淮河河南段表層沉積物中黑碳的含量及來源分析

杜李惠

【摘要】針對淮河河南段地表水表層沉積物進行調查研究，得到沉積物中黑碳含量的范圍，與國內外沉積物中黑碳的研究結果進行比較，以了解研究區域黑碳含量水平的相對程度。

【關鍵詞】黑碳；表層沉積物；主要成分分析

1 實驗內容與研究意義

1.1黑碳簡介

黑碳（Black carbon， 簡稱黑碳）是生物質或化石燃料（煤、石油等）不完全燃燒所形成的一類含碳混合物殘體，普遍存在于環境中，其來源可分為自然源和人為源兩種。

由于黑碳的惰性和多空隙性，它能夠在環境中沉積，并最終通過傳輸、沉降作用進入土壤、水體，繼而進入水體表層沉積物中。因此對水體表層沉積物中黑碳的研究，能夠更準確的反映出環境中黑碳的含量。

黑碳是疏水性有機污染物（HOCs）一個重要的攜帶者。多環芳烴（PAHs）是HOCs的一種，我們可以由沉積物中PAHs的來源分析，得以推測黑碳的來源以及黑碳對沉積物中PAHs的吸附所造成的影響。

1.2黑碳的研究進展

黑碳作為一種污染物被人們作為環境問題進行研究是在倫敦煙霧事件之后，我國直到二十世紀九十年代才逐步開展黑碳的各種實驗研究，起初研究主要集中在大城市大氣中黑碳的研究，對沉積物中黑碳的研究尚處起步階段。

1.3本實驗的研究內容及意義

我國由于經濟水平相對落后，煤和生物質燃料大量使用，黑碳的排放量占到了全球排放量的1/4。對河南水體表層沉積物中黑碳的研究，有助于對河南黑碳排放來源做出初步的判斷，評價人類活動對環境的影響，對促進河南省經濟和環境的可持續發展，具有非常重要和長遠的意義。

2 實驗內容和研究方法

2.1 研究區域概況

淮河流域地處中國東部，本文研究區域主要位于河南境內的淮河上游河段，省界以上河長417 km，流域面積37752 km2。從淮源到洪河口為上游，集水面積3.06萬km2，河長364 km，落差178 m，占淮河總落差的89%。

2.2 樣品的采集、保存和前處理

2.1.1 樣品的采集和保存。淮河河南段樣品：選擇比較平直、流速相對緩慢、處于集中污染源的下游附近河道，在水位線以內2m左右處采集淮河上游的河床底部0～20cm表層沉積物樣品，采集后即在零下20 ℃冷凍保存。

2.1.2 樣品的前處理。將樣品溫度升至室溫后取出，風干均勻后篩除去殘余性顆粒，選取少許樣品做粒徑分析，其余部分進行冷凍干燥后備用。

2.2 實驗材料和儀器

2.2.1 實驗材料。鹽酸（HCL）、硫酸（H2SO4）、氫氟酸（HF）、重鉻酸鉀（K2CrO7）、實驗用水。

玻璃器皿、瓷坩堝、分樣篩。

2.2.2 實驗儀器設備。元素分析儀、電子天平、自動雙重純水蒸餾器、粒度測定儀、超聲振蕩儀、馬弗爐、心機、電熱恒溫鼓風干燥箱。

2.3分析方法

2.3.1 表層沉積物粒度分析原樣經過充分混合后烘干，處理后上機測試。每個樣品平行測試三次取平均值，結果補充于粒徑分級分析。

2.3.2表層沉積物TOC分析。總有機碳的測定用元素分析儀測定的方法。

2.3.3 表層沉積物黑碳分析。本實驗設計具體步驟如下：①樣品制備；②酸處理過程；③氧化處理過程；④分析黑碳含量；⑤樣品平行測定兩次，最后取平均值。

2.4 數據的質量保證和質量控制（QA/QC檢驗）

①每次實驗均選取兩個平行樣品進行，取平均值；②進行回收率測定實驗，分析損失；③選取粒徑差別較小的同一樣品進行分析；④對儀器進行校正，并加空白樣進行分析。

3 淮河河南段水體表層沉積物中黑碳的研究

3.1 水體表層沉積物中黑碳的含量和分布

由對16個采樣點水體表層沉積物樣品中的黑碳進行分析可知，淮河河南段水體表層沉積物各個采樣點黑碳的總含量范圍為0.049～1.281 %，平均值為0.284 %。

支流沉積物中黑碳含量明顯高于干流中的含量，這和黃河河南段水體表層沉積物中黑碳含量相類似。干流自上而下表層沉積物中黑碳含量有逐漸增大的趨勢，可能是由于干流沉積物中黑碳含量自上而下逐漸積累，且水庫容納了周圍大量的污染物有關，同時受到其它因素的影響。

