巢湖十五里河河流沉積物地球化學(xué)元素分布特征

張?zhí)烊? 張平究 楊艷芳 張經(jīng)緯

摘要 十五里河是巢湖流域污染最嚴(yán)重的城市河道，其河流沉積物中的地球化學(xué)元素對(duì)水體環(huán)境分析有重要意義。對(duì)十五里河沉積物進(jìn)行采樣，并對(duì)其沉積物中的化學(xué)元素分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大部分元素的空間分布主要受到母質(zhì)作用的影響，與河流上下游并無(wú)明顯相關(guān)性;CaO、Nb等元素及化合物的分布特征受到河流作用影響;受人類活動(dòng)污染和元素遷移性的影響，部分元素含量存在異常升高。

關(guān)鍵詞 十五里河;沉積物;元素分布;河流作用;母質(zhì);人為活動(dòng)

中圖分類號(hào) P595? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）13-0055-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.015

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Distribution Characteristics of Geochemical Elements in River Sediments of Shiwuli River in Chaohu Lake

ZHANG Tian ran1，2，ZHANG Ping jiu1，2，YANG Yan fang3 et al

（1.School of Geography and Tourism，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241003;2.Anhu Provincial Key Laboratory of Earth Surface Process and Regional Response in the Yangtze Huaihe River Basin，Wuhu，Anhui 241003;3.School of Ecology and Environment，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241003）

Abstract The Shiwuli River is the most polluted urban river in the Chaohu Lake basin，and the geochemical elements in its river sediments are of great significance to the analysis of the water environment.In this paper，the sediment of Shiwuli River was sampled，and the distribution characteristics of the chemical element were analyzed.It was found that the spatial distribution of most elements was mainly affected by the action of parent material，and had no obvious correlation with the upper and lower reaches of the river;the distribution of elements such as CaO and Nb was affected by fluvial processes;the contents of some elements were abnormally increased due to the pollution of human activities and the migration of elements.

Key words Shiwuli River;Sediments;Element distribution;Fluvial process;Parent material;Human activities

地表徑流是重要的水資源，河水及沉積物中的地球化學(xué)元素是水體環(huán)境的重要衡量指標(biāo)[1]。而地表徑流產(chǎn)生的河流作用是一種自然力量與人類活動(dòng)的綜合作用，它會(huì)打破原來(lái)的地球化學(xué)元素分布特征，從而使地球化學(xué)元素產(chǎn)生新的分配形式[2]。即使一些元素的分布在河流水相中沒(méi)有規(guī)律，但在沉積物中一些元素易得到積累，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律[3]。水體沉積物是各元素的重要蓄積庫(kù)[4]。與水體懸浮物相比，沉積物含量更高從而更有利于檢測(cè)[5]，故沉積物中各類元素的分布情況可反映所在流域的污染狀況并為污染物來(lái)源的考證提供依據(jù)。

近年來(lái)沉積物中重金屬元素分布與遷移等環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查研究尤其受重視[6]。一般而言，在水體中，水相中的重金屬及其他元素含量往往較少，且隨機(jī)性大，分布一般無(wú)明顯的規(guī)律性[7]。但在沉積物中，重金屬以及其他元素易得到累積，并表現(xiàn)出一定的規(guī)律性[8]。因此，通過(guò)對(duì)河流沉積物的元素分布特征以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，對(duì)分析河流污染狀況，揭示水系流域地區(qū)水體元素組成，考證水系環(huán)境質(zhì)量狀況與變化[9]，都具有重要意義。

巢湖為國(guó)家重點(diǎn)治理的“三湖”之一，頻頻爆發(fā)水華污染，污染十分嚴(yán)重，尤其是西半湖常年處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[10]。十五里河是合肥城區(qū)與西半湖聯(lián)通的重要水道，其河水發(fā)源自合肥市區(qū)的大蜀山南麓，直接注入巢湖西部。十五里河作為該流域污染最嚴(yán)重的城市河道，其水污染產(chǎn)生的原因和河流沉積物元素組成極具代表性。

