中山水庫沉積物重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

朱 玥，丁 穎，經(jīng)歡歡，孔德智，周心剛，朱 亮,*

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3.南京溧水水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇南京 211200；4.南京市溧水區(qū)水務(wù)局，江蘇南京 211200)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加強(qiáng)，導(dǎo)致大量工業(yè)廢水、礦業(yè)開采生成的有毒有害物質(zhì)、農(nóng)業(yè)用水含有的大量重金屬污染物經(jīng)地表徑流等方式進(jìn)入水體，并富集在沉積物中[1-2]。一定水體擾動(dòng)環(huán)境下，底泥會(huì)出現(xiàn)再懸浮現(xiàn)象，底泥中的重金屬污染物會(huì)再次釋放至水體流域[3-4]。沉積物中的重金屬由于其不可生物降解性、毒性和持久性對(duì)人類身體健康造成不可恢復(fù)的影響，同時(shí)極大地影響流域水環(huán)境質(zhì)量，威脅水庫供水水質(zhì)安全[1,5-7]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)眾多供水型水庫進(jìn)行了研究，研究的方向主要集中于水庫沉積物重金屬形態(tài)分布特征以及其水平和垂直分布狀況等，Hahn等[2]采用地累積指數(shù)(Igeo)研究沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果顯示Klingenberg水庫底泥的重金屬污染程度為中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。同時(shí)，為了識(shí)別污染物的來源，王蒙蒙等[8]、孫文等[9]運(yùn)用聚類分析、相關(guān)性分析、主成分分析等分析方法對(duì)底泥重金屬來源進(jìn)行分析，結(jié)果表明陸渾水庫及沙河水庫中重金屬污染物主要來源于工業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外的供水型水源地重金屬風(fēng)險(xiǎn)普遍存在，但各水庫中重金屬含量存在差異。楊帆等[10]研究顯示湘江和洞庭湖中水系底泥中Cd為重污染水平，Zn為中度污染，Cr污染程度為低風(fēng)險(xiǎn)；而陳淑云等[11]表明橫山水庫除Cr外的其他7種重金屬含量均高于太湖流域底泥重金屬背景值。近年來，國(guó)家對(duì)水環(huán)境整治力度不斷增大，消除內(nèi)源污染作為改善水環(huán)境的重要手段之一，對(duì)水體污染有一定的控制效果[12-13]，但水庫重金屬污染物成分以及含量的不確定性增加了水環(huán)境的整治難度。因此，探究沉積物中重金屬的含量分布、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及污染來源對(duì)于保障水源地水庫具有重大意義。

中山水庫是南京市溧水區(qū)的飲用水水源地，也是南京市的備用水源，屬于國(guó)家級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)域。自1958年中山水庫建成以來，水庫長(zhǎng)期未進(jìn)行底泥清淤，可能存在重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，本文以南京市中山水庫為研究對(duì)象，研究了沉積物中8種重金屬的分布特征，分別運(yùn)用Igeo、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(potential ecological risk index, PERI)評(píng)價(jià)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)重金屬的可能污染來源進(jìn)行解析，以期為研究區(qū)的水資源保護(hù)及污染防治提供理論依據(jù)，為供水型水庫底泥清淤和疏浚底泥資源化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 中山水庫概況

南京市溧水區(qū)中山水庫位于城區(qū)上游東南低山丘陵區(qū)，秦淮河一干河上游。水庫于1958年5月建成蓄水，最大庫容為2 868萬m3，集水面積為32.28 km2,平均水深為4.5 m，流域內(nèi)年均降雨量為1 110.0 mm。作為南京第三大中型水庫，中山水庫不僅是溧水區(qū)重要飲用水水源，也是南京市重要備用水源[14]。