3.2 黑碳含量和TOC以及PAHs之間的相關性

3.2.1 黑碳與TOC之間的相關性分析。采用極差誤差法分析出兩個離群點，除去這兩個點，采用SPSS分析，表明淮河河南段水體表層沉積物中黑碳含量和TOC含量之間存在著顯著的相關性，Pearsin相關系數為r=0.882（α<0.01）。這表明沉積物中TOC含量和黑碳之間具有相似的來源。

3.2.2 黑碳與PAHs之間的相關性分析。淮河河南段水體表層沉積物中16種PAHs的總含量范圍為95.2（T—6） ～935.2（T—7） ng/g，平均濃度為400.5 ng/g。淮河河南段水體表層沉積物中PAHs的含量整體高于黃河河南段，淮河河南段受到PAHs的污染相對較高。

根據PAHs不同組分形成條件和來源的不同，將在中高溫度條件下燃燒形成的PAHs稱為燃燒性PAHs，其它種類的在中低溫度條件下的PAHs稱之為“非燃燒性”PAHs。

利用數理統計法分析淮河河南段水體表層沉積物中黑碳和PAHs含量之間的相關性，黑碳和PAHs總含量以及PAHs的各種組分含量之間的相關性總體可得結果如下：①黑碳和PAHs的總含量之間表現出顯著相關；② 與黑碳表現出明顯相關的各種PAHs主要屬于4～6環的高環化合物，屬于燃燒性PAHs；③ 體表層沉積物中黑碳和這些燃燒性PAHs之間的相關性初步表明，該區域水體沉積物中黑碳主要伴隨于PAHs在中高溫度條件下形成。

初步表明黃河河南段和淮河河南段水體表層沉積物中黑碳有著不同的來源條件，即伴隨于不同溫度條件下形成的PAHs而產生。

3.3沉積物中黑碳的可能來源分析

環境中的PAHs和黑碳具有相同或相似的來源，根據黑碳和PAHs各組分之間的相關性，從中可以推斷出黑碳的可能形成來源。

3.3.1 沉積物中PAHs的組成特征和來源分析。把PAHs以不同的環數進行分類，并用來表明各采樣點PAHs的不同組成特征。

淮河河南段水體表層沉積物中PAHs最主要的組成部分是4環的PAHs化合物，占總量一半以上，表明淮河河南段水體表層沉積物中PAHs含量主要以中高溫條件下燃燒產生來源為主。

在淮河河南段水體表層沉積物中黑碳主要來源于煤、木材的燃燒，其余少數采樣點來源于石油排放、泄漏和石油燃燒等。

淮河河南段流域是重要的產煤區，同時經濟的發展也消耗大量的煤炭，流域周圍存在著大量的火力發電廠、石油化工、紡織化纖、冶煉冶金等工業，在經濟發展的同時，向環境中排放了大量的黑碳。

4 實驗結果

（1）淮河河南段水體表層沉積物中黑碳含量的范圍為0.049～1.281 %，平均值為0.284 %。黑碳含量最大值位于支流潢河上的潢川水文站，最小值位于支流浉河上的琵琶山橋。

（2）表層水體沉積物中TOC在決定沉積物中黑碳的含量和分布上起著重要的作用。

（3）黑碳和PAHs的總含量之間表現出顯著相關，表層沉積物中的黑碳影響著表層沉積物中PAHs各種組分的含量和分布。

（4）結合黑碳與PAHs的相關性分析，可以推斷出黑碳來源于中高溫條件下煤炭、木柴以及石油及其精煉產品的不完全燃燒和少部分柴油的泄露。

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