秀山錳礦區梅江河沉積物重金屬含量及污染特征

曾 青，楊清偉，劉雪蓮，李金甫，許 媛

(1.重慶交通大學河海學院，重慶400074;2.重慶朝陽氣體有限公司，重慶400081)

河流沉積物是水環境安全的指示劑，能夠準確反映水體受污染的程度。納入水體中的重金屬在化學吸附、物理沉淀等作用下富集于沉積物中［1］，并在一定的條件下向水體釋放［2］，造成二次污染［3-4］。重慶市秀山地區位于長江上游地區，與湖南花垣、貴州松桃并稱中國“錳三角”。近年來隨著錳礦的大量開采，環境污染問題日益突出。目前，有一些對秀山污染問題的調查研究，但尚未有關于河流沉積物重金屬污染的研究。由于其特殊的地理位置，河流沉積物重金屬可以隨水體遷移通過灌溉、飲用水及食物鏈等方式對當地及長江下游地區的農業、食物、人體健康及生態安全產生影響。因此，研究秀山梅江河重金屬元素在沉積物中的含量和分布，不僅可以揭示沉積物中重金屬在秀山地區的遷移、富集規律，同時對于水資源保護與開發利用、區域環境評價及經濟發展都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

筆者于2008年5月1日對秀山梅江河沿程6個點(中和鎮、平凱鎮、西門橋、北門橋、石板灘、河港村)進行了系統采樣，其中中和鎮為梅江河進入秀山縣的樣點，河港村為梅江河流出秀山縣的樣點。沉積物表層(0～10 cm)采集了6個樣，柱狀樣采集了3個樣。其中柱狀樣在0～20 cm之間采了4個樣，20～70 cm之間采了5個樣。每個點采3個子樣組成1個混合樣。表層底泥的采樣工具為抓斗式采樣器，深層底泥的采樣工具為圓柱狀采樣器。采樣按《水和廢水監測分析方法》［5］中的有關要求進行。樣品采集后用聚乙烯塑料袋封裝，于2 h內送到實驗室，自然風干，碾碎，過1 mm篩。取0.5 g過篩土樣用 HNO3+HClO4(VHNO3∶VHClO4=3∶1)硝化，定容，保存。用原子吸收法對硝化液中重金屬Mn、Pb、Zn、Cu、Cr和 Cd 的含量進行測定。

1.2 PLI評價及潛在生態危害評價

1980 年，Tomlinson，等［6］在重金屬污染水平的分級研究中提出污染負荷指數(Pollution Load Index，PLI)評價方法。

根據某一點的實測重金屬含量，進行最高污染系數(Fi)的計算:

式中:Ci為元素i的實測含量;Coi為元素i的評價標準即背景值(一般選用全球普通頁巖平均值作為重金屬的評價標準，見表 1［7-8］)。

表1 全球頁巖元素含量Tab.1 Content of global shale element /(mg·kg-1)

某一點的污染負荷指數IP:

式中:n為評價元素的種類;m為評價元素的個數。

某一區域(流域)的污染負荷指數IPx:

式中:n為評價點的個數(即采樣點的個數)。污染負荷指數一般分為4個等級，見表2［9］。

表2 污染負荷指數(IP)與相應污染分級及污染程度Tab.2 Pollution Load Index(IP)with the corresponding pollution grade and level

筆者采用瑞典學者Hakanson于1980年提出的潛在生態風險指數法［10］對不同來源沉積物中的重金屬進行評價，該方法的優勢在于從重金屬的生物毒性角度出發，反映了多種污染物的綜合影響，并定量地區分出潛在生態危害的程度。潛在生態風險指數值(RI)的計算公式如下:

表3 、Cd和RI值相對應的污染程度以及潛在生態風險程度Tab.3 、Cd、and RIvalues corresponding to the degree of pollution as well as the potential ecological risk

表3 、Cd和RI值相對應的污染程度以及潛在生態風險程度Tab.3 、Cd、and RIvalues corresponding to the degree of pollution as well as the potential ecological risk

Cif范圍 單因子污染物污染程度 Cd范圍 總體污染程度 Ei r范圍 單因子污染物生態風險因子 RI范圍低度≥1～3 中度 ≥8～16 中度 ≥40～80 中度 ≥150～300 中度≥3～6 重度 ≥16～32 重度 ≥80～160 較重 ≥300～600 重度≥6 嚴重 ≥32 嚴重 ≥160～320 重度 ≥600 嚴重—總潛在生態風險程度＜1 低度 ＜8 低度 ＜40 低度 ＜150—— ≥320 嚴重 — —

2 結果與分析

2.1 底泥重金屬含量的水平分布

梅江河秀山城區段沉積物 Mn、Pb、Zn、Cu、Cr和Cd的含量水平分布見圖1。就平均值而言，6種重金屬含量大小順序為:Mn(5 198 mg/kg)＞Zn(201 mg/kg)＞Pb(188 mg/kg)＞Cu(168 mg/kg)＞Cr(42 mg/kg)＞Cd(3 mg/kg)，其中，Mn的含量遠遠高于其他元素數10倍～數1 000倍，由此可見，該地區的礦業活動已經產生了錳在空間上的擴散。與背景值(中國土壤元素背景值)相比，除了Cr平均值低于背景值以外，其余5種重金屬的含量均超過背景值。

圖1 還顯示了 Mn、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr 6 種重金屬含量的沿程分布情況。可以看出，除Zn和Cu外，其他4種重金屬在沿程分布上具有相似的分布規律。

