紫坪鋪水庫淤積物物化特性分析及重金屬污染評價

李洪 由麗華 李昆鵬 石華偉 王丹柏

摘 要：為了掌握紫坪鋪水庫淤積物的物化特性及重金屬污染特征、給淤積物多途徑資源利用提供理論依據(jù)，基于庫區(qū)21個淤積物深層樣品測定結(jié)果，采用重金屬地累積指數(shù)法、富集系數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，對紫坪鋪水庫淤積物物化特性及重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析評價。結(jié)果表明：截至2020年10月，紫坪鋪水庫淤積物總量為1.952億m3，其中黏土約0.381億m3、粉細(xì)沙約1.424億m3、中粗沙及卵石約0.147億m3，分別占淤積物總量的19.5%、73.0%、7.5%;淤積物濕容重平均值為1.7 g/cm3、干容重平均值為1.2 g/cm3、含水率平均值為46%，自上游庫尾至壩前濕容重沿程變化較小、干容重沿程有減小趨勢、含水率沿程有增大趨勢;淤積物主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO組成，這4種氧化物約占80%;各取樣點(diǎn)淤積物均為堿性，pH值自上游向下游有減小趨勢;淤積物中氮磷鉀總含量滿足土地改良所需養(yǎng)分要求，但有機(jī)質(zhì)含量相對較低;淤積物中Cd、Hg、Cu、Ni、As、Pb、Cr、Zn這8種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，大部分取樣點(diǎn)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為輕度，但壩前庫區(qū)部分取樣點(diǎn)Cd和Hg有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：淤積物;物化特性;重金屬;有機(jī)質(zhì);紫坪鋪水庫

中圖分類號：X524;TV697.2+2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.028

引用格式：李洪，由麗華，李昆鵬，等.紫坪鋪水庫淤積物物化特性分析及重金屬污染評價[J].人民黃河，2021，43（12）：139-142，146.

Abstract： In order to grasp the physicochemical characteristics and heavy metal pollution characteristics of Zipingpu Reservoirs silt， and provide a theoretical basis for the utilization of silts multi-channel resources， based on the measurement results of 21 silt deep samples in the reservoir area， the heavy metal accumulation index method， the enrichment coefficient method and the potential ecological risk index method were used to analyze and evaluate the physicochemical characteristics of Zipingpu Reservoir silt and the risk of heavy metal pollution. The results show that as of October 2020， the total amount of silt in Zipingpu Reservoir is 195.2 million m3， of which clay is about 38.1 million m3， silty fine sand is about 142.4 million m3， medium-coarse sand and pebbles are about 14.7 million m3. Correspondingly， they accounted for 19.5%， 73.0%， and 7.5% of the total sludge. The average wet bulk density and dry bulk density of sedimentation is 1.7 g/cm3 and 1.2 g/cm3， respectively， and the average moisture content is 46%. From the upstream end of the reservoir to the front of the dam， the wet bulk density has a small change along the way， and dry bulk density has a decreasing trend along the way， thus the water content has an increasing trend along the way. The sludge is mainly composed of SiO2， Al2O3， Fe2O3， and CaO， and these account for about 80% of the total content. The sludge at each sampling point is alkaline， and the pH value decreases from upstream to downstream. The total content of nitrogen， phosphorus， and potassium in the sludge meets the nutrient requirements for land improvement， but the organic matter content is relatively low. The heavy metals Cd， Hg， Cu， Ni， As， Pb， Cr， and Zn in the sludge have low comprehensive potential ecological risks. Most of the sampling sites have a low comprehensive potential ecological risk of heavy metals， but Cd and Hg in some sampling points in the reservoir area of the dam have a medium potential ecological risk.

Key words： silt; physicochemical properties; heavy metals; organic matter; Zipingpu Reservoir

紫坪鋪水庫距成都市約60 km，是以灌溉和供水為主兼顧發(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合利用的水利樞紐工程。受2008年汶川地震影響，庫區(qū)兩岸山體穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致暴雨時泥石流、山體滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)并加速了庫區(qū)淤積，至2020年10月累計(jì)淤積量達(dá)1.952億m3，攔沙庫容淤損87.1%[1]，嚴(yán)重影響了水庫的功能和壽命。未來大規(guī)模開展水庫清淤疏浚將是恢復(fù)淤損庫容的最有效方式，對清出的淤積物進(jìn)行多途徑資源利用是減少其占用土地、避免二次污染的方向[2-6]，而淤積物物化特性及重金屬污染評價研究可為其多途徑資源利用提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 水庫淤積物樣品采集

