咸陽湖底泥重金屬污染特征及污染評(píng)價(jià)

趙明芳 薛東劍 黃美華

摘要：為研究分析咸陽湖底泥重金屬的污染狀況，采集其底泥沉積物樣品100個(gè)，對(duì)其中9種重金屬元素的含量特征統(tǒng)計(jì)分析，包括銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、釩（V），并利用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)咸陽湖底泥的重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后再應(yīng)用相關(guān)性分析法和主成分分析法推測(cè)判斷其污染來源。得出咸陽湖底淤泥沉積物中重金屬的地積累污染指數(shù)的大小順序?yàn)椋篊d>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni>Cu，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小順序?yàn)镃d>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，其中Cd、Co、Pb的污染程度相對(duì)較高，均值輕度及以上，其他元素污染程度都很輕微。尤其Cd，污染程度極嚴(yán)重，是風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)偏大的主要貢獻(xiàn)者。

關(guān)鍵詞：重金屬;咸陽湖底泥;地積累指數(shù);生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);來源分析

1 引言

重金屬的危害是持久的、易富集且生物毒性強(qiáng)，這些使其成為自然界中危害較重的一類污染物。河流、湖泊底沉積物是水環(huán)境的重要組成部分，不但能夠?yàn)樗懈鞣N生物提供生活場(chǎng)所基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且能夠?yàn)楦鞣N環(huán)境污染物提供穩(wěn)定的接收存儲(chǔ)地。這些吸附于河流和湖泊底泥中的重金屬在經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用后會(huì)再一次釋放在水中，從而會(huì)間接或直接對(duì)水生生物生存甚至人類健康產(chǎn)生潛在威脅，底泥污染物的濃度是可以間接反映水環(huán)境污染程度。隨著工業(yè)化快速發(fā)展，一些持久性污染物入湖，湖泊污染趨向于復(fù)合污染。胡必彬研究表明重金屬污染在我國(guó)大部分流域內(nèi)已經(jīng)存在，局部水域污染嚴(yán)重;周楠楠等人分析了東平湖底泥重金屬質(zhì)量比及形態(tài)分布，來探究青藏高原湖泊沉積物中重金屬的來源以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害，郭泌汐等人研究分析了青藏高原18個(gè)湖泊的沉積物樣品，發(fā)現(xiàn)西藏的大部分湖泊生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中等以上。

咸陽湖這一人工湖泊自立壩蓄水以來較少進(jìn)行大的設(shè)施維護(hù)和改造，湖底淤泥經(jīng)常裸漏，橡膠壩的壩袋破損嚴(yán)重。近年咸陽湖開展了十年來首次壩帶更換和清淤工程。前幾年，咸陽湖景區(qū)中的青年湖湖水異常，湖水的顏色表成紅褐色，并且有許多死魚漂與其上;咸陽暴雨天，生活污水和雨水曾多次混合直排進(jìn)咸陽湖使得大片湖水受污等類似報(bào)道?？梢娛陙硐剃柡廴疚镌诓粩喾e累，水體生態(tài)環(huán)境在不斷惡化。因此，本文對(duì)咸陽湖的底泥重金屬元素進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，從而掌握水體污染特征并做出相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，希望能夠?yàn)楫?dāng)?shù)厝斯ず次廴揪C合治理和風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)樣品的采集與分析

2.1 咸陽湖概況

咸陽湖是渭河流經(jīng)咸陽市截留而形成的人工湖泊，渭河是咸陽地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)灌溉水源。咸陽地處暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)性氣候區(qū)，四季冷熱干濕分明，年平均降水量537-650mm。咸陽湖是渭河咸陽城區(qū)段在渭河谷地500米寬的范圍中部修筑一條中隔墻，形成北側(cè)寬270米的泄洪蓄水渠，南側(cè)寬230米泄洪渾水渠，在中隔墻以北泄洪渠內(nèi)修建兩道橡膠壩攔水，形成水面1.24×106m2的咸陽湖，同時(shí)在本段渭河兩岸建設(shè)護(hù)坡防洪工程和一系列綠化、人文景觀工程，它的修建極大地改善了咸陽城市面貌，產(chǎn)生了巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2.2 底泥樣品的采集與方法介紹

2.2.1 樣品的采集

樣品采集選擇天氣晴朗且清淤期間，采樣工具有聚乙烯塑料袋、標(biāo)簽、塑料小鏟子、筆、手機(jī)GPS定位軟件等。采樣地點(diǎn)以咸陽湖西側(cè)咸通路為起點(diǎn)向東至渭河隴海鐵架橋附近，全長(zhǎng)4.7公里，采集樣品總數(shù)100袋，采集間隔均勻分布。

2.2.2 樣品預(yù)處理

對(duì)樣品先在室內(nèi)20℃室溫下自然風(fēng)干，再用烘干箱在55℃下繼續(xù)烘干一天直至完全干燥。對(duì)樣品進(jìn)行去雜質(zhì)處理，并通過1mm尼龍篩，再用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨，用20目篩濾。為保證測(cè)量的精度，每個(gè)樣品測(cè)量三次，最終取三次測(cè)量的平均值，錄入數(shù)據(jù)。

2.3 重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.3.1 地積累指數(shù)法

德國(guó)科學(xué)家Muller于1969年提出的地積累指數(shù)是利用一種重金屬的總含量與其地球化學(xué)背景值的關(guān)系，來定量評(píng)價(jià)水環(huán)境沉積物中重金屬污染程度的指標(biāo)。相比較于其他評(píng)價(jià)方法，地累積指數(shù)法除考慮到人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還考慮到可能會(huì)引起背景值變動(dòng)的自身因素，彌補(bǔ)了其他方法不足，因此更能確切地反映出目前當(dāng)?shù)赝寥乐兄亟饘賹?shí)際污染程度，其評(píng)價(jià)結(jié)果更具有可比性，已有很多研究者使用此方法進(jìn)行了相關(guān)研究。地積累指數(shù)計(jì)算方法如下：

