南方某城市典型供水水庫沉積物重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險

徐苑, 鄧培雁

南方某城市典型供水水庫沉積物重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險

徐苑, 鄧培雁

華南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廣州 510631

水庫在城市飲用水供給中發(fā)揮著舉足輕重的作用, 以南方城市某典型供水水庫為研究對象, 研究了8種重金屬的水平及垂直分布特征, 分析并評價了重金屬的來源、污染程度及其潛在生態(tài)危害。數(shù)據(jù)顯示: Hg、As、Pb、Cu、Ni、Cr、Mn、Zn的含量范圍分別為0.019—0.128 mg·kg–1, 0.86—4.81 mg·kg–1, 51.2—83.2 mg·kg–1, 2.3—22.8 mg·kg–1, 3.2—98.3 mg·kg–1, 5.2—121.6 mg·kg–1, 233—706 mg·kg–1, 33.7—241.7 mg·kg–1, Pb、Mn、Zn 3種元素全庫沉積物平均含量超過廣東省土壤元素背景值, Cr、Ni在庫尾部大量蓄積。垂直方向上大部分金屬的含量隨著沉積物的堆積而增加。單因子污染指數(shù)、地累積指數(shù)均顯示水庫沉積物受到Mn、Pb、Zn的輕度污染, 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)顯示水庫目前處于較低的生態(tài)風(fēng)險。相關(guān)性分析顯示Cr、Ni極顯著相關(guān)(<0.01), 主成分分析顯示庫區(qū)重金屬主要來源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸以及庫區(qū)西北部的水土流失?？傮w來說, 雖然整體庫區(qū)處于輕微污染狀態(tài), 但庫尾部的污染風(fēng)險不容忽視。在水庫的管理過程中, 庫區(qū)周圍的水土流失應(yīng)引起有關(guān)部門的重視, 應(yīng)提高水庫周圍的植被覆蓋度, 并減少人類活動對水庫的干擾。

水庫; 沉積物; 重金屬; 潛在生態(tài)風(fēng)險

0 前言

重金屬作為地表水環(huán)境最主要的污染物之一[1], 具有難降解、生物富集和生物放大的特性[2,3], 能通過食物鏈危害人體健康, 對生物體及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的危害[4–6]。水庫作為一種半自然人工生態(tài)系統(tǒng), 在城市供水中發(fā)揮著舉足輕重的作用[7,8], 由于其相對封閉, 水體停滯時間較長, 進入水體中的重金屬等污染物易于沉降并被吸附至沉積物中[9,10]。當(dāng)外界條件發(fā)生改變時, 蓄積在沉積物中的重金屬污染物會被釋放進入水體[11,12], 不僅威脅水庫的供水安全, 甚至?xí)：θ梭w健康[13]。

