峽江樞紐庫區(qū)沉積物表層重金屬分布及風(fēng)險評價

摘要：為掌握淹沒前峽江樞紐庫區(qū)沉積物表層重金屬的污染特征，采集5個典型代表性斷面沉積物表層樣品，并對7種重金屬進(jìn)行了測定分析。結(jié)果表明，沉積物中7種重金屬Cu、As、Pb、Cr、Hg、Cd和Zn的含量均值分別為11.19、9.48、40.69、58.82、0.15、0.27、79.85 mg/kg；庫區(qū)沉積物表層重金屬存在一定程度污染，除As、Cd外，其余重金屬元素均已經(jīng)超過鄱陽湖背景值。地累積指數(shù)法和污染指數(shù)法分析表明，Cd與Hg是主要污染因子，各元素污染程度排序為Cd>Hg>Pb>Cr>Zn>As>Cu，大部分重金屬元素呈正相關(guān)，具有相似遷移過程的規(guī)律與污染來源。Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價與污染程度評價結(jié)果基本一致，Cd和Hg達(dá)到中等風(fēng)險水平，其余元素在各斷面都處于低風(fēng)險水平。

關(guān)鍵詞：表層沉積物；重金屬；分布特征；生態(tài)風(fēng)險評價

中圖分類號：X820.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4472-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.029

Abstract： In order to have an overall understanding on the pollution characteristics of heavy metals in the sediments of Xiajiang Reservoir，five typical representative cross sections of surface sediment samples were collected，of which seven kinds of heavy metals were determined. The contents of Cu，As，Pb，Cr，Hg，Cd，Zn were 11.19，9.48，40.69，58.82，0.15，0.27，79.85 mg/kg.There was a certain degree of heavy metal pollution in the surface sediments in reservoir area. In addition to As and Cd，the contentration of other metal elements were higher than that of the background of Poyang Lake. The indexs of geo-accumulation and pollution indexs analysis showed that Cd and Hg were the main pollution factors， the sequence of pollution degree was Cd>Hg>Pb>Cr>Zn>As>Cu. A significant positive correlation was found among most of heavy metals with similar rules and sources of the migration process. Hakanson potential ecological risk indexs were basically consistent with the evaluation of the pollution degree evaluation results. Cd and Hg were in the medium risk level，while the remaining elements were in a low level of risk.

Key words： surface sediments； heavy metals； distribution； ecological risk assessment

水體沉積物不僅可以保留流域天然地質(zhì)信息，而且能反映人為作用對環(huán)境的影響[1]。沉積物作為水體污染物的歸宿和儲備庫，能以各種形態(tài)存儲99%水體中的重金屬[2]，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，沉積物中的重金屬又會重新向水體釋放，形成二次污染[3，4]。沉積物中重金屬的含量分布作為水體環(huán)境評價中的一個重要指標(biāo)，可以反映所在流域常年的污染狀況、污染特征和潛在風(fēng)險，也可追蹤可能的重金屬污染源，評價人為活動對水體污染物貢獻(xiàn)的大小。因此，研究與評價水體沉積物中的重金屬污染有重要意義。江西省峽江水利樞紐工程（峽江工程），是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的重點水利工程之一，項目建設(shè)一方面促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了影響。本試驗為掌握淹沒前峽江樞紐庫區(qū)沉積物表層重金屬的污染特征，采集5個典型代表性斷面沉積物表層樣品，并對7種重金屬進(jìn)行了測定分析，以期為贛江流域水質(zhì)保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為保障贛江沿岸供水水質(zhì)安全及今后開展相關(guān)監(jiān)測研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點設(shè)置

于2012—2013年間，采用GPS定位對峽江水利樞紐庫區(qū)設(shè)置5個采樣斷面S1（吉安市青原區(qū)，115.012 °E，27.118 °N）、S2（吉水縣文峰鎮(zhèn)，115.110 °E，27.178 °N）、S3（吉水縣文峰鎮(zhèn)，115.132 °E，27.248 °N）、S4（峽江縣巴邱鎮(zhèn)，115.132°E，27.513 °N）、S5（吉水縣文峰鎮(zhèn)，115.138 °E，27.195 °N），如圖1所示。

1.2 樣品處理

每個斷面處用重力式抓斗采泥器采集0～10 cm的沉積物，裝入聚乙烯袋，帶回實驗室自然風(fēng)干，手工剔除明顯的動植物殘片，用4分法獲得樣品，置于陶瓷研缽中研磨并過100目（0.15 mm）篩后保存?zhèn)溆谩７Q取0.200 0 g烘干樣品，經(jīng)HNO3-HCL體系消解后，采用原子熒光光度計測定Hg、As含量；經(jīng)HNO3-HF-HCLO4體系消解后[5]，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS（Aglient Elan9000）測定樣品中的Cu、Pb、Cr、Cd和Zn含量。

濃硝酸、高氯酸均為優(yōu)級純，濃鹽酸為分析純。

1.3 污染程度評價方法

1.3.1 地累積指數(shù)法 庫區(qū)沉積物表層重金屬污染程度評價采用地累積指數(shù)法，詳見參考文獻(xiàn)[6]。通常依據(jù)Geo-accumulation index（Igeo）將污染程度分為7個等級：等級0（Igeo<0，清潔）、等級1（0