由于十五里河污染源種類多，實(shí)際情況復(fù)雜，近年來(lái)，已有學(xué)者對(duì)其河口沉積物污染特征[11]、氮磷污染特征及間隙水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度[4，12]、沉積物不同形態(tài)的氮磷分布及有效性[13-14]、沉積物磷平衡濃度對(duì)外源碳的響應(yīng)[15]、重金屬元素、營(yíng)養(yǎng)元素、多環(huán)芳烴等污染物及其來(lái)源[16-19]等方面有一定研究，但針對(duì)十五里河河流地球化學(xué)元素的分布特征還有待分析研究。為此，筆者采用元素分析儀對(duì)十五里河表層沉積物元素的組成進(jìn)行提取和分析，研究沉積物中不同元素的分布特征，并結(jié)合流域內(nèi)的地理環(huán)境對(duì)河流污染源進(jìn)行分析，以期為河流污染物治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 十五里河位于合肥市西南郊，發(fā)源于大蜀山東南麓，自西北流向東南，在濱湖新區(qū)匯入巢湖，為巢湖的一級(jí)支流。十五里河全長(zhǎng) 35 km，流域面積 106 km2，河寬 2～32 m，河道平均坡降0.72 ‰，不通航。十五里河在上游建有人工湖泊天鵝湖，在下游采用溢流壩蓄水。自天鵝湖以下至入巢湖口長(zhǎng)度為26 km，是城市重要涉水景觀水體。十五里河天鵝湖以下河段可分為：上游，祁門(mén)路到312國(guó)道，約5 km;中游，312國(guó)道到包河大道，約11 km;下游，包河大道到李榮入湖口，約10 km。目前十五里河上游為城市河道，中游和下游為城郊河道。主要支流從上游至下游分別有宿松路梳背橋支流、希望渠、王年溝、許小河、圩西河等。其中，宿松路支流已截流。希望渠由兩個(gè)20 m寬、200 m長(zhǎng)、4 m深的池塘串聯(lián)組成，雖然為農(nóng)灌排水渠，但是高王村等村落的生活污水和生活垃圾也排放到該渠中，渠底淤積嚴(yán)重。王年溝是駱崗機(jī)場(chǎng)區(qū)域的排洪溝。許小河位于合肥市東南部，為十五里河中游的一條支流，屬城市內(nèi)河。圩西河位于十五里河下游，主河道長(zhǎng)約5 km，上游是一個(gè)小型水庫(kù)。還有來(lái)自合肥市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)部分區(qū)域的雨水轉(zhuǎn)輸（塘西河雨水轉(zhuǎn)輸管），雨水轉(zhuǎn)輸管覆蓋的徑流面積約為25.9 km2。

十五里河上游位于合肥市市區(qū)，主要為合肥市政務(wù)中心所在地以及居民區(qū)，生活污水是其重要的水量來(lái)源。雖然天鵝湖風(fēng)景區(qū)水質(zhì)較好，但天鵝湖壩下水質(zhì)出現(xiàn)明顯惡化，該處附近原有的江淮化肥廠和紅四方化工集團(tuán)兩個(gè)化肥生產(chǎn)企業(yè)也已在近10年陸續(xù)停產(chǎn)、搬遷[5]。十五里河中游為城市在建區(qū)，主要用于商品住宅和工業(yè)園區(qū)建設(shè)。下游則多為農(nóng)田和魚(yú)塘等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，農(nóng)業(yè)排水渠較多且直接連接河流，面源污染較嚴(yán)重。綜上所述，在巢湖主要出入湖河流中，十五里河是污染最嚴(yán)重的河流之一，污染類型復(fù)雜多樣，也是巢湖污染物的主要來(lái)源之一。

1.2 樣品采集與前處理

2017年8月，對(duì)十五里河巢湖至天鵝湖河段進(jìn)行實(shí)地考察，自下游向上游設(shè)置了8個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。其中S1位于十五里河靠近入湖口處，希望橋下;S2位于排污口附近;S3位于十五里河支流圩西河入河口附近，且附近為前楊村橋;S4位于排污口處，且附近為大板橋所在地;S5位于許小河和十五里河交匯處;S6靠近排污口處，其附近為高王橋;S7是以藥品制造廠為主的排污口處，且為河流拐彎，水流極緩，與河流連接處設(shè)有堤壩;S8位于兩處溢流壩中間。其中S1～S3位于十五里河下游河段，S4和S5位于十五里河中游河段，S6、S7和S8位于十五里河上游河段。由于S5以上河段大部分河床裸露、水流較急，而該河段內(nèi)部分地方攔河壩可能進(jìn)行了底泥清淤處理，沉積物多為砂質(zhì)，因此，S5以上河段布設(shè)的采樣點(diǎn)較少。