在我國, 飲用水通常來自河流, 湖泊和人工水庫。近年來, 隨著城市的快速發(fā)展, 城市廢物排放、工業(yè)生產(chǎn)、礦產(chǎn)開采, 化學(xué)肥料和農(nóng)藥的不當(dāng)使用產(chǎn)生了大量重金屬污染物[14–16], 這些污染物可以通過大氣沉降、地表徑流、土壤侵蝕等各種方式進入水體并沉積[17,18]。除此之外, 含有重金屬或其他有害物質(zhì)的廢水會被非法排放或意外泄漏, 直接或間接進入流域生態(tài)系統(tǒng)或供水源, 威脅水源水質(zhì)安全, 因此, 飲用水源的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)受到重視, 因為它與當(dāng)?shù)鼐用竦慕】得芮邢嚓P(guān)。位于城市區(qū)域的供水水庫, 因其周圍人類活動頻繁, 從而面臨著更高的污染風(fēng)險, 為了保障其供水能力, 探究其沉積物中重金屬的含量分布及生態(tài)風(fēng)險顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對許多大型水庫進行了研究, 一些學(xué)者調(diào)查了沉積物中重金屬的化學(xué)形態(tài)、水平和垂直分布狀況以了解沉積物中重金屬的含量及分布[19–21], 并運用地質(zhì)累積指數(shù)[22], 單因子污染指數(shù)[23], 污染負(fù)荷指數(shù)[24]、富集因子[25]、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)[23]等方法來研究沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險, 運用聚類分析[26]、相關(guān)性分析[27]、主成分分析[28]等分析方法判斷污染物的來源。研究表明, 許多水庫正在面臨較高的重金屬危害風(fēng)險, 且污染多源自工業(yè)生產(chǎn), 人類活動, 交通工具排放等[29–32]。因此, 研究水庫沉積物中重金屬的濃度、分布、生態(tài)風(fēng)險以及污染來源, 對于保障水庫水環(huán)境安全具有重要的理論和現(xiàn)實意義。評價重金屬污染的方法中, 地質(zhì)累積指數(shù)同時考慮了人為活動和背景值, 可以定量反映重金屬的污染程度, 客觀評價人類活動對環(huán)境的影響; 單因子污染指數(shù)可以簡單直觀地反映沉積物中某重金屬的蓄積狀態(tài); 而潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)因其可以反映沉積物中多種重金屬的綜合環(huán)境效應(yīng)在全球范圍內(nèi)被廣泛運用, 結(jié)合多種方法綜合分析, 可以使評價結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

我國珠三角地區(qū)城市群體量龐大, 人口密集, 經(jīng)濟發(fā)達, 有著極大的水資源需求, 雖然降水豐富, 但水資源時空分布不均, 城市區(qū)域蓄水能力不足且珠江、東江等水系污染嚴(yán)重, 導(dǎo)致水資源緊缺, 城市水庫的供水功能顯得愈發(fā)重要。因此, 基于供水安全的考慮, 研究城市區(qū)域供水水庫沉積物重金屬污染狀況對了解其對供水水質(zhì)的影響具有重要意義。本文以南方城市某典型供水水庫為研究對象, 研究了沉積物中重金屬的分布規(guī)律, 分別運用地積累指數(shù)、單因子污染指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對水庫沉積物中的重金屬污染狀況進行評價, 并分析重金屬的可能來源, 以期為城市供水水庫的飲用水資源保護及水庫管理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與采樣點

該水庫位于廣東省境內(nèi), 建于1981年, 水庫集雨面積9.93km2, 正常蓄水位62.5 m, 正常庫容1.448×107m3, 總庫容1.754×107m3, 屬中型水庫, 是東江水源工程的調(diào)蓄水庫之一, 兼具供水、防洪等功能。采用棋盤式布點法, 按照(100 m×100 m)—(200 m×200 m)網(wǎng)格布點, 采樣點設(shè)置在每個網(wǎng)格的中心位置,共布設(shè)55個采樣點, 分布見圖1。調(diào)查范圍的水域面積為5.3×105m2。

1.2 樣品采集與分析

現(xiàn)場利用手持式GPS記錄采樣點經(jīng)度、緯度等地理信息, 采用奧地利產(chǎn)Uwitec采泥器采集0—60 cm深柱狀沉積物樣品, 每個樣點采集3—5個柱狀沉積物, 用上頂法將泥柱3等分為上、中、下三層, 每層20 cm, 將同層樣品混合, 裝入聚乙烯封口袋密封, 自然風(fēng)干去除礫石, 研磨過100目篩, Cr、Cu、Mn、Ni、Zn、Pb采用HCl-HNO3-HF法在微波消解儀(TOPES)中消解, 并用ICP-OES(Optima 2100DV)測定重金屬含量, Hg、Pb采用(1﹕1)王水沸水浴消解, 原子熒光光度計(AFS-930)進行測定。

