咸陽湖底泥重金屬污染特征及污染評價

趙明芳 薛東劍 黃美華

摘要：為研究分析咸陽湖底泥重金屬的污染狀況，采集其底泥沉積物樣品100個，對其中9種重金屬元素的含量特征統計分析，包括銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、釩（V），并利用地積累指數法、潛在生態風險指數法對咸陽湖底泥的重金屬污染進行評價，最后再應用相關性分析法和主成分分析法推測判斷其污染來源。得出咸陽湖底淤泥沉積物中重金屬的地積累污染指數的大小順序為：Cd>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni>Cu，潛在生態風險大小順序為Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，其中Cd、Co、Pb的污染程度相對較高，均值輕度及以上，其他元素污染程度都很輕微。尤其Cd，污染程度極嚴重，是風險指數偏大的主要貢獻者。

關鍵詞：重金屬;咸陽湖底泥;地積累指數;生態風險;來源分析

1 引言

重金屬的危害是持久的、易富集且生物毒性強，這些使其成為自然界中危害較重的一類污染物。河流、湖泊底沉積物是水環境的重要組成部分，不但能夠為水中各種生物提供生活場所基本營養物質，而且能夠為各種環境污染物提供穩定的接收存儲地。這些吸附于河流和湖泊底泥中的重金屬在經過復雜的生物化學作用后會再一次釋放在水中，從而會間接或直接對水生生物生存甚至人類健康產生潛在威脅，底泥污染物的濃度是可以間接反映水環境污染程度。隨著工業化快速發展，一些持久性污染物入湖，湖泊污染趨向于復合污染。胡必彬研究表明重金屬污染在我國大部分流域內已經存在，局部水域污染嚴重;周楠楠等人分析了東平湖底泥重金屬質量比及形態分布，來探究青藏高原湖泊沉積物中重金屬的來源以及對生態環境的危害，郭泌汐等人研究分析了青藏高原18個湖泊的沉積物樣品，發現西藏的大部分湖泊生態風險處于中等以上。

咸陽湖這一人工湖泊自立壩蓄水以來較少進行大的設施維護和改造，湖底淤泥經常裸漏，橡膠壩的壩袋破損嚴重。近年咸陽湖開展了十年來首次壩帶更換和清淤工程。前幾年，咸陽湖景區中的青年湖湖水異常，湖水的顏色表成紅褐色，并且有許多死魚漂與其上;咸陽暴雨天，生活污水和雨水曾多次混合直排進咸陽湖使得大片湖水受污等類似報道。可見十年來咸陽湖污染物在不斷積累，水體生態環境在不斷惡化。因此，本文對咸陽湖的底泥重金屬元素進行污染評價，從而掌握水體污染特征并做出相關的風險評價，希望能夠為當地人工湖泊污染綜合治理和風險管理提供科學依據。

2 實驗樣品的采集與分析

2.1 咸陽湖概況

咸陽湖是渭河流經咸陽市截留而形成的人工湖泊，渭河是咸陽地區重要的農業灌溉水源。咸陽地處暖溫帶半干旱半濕潤性氣候區，四季冷熱干濕分明，年平均降水量537-650mm。咸陽湖是渭河咸陽城區段在渭河谷地500米寬的范圍中部修筑一條中隔墻，形成北側寬270米的泄洪蓄水渠，南側寬230米泄洪渾水渠，在中隔墻以北泄洪渠內修建兩道橡膠壩攔水，形成水面1.24×106m2的咸陽湖，同時在本段渭河兩岸建設護坡防洪工程和一系列綠化、人文景觀工程，它的修建極大地改善了咸陽城市面貌，產生了巨大的生態、經濟社會效益。

2.2 底泥樣品的采集與方法介紹

2.2.1 樣品的采集

樣品采集選擇天氣晴朗且清淤期間，采樣工具有聚乙烯塑料袋、標簽、塑料小鏟子、筆、手機GPS定位軟件等。采樣地點以咸陽湖西側咸通路為起點向東至渭河隴海鐵架橋附近，全長4.7公里，采集樣品總數100袋，采集間隔均勻分布。