1.2 樣品采集及分析

針對(duì)中山水庫流域地勢(shì)東、北、南三側(cè)地勢(shì)高，均向中間匯水這一特點(diǎn)，在水庫共設(shè)置17個(gè)采樣點(diǎn)，分別位于水庫東北片區(qū)(S1、S2、S3、S4、S5)、右側(cè)沿線區(qū)(S6、S7、S8、S9)、庫心區(qū)(S10、S11、S12)以及水庫東南片區(qū)(S13、S14、S15、S16、S17)，所有樣點(diǎn)均用GPS定位儀定位確定，流域水系圖及采樣點(diǎn)位如圖1所示。2021年9月采用沉積物柱狀采樣器采集17根沉積物樣品(0～60 cm)，帶回實(shí)驗(yàn)室后將采樣器里的底泥按10 cm每段進(jìn)行分層與處理。

底泥樣品重金屬分析項(xiàng)目有：Cd、Hg、As、Pb、Cu、Ni、Zn和Cr(以Cr6+計(jì))，參考《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》(CJ/T 221—2005)進(jìn)行分析測(cè)試。

1.3 數(shù)據(jù)處理

樣品分析測(cè)試過程中為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，消解樣均加入已知含量標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行加標(biāo)試驗(yàn)，每個(gè)樣品設(shè)置平行樣，結(jié)果以均值表示。運(yùn)用Origin 2018和ArcGIS 10.2進(jìn)行沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂向及空間分布圖的繪制，運(yùn)用SPSS 22、Canoco5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性與主成分分析。

1.4 重金屬污染評(píng)價(jià)

1.4.1Igeo

Igeo的計(jì)算如式(1)。

(1)

其中：Ci——第i種重金屬在沉積物樣品中的檢測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；

K——系數(shù)，一般取值為1.5；

Bi——重金屬環(huán)境背景值，采用南京市土壤元素背景值作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)[15]，取Cd、Hg、As、Pb、Cu、Ni、Zn和Cr的金屬背景參考值分別為0.19、0.12、10.60、24.80、32.20、35.00、76.80 mg/kg和59.00 mg/kg。依據(jù)計(jì)算結(jié)果將重金屬污染程度分為7個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 Igeo值與重金屬污染程度分級(jí)Tab.1 Igeo Value and Classification of Heavy Metal Pollution

1.4.2 PERI

PERI由瑞典學(xué)者Hakanson[16]于1980年提出，綜合考慮了沉積物中不同金屬的污染系數(shù)、重金屬毒性水平以及多種重金屬污染的協(xié)同效應(yīng)。計(jì)算如式(2)～式(3)。

(2)

(3)

RI——綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。

根據(jù)計(jì)算可將沉積物中重金屬生態(tài)危害程度分為5個(gè)等級(jí)(表2)。

表2 沉積物中重金屬生態(tài)危害程度劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification of Heavy Metal Ecological Risk in Sediments

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物表層重金屬含量及分布特征

將17個(gè)采樣點(diǎn)分為4個(gè)區(qū)域,分別是東北片區(qū)(S1、S2、S3、S4、S5)、庫右側(cè)沿線區(qū)(S6、S7、S8、S9)、庫心區(qū)(S10、S11、S12)、東南片區(qū)(S13、S14、S15、S16、S17)，沉積物中重金屬含量及均值如表3所示。

表3 底泥中重金屬含量Tab.3 Content of Heavy Metals in Sediments

中山水庫各區(qū)域沉積物中8種重金屬均呈現(xiàn)不同程度的累積，沉積物中Cd、Pb和Cr平均含量均超出南京市土壤背景值，分別約為背景值的2.16、1.05倍和1.03倍。其中，Cd的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41 mg/kg，顯著高于南京市土壤背景值。與南京市其他水庫相比較[14-15]，該水庫各種重金屬的平均含量均偏低，近年來國(guó)內(nèi)外其他湖庫沉積物含量已有研究如表4所示，通過對(duì)比可以得出，中山水庫沉積物中重金屬污染較輕。

表4 國(guó)內(nèi)外其他供水型水庫沉積物含量Tab.4 Sediment Content of Other Water Supply Reservoirs at Home and Abroad