圖1 采樣點分布示意圖

Figure 1 Locations of the sampling sites

1.3 質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理

消解樣加已知濃度標(biāo)準(zhǔn)物進行加標(biāo)實驗, 每個樣品平行測定兩次, 結(jié)果以均值表示以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。運用SPSS 22等軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、聚類分析等統(tǒng)計分析, 運用Origin 2017 和Surfer 14 等軟件進行圖形的繪制。

1.4 評價方法

1.4.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法由德國科學(xué)家Muller提出, 被廣泛用于沉積物質(zhì)量分析以評估重金屬的污染水平[22,33], 其計算公式為:

式中: l為地積累指數(shù),C為沉積物中的重金屬濃度,B為當(dāng)?shù)爻练e物元素的背景值(本研究采用廣東省土壤重金屬背景值作為參比來綜合評判),是為了適應(yīng)背景值的變化而設(shè)置的系數(shù), 本文取= 1.5。地積累指數(shù)的分級方式見下表:

1.4.2 單因子污染指數(shù)

重金屬單因子污染指數(shù)[34]表示沉積物中重金屬的污染狀態(tài),其計算公式為:

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson[16]提出的沉積物評價方法, 該法可以綜合反映沉積物中多種元素的生態(tài)風(fēng)險。計算公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物重金屬含量及空間分布

沉積物重金屬含量顯示(表4), 不同重金屬含量差異較大。平均含量大小順序依次為Mn>Zn>Cr> Ni>Pb>Cu>As>Hg。元素Hg的平均含量最低, 為0.055 mg·kg–1, 而元素Mn的平均含量最高, 達到462 mg·kg–1, 與廣東省土壤重金屬背景值相比, Pb、Mn、Zn平均含量均超過廣東省土壤元素背景值, 分別為背景值的1.81、1.66和2.15倍。

表1 地累積指數(shù)評價等級

表2 單因子污染指數(shù)評價等級

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)等級劃分

與廣東省其他水庫相比較, 該水庫各種重金屬的平均含量均小于粵東[36]及粵北地區(qū)[32]。除Pb外, 其他重金屬的平均含量也均小于粵西地區(qū)[37]。除Pb、Zn與惠州地區(qū)部分水庫含量一致, 其他重金屬的平均含量也均小于惠州地區(qū)。可見該水庫重金屬的污染程度并不嚴(yán)重。

采用克里格插值法繪制水庫沉積物重金屬含量的等值線圖(見附圖2), 從分布圖來看, 8種重金屬的空間分布存在一定的差異。Hg、Pb在整體庫區(qū)差異較小, 含量相對較高的區(qū)域主要集中在庫區(qū)邊緣地帶, 近壩區(qū)域含量相對較低。As較高的地區(qū)分布在庫中到庫尾區(qū)域, Cr、Ni在庫區(qū)的分布特征高度一致, 庫尾含量最高, 其他區(qū)域含量均較低。Cu、Zn含量較高的區(qū)域分布在庫尾靠近水庫邊緣地帶, 而Mn在庫尾、庫中以及近壩區(qū)域含量較高?？傮w來說, 重金屬的含量由庫區(qū)北部到南部呈現(xiàn)降低的趨勢, 即從入庫區(qū)到大壩區(qū)逐漸減低, 這可能是雨水?dāng)y帶重金屬進入水庫造成的空間差異。

表4 水庫沉積物重金屬含量特征

Figure 2 Distributions of heavy metals in sediments of the reservoir

垂直方向上(見附圖3), 從下層到上層, Hg的含量并未有明顯增加。As的含量有輕微的升高。Pb的含量在整體庫區(qū)均有升高。Mn的含量在近壩區(qū)域增量較為明顯。Cr、Ni在庫中至近壩區(qū)域有輕微增加, 但在庫尾增速非常迅猛, 說明在此沉積階段, 該區(qū)域受到Cr、Ni的污染較為嚴(yán)重。Cu、Zn的含量在近壩區(qū)域輕微增加, 庫尾增量較為明顯。

