宿鴨湖水庫(kù)沉積物重金屬含量分析與評(píng)價(jià)

王昕 霍吉祥 馬福恒 張東升 葉偉

摘?要：為了解宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物中重金屬污染水平，對(duì)沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg等8種重金屬含量進(jìn)行了研究，并采用地積累指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：重金屬在沉積物上部含量較高，且Cd、Hg在空間分布上差異較大;根據(jù)相關(guān)性分析，Ni、Cr、As、Pb、Zn之間以及Cd、Hg之間關(guān)系密切;Cd的地積累指數(shù)值較高，屬于無污染到中污染;根據(jù)污染負(fù)荷指數(shù)法污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所有采樣點(diǎn)中有4個(gè)采樣點(diǎn)為無污染，16個(gè)采樣點(diǎn)為中等污染;根據(jù)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法，Ni和As可能對(duì)水體產(chǎn)生不利影響;根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物重金屬整體處于輕微風(fēng)險(xiǎn)至中等風(fēng)險(xiǎn)，且主要受Hg和Cd的影響。

關(guān)鍵詞：重金屬;統(tǒng)計(jì)分析;地積累指數(shù)法;污染負(fù)荷指數(shù)法;沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法;潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法;宿鴨湖水庫(kù)

中圖分類號(hào)：X524文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.017

Analysis and Evaluation of Heavy Metals in Sediments of Suyahu Reservoir

WANG Xin1， HUO Jixiang2， MA Fuheng2， ZHANG Dongsheng1， YE Wei2

（1. Suyahu Reservoir Administration Bureau， Zhumadian 463300， China; 2.State Key Laboratory of HydrologyWater

Resources and Hydraulic Engineering， Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029， China）

Abstract：In order to understand and evaluate the pollution level of heavy metals in sediments at the bottom of Suyahu Reservoir， the contents of As， Cd， Cr， Cu， Ni， Pb， Zn and Hg in sediments were studied. And the methods of land accumulation index， pollution load index， sediment quality benchmark and potential ecological risk index were used for comprehensive evaluation. The results show that the content of heavy metals in the upper part of sediment is higher and the spatial difference of Cd and Hg is larger. According to the correlation analysis， there is a significant positive correlation between Ni， Cr， As， Pb and Zn and Cd and Hg. The geoaccumulation index value of Cd is higher. According to the classification of PLI， there are 4 none pollution in all sampling points of reservoir and the other 16 samples are of medium pollution. According to sediment quality standard method， Ni and As may have slight adverse effects. In potential ecological risk analysis， the overall risk is between slight risk and medium risk and is mainly affected by Hg and Cd.

Key words： heavy metals; statistical analysis; geoaccumulation index method; pollution load index method; sediment quality standard method; potential ecological risk index method; Suyahu Reservoir;

水庫(kù)庫(kù)底沉積物作為水庫(kù)水環(huán)境中重金屬的主要蓄積庫(kù)，可以反映水體受重金屬污染的狀況。同時(shí)，由于沉積物和水體中的重金屬可以發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化，因此庫(kù)底沉積物兼具污染受體與污染源的雙重屬性[1]。水體中重金屬經(jīng)上游河道進(jìn)入水庫(kù)，在相對(duì)滯緩的水流條件下隨懸浮物沉降進(jìn)入沉積物;當(dāng)水體受到擾動(dòng)或化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，沉積物中重金屬又可以向水體擴(kuò)散。因此，充分認(rèn)識(shí)沉積物中重金屬的污染狀況和釋放風(fēng)險(xiǎn)可以為水庫(kù)污染防治提供依據(jù)。目前關(guān)于水庫(kù)沉積物的研究主要是對(duì)沉積物進(jìn)行采樣并監(jiān)測(cè)其重金屬元素含量，進(jìn)而獲得重金屬在整個(gè)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)或某一位置不同深度處的空間分布特征[2-3]，基于相關(guān)性分析、主成分分析或聚類分析等統(tǒng)計(jì)分析方法獲得各項(xiàng)重金屬指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系[4-5]，應(yīng)用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等進(jìn)行污染評(píng)價(jià)[6-7]。