2018年3月，采用抓斗式底泥采樣器對(duì)0～10 cm的表層沉積物進(jìn)行采集，一個(gè)采樣點(diǎn)3個(gè)混合樣，每個(gè)混合樣用抓斗式底泥采樣器抓3次，混合起來(lái)，用自封袋進(jìn)行封裝，裝入放有冰袋的冷藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室。去除肉眼可見(jiàn)的細(xì)根、礫石等雜物，將采集的沉積物部分研磨后，過(guò)200目篩，再用Elementar元素分析儀測(cè)定其地球化學(xué)元素含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析 用Mricrosoft Excel 2016、SPSS 25和Matlab 2018a進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。河流元素上下游分布差異采用Kruskal Wallis Test進(jìn)行分析，金屬元素與環(huán)境變量間的關(guān)系用RDA進(jìn)行描述。

2 結(jié)果與分析

2.1 十五里河河流沉積物元素及化合物總體分布情況 河流以其巨大的水流能量作用于河床及兩岸，在地殼風(fēng)化物質(zhì)風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積過(guò)程中扮演著重要角色。河流作用下元素間的相關(guān)關(guān)系增強(qiáng)，對(duì)地球化學(xué)元素的分配起了一定的集聚和混勻作用。河流作用中自然力量和人為活動(dòng)影響在地球化學(xué)元素分配的影響上是一種疊加關(guān)系[2]。河流沉積物元素中，除去無(wú)明顯分布規(guī)律的數(shù)據(jù)，仍有部分元素沿著河流上游至下游含量逐漸發(fā)生變化，如表1所示?？梢?jiàn)這些元素受到了河流的自然作用分配。

2.2 十五里河河流沉積物中CaO、Sr、Nb、La、Ti的分布規(guī)律

從表1中剔除與不同河段樣點(diǎn)分布無(wú)明顯相關(guān)性的元素，發(fā)現(xiàn)CaO、Sr自河流上游向下游呈遞減趨勢(shì)，如圖2所示。這些元素具有明顯的同源性。這是由于Sr元素可以與冷水發(fā)生反應(yīng)，而研究區(qū)降水豐富，因此河流中Sr濃度較低[20]。

圖3表明，Nb、La、Ti 自十五里河上游至下游呈遞增趨勢(shì)。在河流作用下，元素之間相關(guān)關(guān)系可能會(huì)增強(qiáng)，從而使地球化學(xué)元素的分布產(chǎn)生了聚集效應(yīng)。表明這些元素具有明顯的同源性。在下游Nb、La、Ti等主要來(lái)自巖石圈母質(zhì)的元素含量偏高，表明是母質(zhì)中的物質(zhì)在水動(dòng)力作用下在河流下游發(fā)生了集聚效應(yīng)。

2.3 十五里河河流沉積物中Cu、P、Ni、MgO、S、Ba、Pb的分布規(guī)律

圖4 表明，Cu、P、Ni、MgO、S、Ba、Pb等元素及化合物，自十五里河下游往上游呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但在樣點(diǎn)7附近含量偏高，達(dá)到全流域含量的峰值，這可能與人類活動(dòng)污染及移動(dòng)性大小有關(guān)。在河流中污染源往往在不同河段的污染中起決定性作用[3]。 P、Cu、Pb、Ni、MgO、S、Ba、Pb等元素在樣點(diǎn)7附近含量偏高甚至達(dá)到峰值。這可能與樣點(diǎn)7附近曾經(jīng)存在污水廠之類的點(diǎn)源污染物排放[21]有關(guān)。由于污染源控制，污染范圍相對(duì)集中在樣點(diǎn)7附近，排污口對(duì)河流進(jìn)行外源輸入，影響到河流地球化學(xué)元素的構(gòu)成。即使水體的自凈能力可以進(jìn)行適度恢復(fù)，使一些污染元素的污染強(qiáng)度適度降低，但是工業(yè)廢水和城市生活污水的排放以及農(nóng)業(yè)面源污染都可能會(huì)向河流輸入大量的金屬元素，而這些元素本身的特性使其在環(huán)境中不易降解，長(zhǎng)期留存于環(huán)境中，對(duì)環(huán)境造成持續(xù)性污染[22]。河流沿岸地球化學(xué)元素的變化不僅表現(xiàn)在受河水對(duì)巖石和土壤風(fēng)化侵蝕搬運(yùn)作用的影響，還與人類的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)[23]。僅靠水體的自凈能力無(wú)法恢復(fù)，造成部分元素的異常分布。