根據(jù)紫坪鋪水庫干支流泥沙淤積狀況，按照均勻、全面的原則，于2020年從壩前至庫尾共布設(shè)21個深層取樣點(diǎn)，其中：干流15個（從壩前向庫尾編號依次為1～15），支流龍溪河3個（從溝口向上游編號依次為16～18）、壽溪河3個（從溝口向上游編號依次為19～21）。深層取樣采用黃河水利科學(xué)研究院自主研發(fā)的DDC-Z-3型深水水庫低擾動取樣器[7]，采集淤積物表層以下4 m范圍內(nèi)柱狀樣，樣品直徑為75 mm，將樣品直接封存于取樣管內(nèi)并垂直放置、運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待測。

1.2 樣品處理及檢測方法

樣品經(jīng)自然風(fēng)干，剔除植物枯枝及根系、礫石等，過2 mm干篩備試。參照水利部發(fā)布的《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）及相關(guān)研究方法[8-10]，采用馬爾文MasterSizer2000型激光粒度儀測定樣品顆粒級配，采用烘干法測定含水率、容重，采用PHS-3C pH計(jì)測定pH值，采用凱氏定氮法、重鉻酸鉀-容量法測定營養(yǎng)鹽指標(biāo)，采用X射線熒光光譜儀、等離子體發(fā)射光譜儀測定化學(xué)組成，采用NexI0N300X型電感耦合等離子質(zhì)譜儀、原子熒光光度計(jì)測定重金屬含量。

1.3 重金屬評價方法

地累積指數(shù)法和富集系數(shù)法是廣泛用于評價淤積物中重金屬污染程度的方法[11-12]，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是表征重金屬對生態(tài)環(huán)境影響程度的綜合指標(biāo)[13]，本研究將它們用于紫坪鋪水庫淤積物重金屬污染評價。

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法利用淤積物中某重金屬（本研究對紫坪鋪水庫淤積物進(jìn)行評價的重金屬主要有Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg）的含量與其地球化學(xué)背景值的關(guān)系即地累積指數(shù)Igeo，直觀反映該外源性重金屬在淤積物中的富集程度。根據(jù)被評價重金屬地累積指數(shù)Igeo的大小將淤積物被該重金屬污染的程度分為7級，見表1。重金屬地累積指數(shù)Igeo計(jì)算公式為

2 淤積物物化特性分析

2.1 淤積物粒徑分布特征

庫區(qū)淤積物粒徑沿程變化與庫區(qū)地形和水庫調(diào)度運(yùn)用方式有關(guān)，受超飽和輸沙狀態(tài)制約，紫坪鋪水庫淤積物總體變化趨勢為沿程細(xì)化。截至2020年10月，紫坪鋪水庫淤積物總量為1.952億m3，其中黏粒（中值粒徑d50<0.005 mm）約0.381億m3、粉細(xì)沙（0.005 mm0.25 mm）約0.147億m3，分別占淤積總量的19.5%、73.0%、7.5%;壩前淤積泥沙顆粒相對較細(xì)，距壩10 km以下庫區(qū)淤積泥沙中值粒徑在0.01 mm以下，距壩10～18 km庫區(qū)淤積泥沙中值粒徑在0.1 mm以下，距壩18～20 km庫區(qū)淤積泥沙中值粒徑在0.1 mm以上甚至超過1 mm，距壩22.00 km以上庫區(qū)淤積物基本為卵石[1]。

2.2 淤積物化學(xué)組成

紫坪鋪水庫淤積物的化學(xué)組成非常豐富，主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO組成（這4種氧化物含量約占80%），含有少量K2O、MgO、Na2O、TiO2等（見表2）。對比各取樣點(diǎn)淤積物化學(xué)成分可知，第17、18號取樣點(diǎn)SiO2含量較高而CaO含量較低，第1、2、16號取樣點(diǎn)Al2O3含量較高，第21號取樣點(diǎn)Al2O3含量最低而CaO含量最高。

2.3 淤積物容重及含水率

紫坪鋪水庫淤積物濕容重平均值為1.7 g/cm3、干容重平均值為1.2 g/cm3、含水率平均值為46%，自上游（庫尾）至下游（壩前），濕容重沿程變化較小、干容重沿程有減小趨勢、含水率沿程有增大趨勢。

2.4 淤積物pH值

pH值是反映土壤酸堿性的重要指標(biāo)，紫坪鋪水庫各取樣點(diǎn)淤積物的pH值見表2。土壤酸堿性直接影響土壤中養(yǎng)分元素的存在形態(tài)和對植物生長的有效性，也影響土壤中微生物的數(shù)量、組成和活性，從而影響土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。由表2中各取樣點(diǎn)淤積物的pH值可知，紫坪鋪水庫各取樣點(diǎn)淤積物均為堿性，其中位于上游庫區(qū)的14、15、18、21號取樣點(diǎn)淤積物為強(qiáng)堿性，其他取樣點(diǎn)淤積物為弱堿性。

