豐水期巢湖水體與沉積物重金屬污染及分配特征研究

摘要：為研究巢湖水環(huán)境重金屬污染程度及分配特征，在豐水期采集了全湖水體和沉積物樣品，分析了Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb及Hg的含量、賦存形態(tài)及分配特征。結(jié)果表明，巢湖水體的重金屬濃度較低，滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的最嚴(yán)限值要求；沉積物Cd和Hg的超標(biāo)倍數(shù)最高，在西湖區(qū)的含量遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)，以生物有效態(tài)為主；各元素在沉積物-水體中的分配系數(shù)空間差異性不大，As的分配系數(shù)最低。巢湖重金屬治理應(yīng)更關(guān)注西湖區(qū)沉積物中Cd和Hg的累積污染。

關(guān)鍵詞：巢湖；重金屬；豐水期；分配特征

中圖分類號：X524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.060

Study on Pollution and Partition Characteristics of Heavy Metals in Water and Sediments of Chaohu Lake in Wet Season

WU Lei1，2， ZHU Weiwei2， YANG Manyi2

（1. Anhui Provincial Academy of Eco-Environmental Science Research， Hefei 230061， China;

2. Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： To study the degree and distribution characteristics of heavy metal pollution in the water environment of Chaohu lake， water and sediment samples were collected throughout the lake during the wet season. The content， occurrence forms， and distribution characteristics of Cr， Co， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Pb， and Hg were analyzed. The results indicate that the concentration of heavy metals in the water of Chaohu lake is relatively low， meeting the strictest limit requirements in the “Environmental Quality Standards for Surface Water” （GB 3838—2002）. The exceedance multiples of Cd and Hg in sediments are the highest， with much higher levels in the West Lake area than in other lake areas， mainly in the form of bioavailable substances. The spatial differences in the distribution coefficients of various elements in sediment water bodies are not significant， with As having the lowest distribution coefficient. The remediation of heavy metals in Chaohu lake should pay more attention to the cumulative pollution of Cd and Hg in sediments of Xihu district.

Keywords： Chaohu lake; heavy metals; wet season; partition characteristics

環(huán)境中的重金屬具有難降解、易累積、毒性大的特點，且具有生物富集和放大效應(yīng)，嚴(yán)重影響生態(tài)安全和人體健康。湖泊生態(tài)系統(tǒng)是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，參與地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)，對生態(tài)環(huán)境和人類生活有著重要作用。巢湖位于安徽省合肥市，是我國5個大淡水湖之一，具有供水、航運(yùn)、防洪等功能，在安徽省的經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。相關(guān)研究表明，巢湖已受到較為明顯的人為重金屬污染[1-3]。以水量和物質(zhì)能量交換最頻繁的豐水期為例，研究巢湖水體和沉積物中重金屬的含量水平、空間分布及沉積物-水體分配特征，以期為巢湖重金屬污染防治提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 樣品采集與分析測試

基于網(wǎng)格布點法在巢湖湖區(qū)設(shè)置20個點位，在豐水期（2023年8月）采集表層水（水面以下約0.5 m）和表層沉積物（0～ 5cm）樣品各20個，置于保溫箱暫存（裝有冰袋），并及時運(yùn)至實驗室處理分析。為便于分析湖區(qū)元素含量空間分布特征，根據(jù)湖區(qū)形狀、地形等特點，將湖區(qū)劃分為西湖區(qū)（中廟-齊頭咀一線以西）、中湖區(qū)（中廟-齊頭咀一線以東、羅家坎村-大王村一線以西）和東湖區(qū)（羅家坎村-大王村一線以東）3個湖區(qū)。

按照《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解/原子熒光法》（HJ 680—2013）和《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ 803—2016）規(guī)定的方法測試重金屬總量。

使用歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局（?European Community"Bureau of Reference，BCR）三步提取法提取沉積物形態(tài)，分為弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)及殘渣態(tài)。前3種形態(tài)加起來稱為生物有效態(tài)，其占元素總量的比例可說明沉積物受到人為污染的程度。提取液與水樣（可溶態(tài)）均按照《水質(zhì) 65種元素的測定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ 700—2014）規(guī)定的方法對元素濃度分析測試。所有試驗質(zhì)量控制按相關(guān)要求進(jìn)行。

1.2 重金屬分配系數(shù)

重金屬分配系數(shù)是表征重金屬在沉積物與水體間分配行為的指標(biāo)，其值越低，說明重金屬從固相釋放到水體成為溶解態(tài)的趨勢越明顯。計算方法為體系達(dá)到平衡時沉積物含量與表層水中濃度的比值。為方便對比分析，取其對數(shù)值，用lgK表示。