采用克里格插值法繪制水庫沉積物重金屬含量的空間分布(圖2)。結(jié)果表明，8種重金屬在不同采樣點(diǎn)位的濃度分布趨勢(shì)是基本一致的，均顯示為庫右側(cè)沿線區(qū)(S6～S9)濃度最高，東南片區(qū)(S13～S17)及東北片區(qū)次之，庫心區(qū)(S10～S12)最低。這主要是中山水庫庫區(qū)右側(cè)農(nóng)田近年來的復(fù)墾加劇了水土流失，導(dǎo)致庫右側(cè)沿線區(qū)大量表層污染物質(zhì)淤積，重金屬污染程度加重。同時(shí)，中山水庫東、北、南三側(cè)地勢(shì)高，均向中間匯集，水庫東南側(cè)鮑家壩河為中山水庫主要調(diào)水河流，水流北弱南強(qiáng)，造成東南片區(qū)的淤積量加大，從而導(dǎo)致東南片區(qū)的重金屬污染高于東北片區(qū)。

圖2 中山水庫沉積物重金屬含量空間分布Fig.2 Spatial Distribution of Heavy Metal Contents in Sediments of Zhongshan Reservoir

2.2 沉積物重金屬含量垂直分布特征

對(duì)中山水庫4個(gè)區(qū)域的17根沉積柱(0～60 cm)內(nèi)沉積物重金屬含量垂直分布特征進(jìn)行了分析(圖3)，每個(gè)樣點(diǎn)采集3～5個(gè)柱狀沉積物，用上頂法將泥柱6等分為6層，每層10 cm，將同層樣品混合測(cè)定重金屬含量。結(jié)果表明，庫右側(cè)沿線區(qū)(S6～S9)在垂直方向上8種重金屬的平均含量最高。從下層到上層，Hg、As的含量有輕微的增加，其余6種重金屬的含量在整體庫區(qū)均有所增加。Cu、Ni、Zn的含量在庫右側(cè)沿線區(qū)增量較為明顯，說明該區(qū)域受到Cu、Ni、Zn的污染較為嚴(yán)重；Pb、Cr含量在庫下游區(qū)域增加非常明顯，說明該區(qū)域受到Pb、Cr的污染較為嚴(yán)重。本研究中庫區(qū)的水源主要來源于降雨，由沉積物重金屬含量的時(shí)空分布圖及垂直分布特征可知重金屬在庫右側(cè)以及庫下游有較高蓄積，表明污染物質(zhì)在較大程度上是由庫右側(cè)沿線及東南片區(qū)匯入庫區(qū)，與庫右側(cè)農(nóng)田復(fù)墾造成的水土流失以及水庫東南周邊的農(nóng)業(yè)面源污染存在密切的關(guān)聯(lián)。因此，為有效遏制中山水庫的重金屬污染，需控制其周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

圖3 沉積物重金屬含量豎向分布特征Fig.3 Vertical Distribution Characteristics of Heavy Metal Contents in Sediments

2.3 中山水庫沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

2.3.1Igeo

中山水庫沉積物重金屬的Igeo如表5所示，中山水庫8種重金屬Igeo數(shù)值依次為Cd>Pb>Cr>Zn>Cu>As>Ni>Hg。其中，Cd的全庫平均Igeo大于0，表明水庫整體受到Cd的污染，其余重金屬Igeo在所有采樣點(diǎn)的Igeo值均小于0，顯示無污染狀態(tài)。Igeo也揭示中山水庫沉積物重金屬含量為庫右側(cè)沿線區(qū)>東南片區(qū)>東北片區(qū)>庫心區(qū)這一分布規(guī)律。

表5 重金屬Igeo、單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和PERITab.5 Igeo of Heavy Metal, Individual Ecological Risk Coefficient and PERI

2.3.2 PERI

中山水庫沉積物重金屬PERI如表5所示，8種重金屬污染程度依次為：Cd>Hg>As>Pb>Cr>Cu>Ni>Zn，除了Cd在部分點(diǎn)位的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示為中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外，其余7種重金屬均顯示為輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。重金屬PERI結(jié)果顯示庫下游污染區(qū)的S17號(hào)采樣點(diǎn)重金屬污染最嚴(yán)重，但是水庫整體重金屬污染程度仍呈現(xiàn)為輕度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

由沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果來看，中山水庫沉積物中重金屬除Cd外整體上處于輕度污染狀態(tài)，水庫沉積物重金屬含量為庫右側(cè)沿線區(qū)>東南片區(qū)>東北片區(qū)>庫心區(qū)。中山水庫周邊工廠企業(yè)已基本關(guān)停，所以造成中山水庫重金屬含量升高的主要原因?yàn)槿藶榛顒?dòng)。進(jìn)一步結(jié)合中山水庫周邊用地類型進(jìn)行分析，造成庫右側(cè)沿線區(qū)及東南片區(qū)沉積物重金屬含量升高的潛在誘因可能是水庫右側(cè)農(nóng)田復(fù)墾導(dǎo)致大面積的水土流失，以及過量化肥農(nóng)藥的施用。同時(shí)，水庫下游東崗頭河、王母崗河、鮑家壩河以及前家邊河這四大河流沿線有大面積的苗木、大棚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，水庫沿岸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所用到的農(nóng)藥化肥等均可能導(dǎo)致研究區(qū)沉積物中重金屬含量增加。

2.4 重金屬來源分析

采用SPSS 22、Canoco5軟件對(duì)沉積物重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性及來源分析，若重金屬含量之間存在顯著相關(guān)性(P<0.05，P<0.01)，則說明它們可能存在相同的來源[5]。沉積物中重金屬的相關(guān)性矩陣如表6所示，發(fā)現(xiàn)中山水庫中Cu、Cr、Zn這3種重金屬之間，以及Zn、Hg、As之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明這些重金屬可能具有相同的來源；Ni與As、Cu呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，Zn和Cd呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明這些元素有可能存在相似的來源。

表6 沉積物中重金屬的相關(guān)矩陣Tab.6 Pearson Correlation Matrix of Heavy Metals in the Sediments

結(jié)合中山水庫周邊的地形圖，運(yùn)用主成分分析法對(duì)8種重金屬的來源進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示(圖4)，兩個(gè)主成分共解釋了總方差的62.68%，說明沉積物中的8種重金屬污染來源可以由這兩個(gè)主成分表示。主成分1和主成分2分別解釋了總方差變量的42.16%和20.52%。中山水庫沉積物重金屬高污染區(qū)主要位于庫東北片區(qū)的S3、S4、S5，庫右側(cè)沿線區(qū)的S6、S7、S8、S9，庫東南片區(qū)的S15、S16、S17。

圖4 中山水庫沉積物重金屬主成分分析Fig.4 Principal Component Analysis of Heavy Metals in Sediments of Zhongshan Reservoir

結(jié)合本文沉積物重金屬空間分布特征，可知中山水庫沉積物中重金屬高污染區(qū)主要為庫東南區(qū)、庫右側(cè)沿線區(qū)兩大位置。

3 結(jié)論

(1)中山水庫沉積物重金屬含量分析結(jié)果顯示，水庫沉積物中重金屬均出現(xiàn)不同程度的污染，其中Cd平均含量為0.41 mg/kg，約是南京市土壤背景值的2.16倍，不同區(qū)域重金屬富集倍數(shù)依次為：庫右側(cè)沿線區(qū)>東南片區(qū)>東北片區(qū)>庫心區(qū)。沉積物重金屬含量垂直分布特征為隨深度而降低。

(2)重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明，中山水庫沉積物中除重金屬Cr屬于偏中度污染外，其他7種重金屬為無污染或輕度污染。同時(shí)，PERI結(jié)果顯示水庫下游污染區(qū)的S17重金屬污染程度最嚴(yán)重，重金屬PERI結(jié)果顯示17個(gè)采樣點(diǎn)的RI值均小于150，顯示研究區(qū)沉積物重金屬總體分析屬于輕度污染狀態(tài)。

(3)相關(guān)性分析及主成分分析表明,中山水庫沉積物重金屬中Cu、Cr、Zn來源相似，主要的可能來源為水庫右側(cè)及東南片區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；主成分分析結(jié)果顯示，高污染區(qū)多集中于庫右側(cè)及庫東南片區(qū)，水庫右側(cè)農(nóng)田復(fù)墾對(duì)水庫水質(zhì)安全造成嚴(yán)重威脅，需要加大監(jiān)管力度和采取有效的治理措施。