有學(xué)者對丹江口水庫支流入庫區(qū)域沉積物重金屬的研究發(fā)現(xiàn), 河流入庫區(qū)重金屬含量水平明顯高于入庫支流以及庫區(qū)中心位置, 說明污染物質(zhì)較易在入庫區(qū)域沉積[38]。本研究中庫區(qū)的水源來源為天然降雨, 重金屬在庫尾的較高蓄積, 表明污染物質(zhì)很大程度上是從庫尾進入庫區(qū), 與庫尾部的水土流失有著密切的關(guān)系。因此, 對水庫重金屬進行管理有必要重點關(guān)注污染物的入庫途徑, 并采取針對性的管理措施。

Figure 3 Distribution of heavy metals in each layer in sediments

2.2 沉積物重金屬污染評價

2.2.1 地積累指數(shù)

該水庫8種重金屬I大小順序為Zn>Pb>Mn> Hg>Ni>Cu>Cr>As。其中As、Cr、Cu、Hg、Ni的全庫平均I均小于0, 表示水庫整體未受到此5種重金屬的污染。但在庫尾西部灣區(qū),I顯示該區(qū)域Cr為輕度污染, Ni為中度污染。Mn、Pb、Zn的全庫平均I處于0—1之間, 表示水庫整體受到此3種重金屬的輕度污染。

2.2.2 重金屬單因子污染指數(shù)

沉積物中各重金屬的全庫平均污染指數(shù)范圍為0.34-2.14, 污染指數(shù)大小依次為: Zn>Pb>Mn>Ni> Hg>Cu>Cr>As。As、Cr、Cu、Hg、Ni 5種重金屬的全庫平均污染指數(shù)分別為0.34、0.41、0.50、0.70、和0.78, 顯示水庫整體未受到此5種重金屬的污染。但Cr、Ni在庫尾西部灣區(qū)的指數(shù)則明顯偏高, 分別為2.41和6.83, 顯示Cr在該點位處于輕度污染, Ni在該點位處于中度污染。Mn、Pb、Zn的全湖平均污染指數(shù)分別為1.66、1.76和2.14, 顯示水庫受到此3種重金屬的輕度污染, Mn在庫中及近壩區(qū)域污染較其他區(qū)域高, 而Pb、Zn的污染區(qū)域則主要分布在庫尾。

2.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

各單項重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小順序為Hg>Pb>Ni>As>Cu>Zn>Mn>Cr, 說明沉積物中各種重金屬均處于輕微潛在生態(tài)風(fēng)險。多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為50.98, 處于輕微潛在生態(tài)風(fēng)險等級, 說明水庫整體僅受到輕微的生態(tài)風(fēng)險威脅。指數(shù)相對較高的點位分布在庫區(qū)中到北部, 說明此區(qū)域重金屬生態(tài)風(fēng)險較高。

不同重金屬對綜合潛在生態(tài)風(fēng)險的貢獻大小順序為Hg>Pb>Ni>As>Cu>Zn>Mn>Cr。Hg的貢獻最大, 占55.19%, Pb的貢獻率為17.44%, Hg和Pb對潛在生態(tài)風(fēng)險有較高的貢獻, 雖然是輕微風(fēng)險, 也要引起足夠的重視。

圖4 水庫沉積物重金屬地積累指數(shù)分布

Figure 4 Geoaccumulation index of heavy metals in the sediments of the reservoir

圖5 水庫沉積物重金屬單因子污染指數(shù)分布

Figure 5 Contamination factor of heavy metals in the sediments of the reservoir

圖6 沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布

Figure 6 Spatial distribution of potential ecological risk of heavy metals in sediments

2.3 水庫沉積物污染來源分析

元素之間的相關(guān)程度可以表明元素的來源[39-42]。該水庫Cu、Cr、Ni 3種重金屬兩兩之間呈顯著正相關(guān)(<0.01), 說明這3種重金屬具有同源性, Zn分別和Hg、Cu呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(<0.05,<0.01), Pb和As呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(<0.01), 說明這些元素存在一定的相似來源。