3.2?污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)水庫(kù)沉積物中重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是了解其污染狀況的手段，目前評(píng)價(jià)方法相對(duì)較多，包括地積累指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等，由于各種方法各有側(cè)重，各具合理性和局限性，因此為更準(zhǔn)確、科學(xué)和全面地評(píng)價(jià)宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物污染狀況，將以上幾種方法相結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[15]。同時(shí)，由不同深度處統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物上部重金屬含量較中部和下部的更高，且受清淤擴(kuò)容擾動(dòng)影響較大，因此主要對(duì)宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底上部沉積物進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.2.1?地積累指數(shù)法

由于缺少宿鴨湖周邊區(qū)域或駐馬店市重金屬元素土壤背景值，因此采用河南省重金屬元素土壤地球化學(xué)背景值進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[16]。根據(jù)地積累指數(shù)可將重金屬污染程度分為7級(jí)，其中：Igeo<0為無污染;0≤Igeo<1為無污染到中污染;1≤Igeo<2為中污染;2≤Igeo<3為中污染到重污染;3≤Igeo<4為重污染;4≤Igeo<5為重污染到極重污染;Igeo≥5為極重污染。

宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物上部重金屬地積累指數(shù)見表3。由表3可以看出：Cr和As的地積累指數(shù)最大值小于0，表明宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物中這兩種元素皆處于無污染狀態(tài);Zn、Pb、Cu、Ni、Hg的情況較為類似，即地積累指數(shù)最大值為0～1，而均值均小于0，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，20個(gè)采樣點(diǎn)中，這幾種元素地積累指數(shù)小于0的采樣點(diǎn)分別為19、18、18、18、12個(gè)，表明這幾種重金屬在宿鴨湖庫(kù)底大多數(shù)區(qū)域?qū)儆跓o污染，僅少數(shù)區(qū)域?qū)儆跓o污染到中污染;Cd相對(duì)較為特殊，均值達(dá)到了0.802，為無污染到中污染，而最大值為1.889，為中污染，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，20個(gè)采樣點(diǎn)中，僅有2個(gè)采樣點(diǎn)為無污染，因此Cd的污染情況值得關(guān)注。

3.2.2?污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法可以了解重金屬在各采樣點(diǎn)及整個(gè)水庫(kù)的污染水平。經(jīng)計(jì)算，庫(kù)底沉積物上部重金屬PLI為0.74～1.75。對(duì)照PLI的污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，20個(gè)采樣點(diǎn)中有4個(gè)采樣點(diǎn)為無污染，剩余16個(gè)采樣點(diǎn)為中等污染，水庫(kù)總體污染負(fù)荷指數(shù)為1.18，因此宿鴨湖水庫(kù)總體為中等污染。水庫(kù)范圍內(nèi)污染負(fù)荷指數(shù)的空間分布見圖2。由圖2可以看出，重金屬污染負(fù)荷指數(shù)在整個(gè)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)呈從近岸至湖心逐漸增大趨勢(shì)，這與張鵬巖等[17]對(duì)宿鴨湖沉積物重金屬空間分布的研究結(jié)果一致。

3.2.3?沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法

為研究宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物中重金屬對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響，可將重金屬含量與底泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，其主要包括ERL、ERM兩個(gè)指標(biāo)。ERL為重金屬有害影響可能性很小的限值，即當(dāng)重金屬含量低于ERL時(shí)，產(chǎn)生有害影響的可能性低于10%。ERM為重金屬有害影響的中效應(yīng)范圍，當(dāng)重金屬含量介于ERL與ERM之間時(shí)，產(chǎn)生有害影響的可能性為20%～30%;當(dāng)重金屬含量大于ERM時(shí)，產(chǎn)生有害影響的可能性增至60%～90%。

各重金屬元素的ERL和ERM限值見表4。由表4各重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)值并結(jié)合本次采樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知：Zn、Pb、Cd和Hg含量的最大值皆小于對(duì)應(yīng)的ERL限值，表明庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)這4種重金屬元素產(chǎn)生危害的可能性很小;Cu和Cr這2種重金屬元素含量分別為22.208、58.445 mg/kg，各自均值皆小于對(duì)應(yīng)的ERL限值，在20個(gè)采樣點(diǎn)中僅有1個(gè)采樣點(diǎn)的含量略大于ERL，表明這2種元素產(chǎn)生的危害也相對(duì)較小;Ni和As含量分別達(dá)到了28.669、10.496 mg/kg，皆大于對(duì)應(yīng)的ERL限值，而在20個(gè)采樣點(diǎn)中分別有19、15個(gè)采樣點(diǎn)的值介于ERL、ERM之間，表明Ni和As有可能對(duì)水體產(chǎn)生不利影響。