整體上，Mn、Pb、Cd、Cr 4 種重金屬沿程分布呈下降趨勢，但Pb、Cd、Cr 3種重金屬含量在北門橋段均出現較大轉折，說明在北門橋段內存在含有Pb、Cd、Cr元素的污染源;Mn在石板灘段的含量極高，說明在石板灘段存在含有Mn元素的污染源。Zn和Cu含量沿程分布趨勢不明顯，Cu約有升高，但二者含量沿程波動較大。在平凱鎮段Zn、Cu2種重金屬含量均有明顯增加，說明在平凱鎮段存在含有Zn、Cu元素的污染源;同時Zn在石板灘段的重金屬含量也有明顯增加，這與Mn的分析是一致的，進一步說明在石板灘段存在含有Mn、Zn元素的污染源，Cu在北門橋段的重金屬含量也有顯著增加，說明在北門橋段存在包括Cu在內的4種元素(Pb、Cd、Cr)的污染源。

2.2 底泥重金屬含量的垂向分布

Mn、Pb、Cu、Cd、Zn 及 Cr含量垂直分布情況見圖2。

Mn、Pb、Cr、Cd 4 種金屬元素的趨勢線相近，表明Mn、Pb、Cr、Cd 4種金屬元素的輸入過程相似。在深度0～10 cm、15～50 cm段之間，4種重金屬濃度隨深度的變淺而降低，表明在此深度對應的沉積時段內隨著時間的進展，Mn、Pb、Cr、Cd 4種重金屬向秀山梅江河沉積物中的輸入量逐漸減少;而在深度50～70 cm之間，4種金屬濃度隨深度變淺呈上升趨勢，僅Cr、Cd在深度60～70 cm之間有一個轉折，含量有所回升，但總體來看，該4種金屬的輸入隨時間變化而逐漸增加向沉積物中輸入;對于深度在10～15 cm之間4種重金屬的含量來說，其突然增加很多，表明這段時間重金屬的輸入極不穩定。

Cu、Zn 2種金屬元素的趨勢線相近，說明Cu、Zn具有相似的輸入過程。分層表現為:0～10 cm之間2種金屬的含量隨深度的增加而減少，說明該時間段內Cu、Zn的含量隨時間增加而增加，比較特殊的是Zn在這階段含量增加迅速，具體原因有待進一步調查。在10～50 cm之間，Cu的濃度隨深度的增加而下降但趨勢較為平緩，說明對應時間段Cu的增加趨勢不明顯，Zn的濃度隨深度增加變化不大，表現為隨時間的增加其輸入很少。在深度50～70 cm之間，Cu的濃度隨深度增加而增加，表明該時間段內Cu的輸入隨時間增加而減少，Zn的濃度隨深度增加呈下降趨勢，表明對應時間段Zn的含量也在增加。

但總的來說，Mn、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr 6 種重金屬的表層濃度都很大，這表明沉積物表層中的重金屬通過水流的擾動而進入水體的含量會高于甚至遠遠高于表層沉積物重金屬含量低的或正常的水體，其潛在污染風險也增大，因此更應重視這類沉積物的重金屬污染及治理。

2.3 沉積物重金屬污染程度的PLI評價和潛在生態風險評價

研究區內各采樣點重金屬最高污染系數和污染負荷指數見表4。

表4 水體沉積物重金屬元素污染負荷指數Tab.4 Pollution load index of heavy metals in sediments

結合表2和表4可以看出各樣點Ip均在1以上，其中污染最嚴重的是在平凱鎮、中和鎮和石板灘這3個樣點，Ip大于3，最高為3.70，屬極強度污染;北門橋、西門橋二個點IP介于2～3之間，表現為強度污染;污染最小的是河港村IP介于1～2之間為中度污染。從整個研究區域來看，極強度污染占50%，強度污染占33.33%，中度污染占16.67%;因此該研究區底泥重金屬污染以強度污染及其以上污染程度為主。

本實驗所測IPx值與長江重慶段［12］和武江樂昌段［13］相比，介于二者之間。相較之下，梅江河的污染比武江樂昌段的污染要輕的多，但高于長江重慶段。研究區的潛在生態風險評價見表5和表6。

表5 沉積物中重金屬污染單因子評價Tab.5 Single-factor pollution evaluation of heavy metals in sediments

表6 沉積物中潛在生態風險評價Tab.6 Potential ecological risk assessment of sediments

結合表3和表5可知，綜合污染程度評價為嚴重污染。其主要重金屬污染因子為Cd，影響順序為:Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr。除了Cr的值在1左右屬于低度污染水平外，其余5種重金屬值均大于1為中、重度污染水平。結合表3和表6可見，秀山梅江河沉積物6種重金屬的潛在生態風險因子大小順序為:Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr。Cd為最主要的生態風險貢獻因子，所有采樣點的Cd的風險因子都超出嚴重污染等級值。其中，Mn、Cu、Pb、Zn、Cr的值均低于80，屬于低、中度污染水平，僅Cd處于嚴重污染水平，這表明秀山梅江河重金屬Cd的潛在生態風險最大，Mn、Cu、Pb 次之，Zn、Cr最小。

3 結論

1)秀山梅江河的沉積物重金屬污染在水平、垂向分布上，Mn含量均為最高，污染也最為嚴重。其污染物含量排序為Mn＞＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr＞Cd。

2)沉積物重金屬污染負荷指數評價結果表明，秀山梅江河重金屬Cd的潛在生態風險最大，研究區域處于中度污染、強度污染、極強度污染3個污染等級，整個區域IP值為2.6，達到強度污染等級。

3)研究區的潛在生態風險評價結果表明秀山梅江河處在嚴重風險等級，6種重金屬的潛在生態風險因子大小順序為:Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr，其中Cd為最主要的生態風險貢獻因子，Mn、Cu、Pb 次之，Zn、Cr最小。

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