（1）

式（1）中，Cn為沉積物中重金屬n的實(shí)測(cè)含量;1.5為參考地區(qū)巖石差異可能起背景值變動(dòng)而取得系數(shù)，Bn為該底泥重金屬元素n的地球化學(xué)參比值，研究中選取陜西省地區(qū)土壤的背景值作為評(píng)估參比值，地積累指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從0～5共分成了7個(gè)等級(jí)，污染程度也從小于0，到大于5，依次污染加重。

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

由瑞典科學(xué)家 Hakanson于1980年提出，該方法可綜合反映了沉積物中重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響潛力，是一種評(píng)價(jià)沉積物潛在生態(tài)危害的方法，是評(píng)價(jià)沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)應(yīng)用最廣泛的方法。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) RI 的計(jì)算方法如下：

（2）

式中，C if為污染因子;C is為沉積物中重金屬i的實(shí)測(cè)含量;C in為重金屬i的參比值;T ir為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，反映重金屬的毒性水平及生物對(duì)重金屬污染的敏感程度;E ir為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù);RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及分級(jí)的分類也是小于40、40～80、80～160、160～320和大于320，依次生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增高。

3 咸陽湖底泥重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 底泥重金屬的含量特征

咸陽湖底泥樣品中重金屬含量測(cè)定結(jié)果見表1。依據(jù)陜西省土壤及中國(guó)水系沉積物背景值，可發(fā)現(xiàn)顯示研究區(qū)底泥樣品中重金屬Cu、Zn、Co、Ni的平均含量均大于陜西省土壤和中國(guó)水系沉積物背景值。Cd、Co、Ni、Zn的平均含量分別是當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸档?64.3倍、2.1倍、1.5倍、1.6倍，分別為中國(guó)水系沉積物背景值的129.1倍、1.8倍、1.5倍、1.6倍。而Cd、Co、Ni、Zn、Cu這5種重金屬含量均比陜西省土壤背景值高，Pb、Mn、Cr和V的平均含量均明顯低于陜西省土壤和中國(guó)水系沉積物背景值。從變異系數(shù)上來看，除Cu、Zn、Ni以外，其余6種重金屬Pb、Co、Cr、Cd、V的變異系數(shù)分別高達(dá)139%、115%、179%、116%、171%，尤其Cr最高，都屬于強(qiáng)變異性，反映其受外界環(huán)境干擾嚴(yán)重。Cu、Zn、Mn、Ni的超標(biāo)率高達(dá)均83%、92%、96%、86%，嚴(yán)重超標(biāo)。

3.2 底泥重金屬污染生態(tài)評(píng)價(jià)

3.2.1 地積累指數(shù)法

根據(jù)式（1），根據(jù)計(jì)算可得，咸陽湖底泥重金屬元素的地積累污染指數(shù)的大小順序?yàn)椋篊d>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni>Cu，其指數(shù)平均值分別是-0.22、0.624、0.042、0.166、1.541、-0.086、0.255、7.945和0.073。則可知Cu、Ni的污染等級(jí)都為0，屬于無污染水平，Pb、Zn、Mn、Co、Cr、V的污染等級(jí)都處于1級(jí)和2級(jí)，屬輕度污染、偏中度污染，污染程度較輕。說明這兩種重金屬在河流沉積物中富集程度低。Cd的地積累指數(shù)為7.95，污染等級(jí)高達(dá)6級(jí)，極重度污染。

3.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

參照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)從高到底依次為：Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，其指數(shù)平均值分別為6.82、106.97、1.587、1.737、10.344、7.337、0.860、4713.913和0.825，總的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI為4843.93，屬于極強(qiáng)生態(tài)危害，Cd含量較低，但其對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)卻非常高，達(dá)97.30%。因此，可以這樣說，由于Cd元素的極強(qiáng)生態(tài)危險(xiǎn)系數(shù)，對(duì)咸陽湖潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)很大。

4 主要結(jié)論

（1）咸陽湖底泥沉積物中Cu、Zn、Co、Ni平均含量均超過當(dāng)?shù)赝寥篮椭袊?guó)水系沉積我背景值。而其他五中重金屬Pb、n、Cr、Cd、V的平均含量均低?？偟膩砜?，咸陽湖底泥中重金屬含量元素Cu、Zn、Co、Ni含量很高，累積嚴(yán)重。但其他重金屬元素都含量正常，相對(duì)較低。Pb、Co、Cr、Cd、V都屬于強(qiáng)變異性，反映了這些重金屬的空間分異性強(qiáng)。Cu、Zn、Mn、Ni的超標(biāo)率高達(dá)83%、92%、96%、86%，其他五種重金屬超標(biāo)率均較低。

（2）地積累污染指數(shù)的大小順序?yàn)椋篊d>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni> Cu。其中Cu、Ni的污染等級(jí)都為0，屬于無污染水平，Pb、Zn、Mn、Co、Cr、V的污染等級(jí)都處于1級(jí)和2級(jí)，屬輕度污染、偏中度污染，污染程度較輕微。重金屬Cd的地積累指數(shù)為7.95，達(dá)到了污染等級(jí)的最高級(jí)6級(jí)，屬于極重度污染程度。次之是Co，屬于偏中度污染。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從高到底依次為：Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，Cd的級(jí)別較高，污染程度極嚴(yán)重。特別是Cd對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的主要貢獻(xiàn)者。

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作者簡(jiǎn)介：趙明芳（1994—），男，陜西人，研究方向：資源與環(huán)境遙感。

（作者單位：1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院;

2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院）