2 分析與討論

2.1 表層水重金屬濃度及空間分布

在20個水樣中，全部樣品均未檢出Hg，Cd、Pb和Hg未檢出的樣品比例分別為35%、55%和100%。因此，不分析這3種元素在水體中的空間分布特征。其表層水重金屬濃度統(tǒng)計如表1所示。采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）評價元素濃度，As、Zn、Cu、Cr、Cd、Pb及Hg的濃度均符合Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，Ni和Co的濃度遠(yuǎn)低于集中式生活飲用水地表水源地特定項目標(biāo)準(zhǔn)限值。Zn和Cr的變異系數(shù)較大，分別達(dá)到83.98%和45.51%，說明這兩種元素的全湖濃度分布離散程度較高；Cu的變異系數(shù)最小。東湖區(qū)的As和Zn濃度較高，西湖區(qū)的As濃度較高。

2.2 表層沉積物重金屬含量及空間分布

豐水期巢湖表層沉積物各元素含量統(tǒng)計如表2所示。對比江淮流域沉積物背景值，Pb的全湖均值低于背景值，其余元素均超背景值。Cd和Hg的超標(biāo)倍數(shù)最高，分別為4.77和1.93倍[4]。Hg和Cd的變異系數(shù)較大，分別為58.77%和33.51%；其余元素的變異系數(shù)較小，說明空間差異不大。總體來看，重金屬在沉積物中含量的空間分布差異性要低于在水體中的差異。由各湖區(qū)的含量均值可知，Cr、Zn、Cd及Hg均為西湖區(qū)最高，其中Cd和Hg在西湖區(qū)的含量遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)；各湖區(qū)的其余元素含量相差不大。對比可知，沉積物和水體中同一元素的空間分布特征存在差異。

2.3 巢湖表層沉積物重金屬賦存形態(tài)

豐水期巢湖沉積物重金屬賦存形態(tài)特征如表3所示。As、Cr、Pb、Cu、Ni、Zn和Co在各點位沉積物中的殘渣態(tài)含量比例均高于50%，全湖均值分別為96.68%、91.96%、88.82%、77.77%、74.67%、71.14%及58.61%。Cd和Hg以生物有效態(tài)為主，分別為63.29%和75.75%，說明這兩種元素受人為污染影響較大，生物可利用性較高，潛在生態(tài)風(fēng)險值較大。從空間分布看，As和Cr在全湖賦存形態(tài)比例相差不大，Co、Zn、Pb、Hg在西湖區(qū)的殘渣態(tài)比例最低，Ni、Cu、Cd在中湖區(qū)的殘渣態(tài)比例最低。

2.4 重金屬在沉積物-水體中的分配特征

因Cd、Pb和Hg在水樣中的檢出比例較低，無法計算分配系數(shù)Kp，因此不分析其分配特征。其余元素沉積物-水體間的lgK統(tǒng)計如表4所示，全湖均值大小為Cr＞Co＞Zn＞Ni＞Cu＞As。Cr和Co的分配系數(shù)較高，說明在豐水期巢湖沉積物對這兩種元素的固定能力較強(qiáng)，不易從沉積物中釋放進(jìn)入水體；As的分配系數(shù)最小，表明As從沉積物釋放到水體中的趨勢相對最明顯。徐晨等[5]分析了望虞河西海岸河網(wǎng)中的各重金屬分配特征，發(fā)現(xiàn)分配系數(shù)大小順序為Cu＞Cr＞Zn＞Ni＞As，與研究結(jié)果基本一致。從空間分布來看，各元素在不同湖區(qū)的分配系數(shù)相差較小。

3 結(jié)論

豐水期巢湖水體中As、Zn、Cu、Cr、Cd、Pb及Hg的濃度均符合地表水Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，Ni和Co濃度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值；東湖區(qū)的As和Zn濃度最高，西湖區(qū)的Cr、Co、Ni及Cu濃度最高。沉積物中除Pb外，其余元素含量均值均超背景值，Cd和Hg的超標(biāo)倍數(shù)最高，在西湖區(qū)的含量遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)，且全湖均以生物有效態(tài)為主，潛在生態(tài)風(fēng)險值較大；其余元素以殘渣態(tài)為主。巢湖應(yīng)格外重視西湖區(qū)沉積物中Cd和Hg的累積污染治理。

參考文獻(xiàn)

1 劉 新，蔣 豫，高俊峰，等.巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物重金屬污染特征及風(fēng)險評價[J].湖泊科學(xué)，2016（3）：502-512.

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5 徐 晨，王沛芳，陳 娟，等.望虞河西岸河網(wǎng)重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)，2019（11）：4914-4923.