在此基礎(chǔ)上，可計(jì)算m-ERM-Q值以了解多種重金屬元素的混合生物毒性，其結(jié)果可分為4個(gè)等級(jí)：m-ERM-Q≤0.1時(shí)，多種元素混合生物毒害可能性為9%;0.11.5時(shí)，毒害可能性為76%[18]。經(jīng)計(jì)算，m-ERM-Q平均值為0.23，最大值為0.34，最小值為0.14，表明具有21%的毒害可能性。

3.2.4?潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物中重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。Cu、Cr、Zn、Pb、As、Ni等6項(xiàng)重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值均小于40，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度屬于輕微風(fēng)險(xiǎn)。Hg潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的均值為56.60，為中等風(fēng)險(xiǎn)，在20個(gè)采樣點(diǎn)中：5個(gè)采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于40，為輕微風(fēng)險(xiǎn)程度;13個(gè)采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為40～80，為中等風(fēng)險(xiǎn)程度;2個(gè)采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于80，為較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)程度。Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均值為85.31，為較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)程度，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，僅2個(gè)采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于40，為輕微風(fēng)險(xiǎn)程度;有7個(gè)采樣點(diǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)程度;有10個(gè)采樣點(diǎn)為較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)程度;有1個(gè)采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為166.67，達(dá)到了很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)程度。

從多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI來看，其均值為170.88，最小值與最大值分別為86.13和295.52，宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體處于輕微風(fēng)險(xiǎn)至中等風(fēng)險(xiǎn)之間，采樣點(diǎn)中共有9個(gè)采樣點(diǎn)為輕微風(fēng)險(xiǎn)程度，11個(gè)采樣點(diǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)程度。

4?結(jié)?論

（1）將宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物分為上部、中部和下部3層，對(duì)各層重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，Cd和Hg的變異系數(shù)大于35%，屬高度變異，這兩種元素在空間分布上差異較大;在不同深度上，重金屬含量呈現(xiàn)上部>中部>下部的趨勢(shì)，同時(shí)由于清淤擴(kuò)容過程中對(duì)沉積物表層擾動(dòng)較大，因此庫(kù)底沉積物上部為進(jìn)一步關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）由相關(guān)性分析可知，8種重金屬指標(biāo)可分為3類，其中Ni、Cr、As、Pb、Zn這5種重金屬元素關(guān)系極為密切，Cd和Hg這兩種重金屬元素間的關(guān)系也較為密切，Cu與其他元素間相關(guān)關(guān)系均較弱，在清淤過程中可以此為依據(jù)選擇代表性指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）根據(jù)地積累指數(shù)法，Cd與其他重金屬元素相比較地積累指數(shù)值較高，大多數(shù)采樣點(diǎn)屬于無污染至中污染。

（4）根據(jù)污染負(fù)荷指數(shù)法污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，宿鴨湖水庫(kù)所有采樣點(diǎn)中有4個(gè)采樣點(diǎn)為無污染，剩余16個(gè)采樣點(diǎn)為中等污染，總體上區(qū)域污染負(fù)荷指數(shù)為1.18，屬于中等污染。

（5）根據(jù)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法，單項(xiàng)重金屬元素的毒性分析表明，Ni和As各有19個(gè)和15個(gè)采樣點(diǎn)的含量介于ERL和ERM之間，可能對(duì)生物產(chǎn)生不利影響。對(duì)于反映多種重金屬元素混合生物毒性的m-ERM-Q值，采樣點(diǎn)計(jì)算結(jié)果均大于0.1而小于0.5，具有21%的毒害可能性。

（6）從潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法結(jié)果來看，宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)總體處于輕微風(fēng)險(xiǎn)至中等風(fēng)險(xiǎn)之間，采樣點(diǎn)中共有9個(gè)采樣點(diǎn)為輕微風(fēng)險(xiǎn)程度，11個(gè)采樣點(diǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)程度，且主要受Hg和Cd的影響，其中Hg為中等風(fēng)險(xiǎn)程度，而Cd為較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)程度。

綜上所述，宿鴨湖水庫(kù)庫(kù)底沉積物重金屬污染程度相對(duì)較輕，僅Hg和Cd兩種重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別達(dá)到中等風(fēng)險(xiǎn)和較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，且這兩種元素的空間分布差異相對(duì)較大，因此在清淤擴(kuò)容過程中需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

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