度污染占30%；80%采樣點(diǎn)存在輕度Cr污染；Cu、Mn、Zn輕度污染的比例分別為20%、10%、10%；（2）就地質(zhì)累積指數(shù)平均值而言，8種重金屬污染程度為：Cd＞Cr＞Sb＞Cu＞As＞Ni=Mn＞Zn；Cd（3.08）為偏重度污染，Cr（0.16）為輕度污染。沉積物作為水生生物的棲息地，重金屬容易通過生物富集、生物放大作用進(jìn)入人體內(nèi)，對人體肝臟、腎臟等內(nèi)臟組織造成嚴(yán)重危害（劉成等，2014），該研究區(qū)表層沉積物存在 Cd、Cr潛在生態(tài)危害，應(yīng)予以一定重視。

表6 顧橋采煤沉陷積水區(qū)沉積物重金屬的地累積指數(shù)值Table6 Geo-accumulation index of heavy metals of sediment in Guqiao

5 結(jié)論

（1）參照地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，顧橋采煤沉陷區(qū)上覆水的水質(zhì)符合魚類養(yǎng)殖的要求；與長江河源地區(qū)未污染的水體相比，As、Cd、Cr、Mn、Sb、Zn分別是長江河源區(qū)背景值的4.08、25.2、1.87、1.48、4.55、9.64倍，存在一定的重金屬富集現(xiàn)象。通過美國優(yōu)先控制污染物國家推薦水質(zhì)基準(zhǔn)的評估，間隙水Cr、Cd和Zn可能對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用。與淮南土壤背景值或中國沉積物綜合平均值相比，沉積物中重金屬 Sb、Mn、As、Cr、Cu、Ni、Cd具有一定的累積效應(yīng)，重金屬Cd的富集程度尤其值得引起關(guān)注。

（2）重金屬在上覆水-間隙水-沉積物中呈現(xiàn)遞增且變化趨勢一致的特征。各種重金屬的分配系數(shù)規(guī)律為 Cu＞Ni＞Mn＞Cr＞As＞Zn＞Cd＞Sb。重金屬 Cd、Zn、Sb易從沉積物遷移進(jìn)入水體中，具有較大的潛在環(huán)境危害。上覆水體中As、Sb與Mn顯著正相關(guān)，Cu與Cd具有相同的污染源。在間隙水中，重金屬來源穩(wěn)定，重金屬之間的相關(guān)性較好，Cu與Cd，Cr與Ni、Sb、Mn的污染源可能一致，而As與Sb呈顯著負(fù)相關(guān)。沉積物中Ni與Zn、Mn的顯著正相關(guān)性說明沉積物中Ni與Zn、Mn的污染源可能相同。

（3）顧橋采煤沉陷積水區(qū)上覆水體中8種重金屬的HPI總值低于污染臨界值，目前不存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，水質(zhì)良好；地累積指數(shù)的評價(jià)結(jié)果表明，8 種重金屬的污染程度表現(xiàn)為 Cd＞Cr＞Sb＞Cu＞As＞Ni=Mn＞Zn；90%的采樣點(diǎn)存在Cd污染，其中重度污染占30%；80%采樣點(diǎn)Cr污染程度為輕度污染。該研究區(qū)表層水體沉積物中 Cd、Cr存在潛在生態(tài)危害，應(yīng)予以重視。

圖5 沉積物重金屬的地累積指數(shù)法評價(jià)結(jié)果Fig.5 The result of geo-accumulation index method in sediment

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