1.3.2 污染指數(shù)法 庫區(qū)沉積物表層重金屬污染程度評價采用污染指數(shù)法[7]，污染指數(shù)法公式為：

式中，Ci為元素i的實測值；Cni為i的背景濃度；Cfi為單因子污染指數(shù)；Cd為總體污染指數(shù)；各評價指標(biāo)的污染程度分級見表1。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險法 采用瑞典學(xué)者Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[7-9]對庫區(qū)各監(jiān)測斷面重金屬的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，計算公式為：

式中，Tri為污染物i的毒性響應(yīng)系數(shù)；Eri為i的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)；RI為多種污染物的綜合風(fēng)險指數(shù)。其中Tri反映了污染物的毒性水平及生物體的敏感程度，揭示了重金屬對人體和水生生態(tài)系統(tǒng)的危害性[8]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

圖形信息采集用MapInfo Professional 7.0軟件處理，化學(xué)數(shù)據(jù)及生物數(shù)據(jù)采用SPSS19.0和Excel 2003等軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 分布特征分析

庫區(qū)表層沉積物重金屬含量的分析結(jié)果見表2。分析表明，5個斷面樣點表層沉積物重金屬中Cu元素的變異系數(shù)較大，為81.3%，其他元素空間變異系數(shù)較小。由表2可知，除了Cu、As以外，其他重金屬元素平均含量都高于全國平均含量，As、Cr元素的平均含量和全國平均值非常接近，而Pb、Hg、Cd和Zn元素的平均含量分別是中國水系沉積物平均值的1.73、3.75、1.93、1.17倍，尤其是Hg元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了全國平均值[10-12]。其中，S5斷面處各種重金屬元素含量均已超過研究區(qū)域的均值和全國的均值，這可能與此處為人口與交通密集處有關(guān)。

以鄱陽湖背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)[13]，利用單因子污染指數(shù)對庫區(qū)沉積物中的重金屬污染進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。由表2可知，除As、Cd外，其他單因子污染指數(shù)平均值均達(dá)到污染水平，Pb屬于沉積物中最重要的污染因子，污染指數(shù)為3.26，重金屬污染因子的順序為Pb>Hg>Cu>Cr>Zn>As>Cd。

采用SPSS 19.0軟件對各重金屬含量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示。相關(guān)性分析表明，庫區(qū)沉淀物大部分元素間呈正相關(guān)，其中Cu與Zn、Pb、Cd等元素的相關(guān)系數(shù)分別為0.506、0.701、0.622，反映其遷移過程具有相似的規(guī)律，在沉積物中他們的含量具有共同的變化趨勢。從地球化學(xué)的角度看，他們之間具有相近的地球化學(xué)特性，說明其可能具有相似的污染來源，且主要來自于工業(yè)污染廢水排放[14，15]。

2.2 污染程度評價

2.2.1 地累積指數(shù)法 各金屬元素地累積指數(shù)Igeo計算結(jié)果如表4所示。庫區(qū)表層沉積物重金屬Hg元素和Cd元素輕度污染，其中Cd元素在S5斷面處出現(xiàn)偏中度污染；其他金屬Igeo均值均小于0，但個別斷面的重金屬含量出現(xiàn)輕度污染，如Pb元素在S2斷面和S5斷面處出現(xiàn)輕度污染；Cu、As、Cr、Zn 4種元素在所有采樣斷面均保持清潔狀態(tài)。各金屬元素污染程度依次為Cd>Hg>Cr>Pb>Zn>As>Cu。

2.2.2 污染指數(shù)法 為避免采用大尺度平均值產(chǎn)生的偏差，本試驗選擇江西省地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量[16-18]作為背景值評價重金屬的污染情況，詳見表5。庫區(qū)表層沉積物重金屬元素Cfi和Cd值如表6所示。

分析表明，Cu、As屬于低污染水平，Pb、Cr、Hg、Cd、Zn元素都達(dá)到了中等污染水平，但Cu元素在S5斷面達(dá)到中等污染水平。各元素污染程度排序為Cd>Hg>Pb>Cr>Zn>As>Cu。Cfi與Igeo的計算方法都是基于重金屬實測值與區(qū)域背景值的比較，然而由于分級標(biāo)準(zhǔn)不同可導(dǎo)致污染等級的劃分出現(xiàn)一些差異[19]。兩種方法的分析結(jié)果均表明，Cd與Hg是研究區(qū)域的主要污染因子，這可能與峽江庫區(qū)造紙、印染行業(yè)分布有關(guān)。從綜合污染指數(shù)來看，除S1斷面外，調(diào)查區(qū)域Cd均值在8～16之間，總體屬于中等污染水平，最大值出現(xiàn)在S5斷面，Cd值為12.02。