運用主成分分析法對重金屬的來源進行進一步的分析, 并結(jié)合水庫周邊的地形圖對重金屬的來源進行判斷。計算并提取特征根大于1的主成分, 共提取出2個主成分, 共解釋了總方差的60.85%, 表示沉積物中的8種重金屬可以由這兩個主要成分表示。主成分1解釋了總方差變量的34.63%, 元素Cu、Zn、Hg、As在該成分上具有較高的載荷, 說明主成分1與Cu、Zn、Hg、As有較強的相關(guān)性, 說明其來源存在相似性; 主成分2解釋了總方差變量的26.22%, Cr、Ni、Mn、Pb在該主成分上具有較高的載荷, 說明主成分2與Cr、Ni、Mn、Pb有較強的相關(guān)性。

依據(jù)相關(guān)性分析及主成分分析, 可以將水庫沉積物重金屬分為兩類, 第一類包括Cu、Zn、Hg、As, 第二類包括Cr、Ni、Mn、Pb。

有研究表明, Cu可能來源于有色金屬開采冶煉的排放物, 煤的燃燒, 含銅農(nóng)藥的使用以及金屬加工等[43], Zn可能來源于含鋅復(fù)合肥, 交通運輸, 工業(yè)生產(chǎn)等[44], Hg、As則常來源于工業(yè)生產(chǎn)[45,46], 庫區(qū)東南側(cè)有果園分布, 果農(nóng)在農(nóng)業(yè)活動中通常使用農(nóng)藥化肥以增加產(chǎn)量并提高經(jīng)濟效益, 因此, 推斷Cu、Zn可能源自農(nóng)業(yè)活動是合理的。水庫東側(cè)及南側(cè)緊鄰交通干道, 交通運輸頻繁, 且水庫東側(cè)與南側(cè)為人員密集的城市區(qū)域, 人類活動頻繁, 不僅有生活區(qū)域, 更有工業(yè)區(qū)分布, 汽車尾氣以及工業(yè)廢氣的排放極有可能通過大氣沉降或地表徑流等途徑進入水庫并蓄積, 因此可以認(rèn)為一類重金屬來源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動及交通運輸。

表5 沉積物中重金屬的相關(guān)矩陣

注: *表示在<0.05水平上顯著相關(guān), **表示在<0.01水平上顯著相關(guān)。

圖7 主成分載荷圖

Figure 7 Loading values of the principal components

水庫北側(cè)、西北側(cè)為泥渣土受納場, Cr、Ni在庫區(qū)大部分區(qū)域均未超過土壤環(huán)境背景值, 但在靠近受納場的庫尾區(qū)域有大量的蓄積, Mn在庫尾也有大量蓄積, 位于庫區(qū)北部的受納場一直以來接收建筑垃圾、工業(yè)垃圾的填埋, 受納場地表裸露, 大量雨水在雨季會攜帶重金屬隨地表徑流進入水庫并沉積, 除此之外, 土壤間隙水也會攜帶重金屬通過滲流進入水庫, 從而引起水庫沉積物重金屬污染, 因此可以認(rèn)為二類重金屬來自泥渣土受納場。