2.5 淤積物有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)鹽含量

根據(jù)全國第二次土壤普查推薦的土壤有機(jī)質(zhì)含量分級標(biāo)準(zhǔn)（見表3），對紫坪鋪水庫淤積物中有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行分析。由圖1可知，紫坪鋪水庫淤積物中有機(jī)質(zhì)含量自上游庫尾至壩前沿程呈增大趨勢，其中：第14、15、18號取樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到6級土壤標(biāo)準(zhǔn)，第3、12、17、21號取樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到5級土壤標(biāo)準(zhǔn)，第1、2號取樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到3級土壤標(biāo)準(zhǔn)，其他12個取樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到4級土壤標(biāo)準(zhǔn)。

利用淤積物進(jìn)行土地改良時，其所含營養(yǎng)鹽中氮磷鉀總含量應(yīng)大于1%。由圖2可知，紫坪鋪水庫淤積物中氮磷鉀總含量滿足土地改良的養(yǎng)分要求。

2.6 淤積物重金屬分布特征

由圖3可知，紫坪鋪水庫淤積物中所有重金屬元素的含量均在第1、2號取樣點(diǎn)最高，表明壩前庫區(qū)是重金屬富集最嚴(yán)重的區(qū)域;干流庫區(qū)除Cr元素外，其他元素的含量沿程變化趨勢一致;支流龍溪河除Hg元素外，其他元素在干支流交匯處及上游含量較高，中間河段重金屬含量較低;支流壽溪河除Cr元素外，其他元素含量從上游至溝口逐漸增大。

3 淤積物重金屬污染及潛在風(fēng)險(xiǎn)評價

3.1 淤積物重金屬污染評價

紫坪鋪水庫淤積物中重金屬的地累積指數(shù)Igeo計(jì)算結(jié)果見表4，重金屬富集系數(shù)EF計(jì)算結(jié)果見圖4。由表4、圖4及表1可知：紫坪鋪水庫淤積物中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg等重金屬污染等級屬無或輕度，干流重金屬地累積指數(shù)大于支流的，干流淤積物中各重金屬污染程度順序?yàn)镃u>Ni>Zn>Cr>Cd>Pb>Hg>As、支流淤積物中重金屬污染程度順序?yàn)镠g>Zn>Pb>As>Ni>Cd>Cu>Cr;庫區(qū)大部分取樣點(diǎn)深層淤積物中Ni、Cu、Zn、Pb、As、Cr、Cd、Hg等重金屬基本無富集。

3.2 淤積物重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價

紫坪鋪水庫淤積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI計(jì)算結(jié)果見表5。由表5可知：紫坪鋪水庫淤積物各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Eri 均值排序?yàn)镃d>Hg>Cu>Ni>As>Pb>Cr>Zn，其中：Cd的Eri 值范圍為15.50～59.17，有23.81%的取樣點(diǎn)Cd有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Hg的Eri值范圍為7.45～45.35，有9.52%的取樣點(diǎn)Hg有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的范圍為45.14～143.93，大部分取樣點(diǎn)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為輕度，有9.52%的取樣點(diǎn)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為中度，壩前庫區(qū)淤積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對較高，應(yīng)予以重視。

4 結(jié) 論

（1）截至2020年10月，紫坪鋪水庫淤積物總量為1.952億m3，其中黏土約0.381億m3、粉細(xì)沙約1.424億m3、中粗沙及卵石約0.147億m3，分別占淤積物總量的19.5%、73.0%、7.5%。

（2）紫坪鋪水庫淤積物濕容重平均值為1.7 g/cm3、干容重平均值為1.2 g/cm3、含水率平均值為46%，自上游（庫尾）至下游（壩前）濕容重沿程變化較小、干容重沿程有減小趨勢、含水率沿程有增大趨勢。

（3）紫坪鋪水庫淤積物主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO組成，這4種氧化物約占80%;淤積物均為堿性，pH值自上游向下游有減小趨勢;淤積物中氮磷鉀總含量滿足土地改良的養(yǎng)分要求，但有機(jī)質(zhì)含量相對較低。

（4）紫坪鋪水庫淤積物中Cd、Hg、Cu、Ni、As、Pb、Cr、Zn這8種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，大部分取樣點(diǎn)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級為輕度，但壩前庫區(qū)部分取樣點(diǎn)Cd和Hg有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

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【責(zé)任編輯 張智民】