2.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險法 表7為潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果。分析表明，Cd和Hg達(dá)到中等風(fēng)險水平，監(jiān)測點中，有超過60%以上樣本Eri值大于80，達(dá)到了較重生態(tài)風(fēng)險程度；其余元素在各斷面都處于低風(fēng)險水平。風(fēng)險系數(shù)排序為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn。其中Cd與Hg是研究區(qū)域最主要的生態(tài)風(fēng)險因子。這與Cfi單因子污染指數(shù)計算結(jié)果的排列順序有所差別，原因是生態(tài)風(fēng)險評價考慮了重金屬的生物毒性效應(yīng)因素，相關(guān)結(jié)果更能反映重金屬元素的潛在生態(tài)危害[20]。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)來看，除S1監(jiān)測斷面外，調(diào)查區(qū)域RI均值在150～300之間，總體處于中等風(fēng)險水平，最大值出現(xiàn)在S5斷面，RI值大小為212.84。

3 小結(jié)

1）庫區(qū)沉積物表層一定程度已受重金屬的污染，除As、Cd外，其余金屬元素均已經(jīng)超過以鄱陽湖背景值。與全國水系沉積物重金屬平均水平比較，As、Cr元素的平均含量和全國平均值非常接近，而Pb、Hg、Cd和Zn元素的平均含量均超過中國水系沉積物平均值水平。

2）污染程度評價表明，Cd與Hg是主要的污染因子，污染程度較高；Cu、As屬于低污染水平；Pb、Cr、Zn元素介于兩者之間；庫區(qū)沉淀物大部分重金屬元素間呈正相關(guān)，具有相似遷移過程的規(guī)律與污染來源，且主要來自于工業(yè)污染廢水排放。

3）不同斷面沉積物中重金屬含量分布差別較大，污染最重的為S5與S2，周圍無污染源的S1斷面污染較輕；生態(tài)風(fēng)險評價與污染程度評價結(jié)果基本一致，Cd和Hg達(dá)到中等風(fēng)險水平，其余元素在各斷面都處于低風(fēng)險水平。鑒于庫區(qū)印染等工業(yè)廢水不達(dá)標(biāo)排放，建議應(yīng)加強(qiáng)對當(dāng)?shù)剡@些企業(yè)排放的監(jiān)控和管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁 浩，王雨春，顧尚義，等.黃河水系沉積物重金屬賦存形態(tài)及污染特征[J].生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（11）：1966-1971.

[2] SALOMONS W，STIGLIANI W M.Biogeodynamics of Pollutants in Soils and Sediments[M].New York：Springer-Verlag，1995.

[3] KAPLAN D I，POWELL B A，DUFF M C，et al. Influence of sources on plutonium mobility and oxidation state transformations in vadose zone sediments[J].Environmental Science and Technology，2007，41：7417-7423.

[4] 曾 艷，張 維，陳敬安，等.紅楓湖入庫河流沉積物中重金屬污染狀況分析[J].地球與環(huán)境，2010，38（4）：470-475.

[5] 彭 渤，唐曉燕，余昌訓(xùn)，等.湘江入湖河段沉積物重金屬污染及其Pb同位素地球化學(xué)示蹤[J].地質(zhì)學(xué)報，2011，85（2）：282-299.

[6] MULLER G. Index of Geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geojournal，1969，2：108-118.

[7] HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control： A sedimentological pproach[J].Water Research，1980， 14（8）：975-1001.

[8] 湯 潔，陳初雨，李海毅，等.大慶市建成區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害和健康風(fēng)險評價[J].地理科學(xué)，2011，31（1）：117-122.

[9] 許振成，楊曉云，溫 勇，等.北江中上游底泥重金屬污染及其潛在生態(tài)危害評價[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30（11）：3262-3268.

[10] 鄢明才，遲清華，顧鐵新，等.中國各類沉積物化學(xué)元素平均含量[J].物探與化探，1995，19（6）：468-472.

[11] 朱青青，王中良.中國主要水系沉積物中重金屬分布特征及來源分析[J].地球與環(huán)境，2012，40（3）：305-313.

[12] 王 云，魏復(fù)盛.土壤環(huán)境元素化學(xué)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1995.

[13] 鄱陽湖研究編委會.鄱陽湖研究[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

[14] 王偉力，耿安朝，劉花臺，等.九龍江口表層沉積物重金屬分布及潛在生態(tài)風(fēng)險評價[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2009，27（4）：502-508.

[15] 余 輝，張文斌，余建平.洪澤湖表層沉積物重金屬分布特征及其風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)，2011，32（2）：437-444.

[16] 徐光炎，何紀(jì)力，郭依勤，等.江西省地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，1992，8（3）：6-8.

[17] 魏復(fù)盛，楊國治，蔣德珍，等.中國土壤元素背景值基本統(tǒng)計量及其特征[J].中國環(huán)境監(jiān)測，1991，7（1）：1-6.

[18] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

[19] 寧璇璇，夏炳訓(xùn)，姜軍成，等.煙臺開發(fā)區(qū)近海表層沉積物重金屬的分布特征與風(fēng)險評價[J].海洋通報，2013，32（1）：100-106.

[20] 徐爭啟，倪師軍，庹先國，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價中重金屬毒性系數(shù)計算[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（2）：112-115.