3 討論與結(jié)論

庫區(qū)重金屬的平均含量介于0.055—462 mg·kg–1。Pb、Mn、Zn 3種重金屬的全湖沉積物平均含量分別超過廣東省土壤元素背景值1.81、1.66、2.15倍; 除Hg外, 其他金屬的沉積量均逐年增加。從空間分布來看, 多數(shù)重金屬的沉積范圍表現(xiàn)為由庫尾向近壩擴散, 在垂直方向上的沉積量也逐漸增加。單因子污染指數(shù)結(jié)果表明, Mn、Pb、Zn有輕微富集, 處于輕度污染狀態(tài)。地累積指數(shù)結(jié)果表明, 沉積物受到Mn、Pb、Zn的輕度污染。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)表明, 庫區(qū)處于輕微生態(tài)風(fēng)險, 但Hg和Pb是生態(tài)風(fēng)險較高的兩種元素。總體來看, 水庫沉積物處于輕度污染, 但庫尾生態(tài)風(fēng)險較其他區(qū)域高。3種評價方法的結(jié)果較為一致, 評價結(jié)果合理可靠。來源分析表明,重金屬Cu、Zn、Hg、As來源相似, 主要的可能來源為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動及交通運輸; Cr、Ni、Mn、Pb來源相似, 主要的可能來源為庫區(qū)北側(cè)的泥渣土受納場。

研究發(fā)現(xiàn), 城市水庫易于受到重金屬的污染且污染多來源于人類活動, 在水源地周圍運行泥渣土受納場會對水庫水質(zhì)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅, 是非常不合理的。應(yīng)提高水庫周圍的植被覆蓋度, 減少水土流失, 工業(yè)生產(chǎn)及交通的規(guī)劃應(yīng)盡可能遠離水庫, 減少人類活動對水庫的干擾。

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Distribution characteristics and ecological risk of heavy metals in sediments of a typical water supply reservoir in a southern city

XU Yuan, DENG Peiyan

School of Environment, South China Normal University, Guangzhou 510631, China

Reservoirs play a vital role in supplying water for cities. Taking a typical water supply reservoir in a southern city as the research object, this paper researched the content and the vertical distribution characteristics of eight heavy metals in reservoir sediments. It also analyzed and evaluated the origins of those metals, the pollution degree, as well as the potential ecological risk. The data showed that the contents of Hg, As, Pb, Cu, Ni, Cr, Mn, and Zn in the sediments were 0.019-0.128 mg·kg–1, 0.86-4.81 mg·kg–1, 51.2-83.2 mg·kg–1, 2.3-22.8 mg·kg–1, 3.2-98.3 mg·kg–1, 5.2-121.6 mg·kg–1, 233-706 mg·kg–1, and 33.7-241.7 mg·kg–1. According to the data, the average content of Pb, Mn and Zn in the sediments of the reservoir exceeded the background values in Guangdong Province. And there were lots of accumulation of Cr and Ni at the tail of the reservoir. Vertically, the content of most metals increased as the accumulation of the sediments increased. The contamination factor and the geoaccumulation index both showed that the sediments of the reservoir were slightly polluted by Mn, Pb, and Zn. The potential ecological risk index showed that the reservoir was at a relatively low risk. The correlation analysis showed that Cr and Ni were significantly correlated (< 0.01). The principal component analysis showed that the heavy metals in the reservoir were mainly generated from the production of both industry and agriculture, the transportation, and the soil erosion in the northwest of the reservoir. All in all, though the whole reservoir is polluted slightly, the pollution risk in the tail area of the reservoir should not be neglected.While managing the reservoir, the soil erosion around the reservoir should be paid more attention. Moreover, the coverage of vegetation around the reservoir should be increased, and the interference of human activities on the reservoir should be reduced as well.

reservoir; sediment; heavy metal; potential ecological risk

徐苑, 鄧培雁, 等. 南方某城市典型供水水庫沉積物重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(4): 149–160.

XU Yuan, DENG Peiyan. Distribution characteristics and ecological risk of heavy metals in sediments of a typical water supply reservoir in a southern city[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 149–160.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.017

X524; X820.4

A

1008-8873(2021)04-149-12

2020-02-11;

2020-03-16

廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2020-33)

徐苑(1993—), 女, 碩士研究生, 主要從事生態(tài)污染方面研究, E-mail: xuyuansl@163.com

鄧培雁, 教授, E-mail: dpy213@ 126.com