有研究表明，在沉積物的重金屬元素含量之間，Cu與Cr，Cd與Hg呈現(xiàn)較好的相關(guān)性[10]。從整條流域上看，十五里河河流沉積物中的重金屬元素在中游地區(qū)最嚴(yán)重，且各金屬之間也呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。該河重金屬污染特征總體上處于中污染狀態(tài)。C/N比表明十五里河沉積物中有機(jī)質(zhì)主要以外源輸入為主[24]。水體中溶解態(tài)重金屬極易發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)移到沉積物中，同時(shí)也可以從沉積物中溶解進(jìn)入水體[25]。即這些元素的分布特征與人類活動(dòng)和元素自身的遷移性質(zhì)有關(guān)。

2.4 十五里河河流沉積物中SiO2、Rb、Zn、Al2O3的分布規(guī)律

圖5表明，SiO2在樣點(diǎn)7附近含量偏低。研究區(qū)域水資源豐富，河流作用顯著，隨河流高程降低，其SiO2含量增加，顯示表生水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，石英等難溶性礦物隨水遷移。SiO2含量在樣點(diǎn)7附近偏低，可能是由于附近排污口水動(dòng)力作用較強(qiáng)、SiO2遷移性較強(qiáng)所致[26]。

圖6表明，Rb、Zn、Al2O3在樣點(diǎn)7附近含量異常偏高。Rb是Li、Cs等金屬冶煉過(guò)程中的副產(chǎn)物。在現(xiàn)代工業(yè)中，Zn在電池制造等行業(yè)占據(jù)不可替代的地位。有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)是全球最大的Al2O3生產(chǎn)國(guó)，隨著我國(guó)電解鋁、陶瓷、醫(yī)藥、電子、機(jī)械等行業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)Al2O3的需求量越來(lái)越大。再結(jié)合樣點(diǎn)7附近曾經(jīng)的排污狀況，以上幾種元素和化合物可能是在河流作用下發(fā)生遷移，又受到外源釋放的影響;或者曾經(jīng)受到外源釋放的影響，釋放的污染物沒(méi)有得到及時(shí)有效地清除，仍以內(nèi)源釋放的方式影響河流沉積物的元素構(gòu)成。

3 結(jié)論

筆者針對(duì)十五里河河流沉積物地球化學(xué)元素的分布特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其河流沉積物的元素構(gòu)成以母質(zhì)等地質(zhì)條件影響為主。除CaO、Sr、SiO2外，大部分元素的空間分布與河流上下游并無(wú)明顯的相關(guān)性，其主要受到母質(zhì)作用的影響;河流作用影響了Ca、Nb等元素的分布特征，使其從上游到下游遞減或遞增;在采樣點(diǎn)7附近部分元素含量達(dá)到峰值或異常升高，主要是由于受到人類活動(dòng)污染，并且可能伴隨著元素遷移性的影響。

該研究區(qū)域水資源豐富，河流作用顯著。但是不同河段土地利用方式存在差異，十五里河曾經(jīng)存在污水廠等點(diǎn)源污染物排放，因而陸源物質(zhì)輸入存在差異，促使沉積物物理化學(xué)性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)狀況及污染狀況發(fā)生改變，進(jìn)而影響十五里河流域不同河段河流沉積物的元素構(gòu)成，并導(dǎo)致河流產(chǎn)生外源釋放。外源釋放和河流作用的共同影響，造成污染元素的沉積。

母質(zhì)等地質(zhì)因素是研究區(qū)元素種類構(gòu)成的主要因素，河流的搬運(yùn)、侵蝕和沉積等自然過(guò)程是影響地球化學(xué)元素構(gòu)成的首要因素。人為活動(dòng)可以在河流自然作用下對(duì)河流元素的分布進(jìn)行再分配，而不同元素由于自身的遷移性不同展現(xiàn)出更加多樣的分布規(guī)律。兩種力量共同作用，相互疊加共同形成十五里河上中下游元素分配的特有特征。

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