2.2.2 樣品預處理

對樣品先在室內20℃室溫下自然風干，再用烘干箱在55℃下繼續烘干一天直至完全干燥。對樣品進行去雜質處理，并通過1mm尼龍篩，再用瑪瑙研缽進行研磨，用20目篩濾。為保證測量的精度，每個樣品測量三次，最終取三次測量的平均值，錄入數據。

2.3 重金屬污染風險評價方法

2.3.1 地積累指數法

德國科學家Muller于1969年提出的地積累指數是利用一種重金屬的總含量與其地球化學背景值的關系，來定量評價水環境沉積物中重金屬污染程度的指標。相比較于其他評價方法，地累積指數法除考慮到人為污染因素、環境地球化學背景值外，還考慮到可能會引起背景值變動的自身因素，彌補了其他方法不足，因此更能確切地反映出目前當地土壤中重金屬實際污染程度，其評價結果更具有可比性，已有很多研究者使用此方法進行了相關研究。地積累指數計算方法如下：

（1）

式（1）中，Cn為沉積物中重金屬n的實測含量;1.5為參考地區巖石差異可能起背景值變動而取得系數，Bn為該底泥重金屬元素n的地球化學參比值，研究中選取陜西省地區土壤的背景值作為評估參比值，地積累指數的評價標準從0～5共分成了7個等級，污染程度也從小于0，到大于5，依次污染加重。

2.3.2 潛在生態風險指數法

由瑞典科學家 Hakanson于1980年提出，該方法可綜合反映了沉積物中重金屬對生態環境的影響潛力，是一種評價沉積物潛在生態危害的方法，是評價沉積物重金屬潛在生態風險時應用最廣泛的方法。

潛在生態風險指數 RI 的計算方法如下：

（2）

式中，C if為污染因子;C is為沉積物中重金屬i的實測含量;C in為重金屬i的參比值;T ir為重金屬i的毒性響應系數，反映重金屬的毒性水平及生物對重金屬污染的敏感程度;E ir為重金屬i的潛在生態風險系數;RI為潛在生態風險指數。Hakanson潛在生態風險指數及分級的分類也是小于40、40～80、80～160、160～320和大于320，依次生態風險增高。

3 咸陽湖底泥重金屬污染特征及風險評價

3.1 底泥重金屬的含量特征

咸陽湖底泥樣品中重金屬含量測定結果見表1。依據陜西省土壤及中國水系沉積物背景值，可發現顯示研究區底泥樣品中重金屬Cu、Zn、Co、Ni的平均含量均大于陜西省土壤和中國水系沉積物背景值。Cd、Co、Ni、Zn的平均含量分別是當地土壤背景值的164.3倍、2.1倍、1.5倍、1.6倍，分別為中國水系沉積物背景值的129.1倍、1.8倍、1.5倍、1.6倍。而Cd、Co、Ni、Zn、Cu這5種重金屬含量均比陜西省土壤背景值高，Pb、Mn、Cr和V的平均含量均明顯低于陜西省土壤和中國水系沉積物背景值。從變異系數上來看，除Cu、Zn、Ni以外，其余6種重金屬Pb、Co、Cr、Cd、V的變異系數分別高達139%、115%、179%、116%、171%，尤其Cr最高，都屬于強變異性，反映其受外界環境干擾嚴重。Cu、Zn、Mn、Ni的超標率高達均83%、92%、96%、86%，嚴重超標。

3.2 底泥重金屬污染生態評價

3.2.1 地積累指數法

根據式（1），根據計算可得，咸陽湖底泥重金屬元素的地積累污染指數的大小順序為：Cd>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni>Cu，其指數平均值分別是-0.22、0.624、0.042、0.166、1.541、-0.086、0.255、7.945和0.073。則可知Cu、Ni的污染等級都為0，屬于無污染水平，Pb、Zn、Mn、Co、Cr、V的污染等級都處于1級和2級，屬輕度污染、偏中度污染，污染程度較輕。說明這兩種重金屬在河流沉積物中富集程度低。Cd的地積累指數為7.95，污染等級高達6級，極重度污染。

3.2.2 潛在生態風險指數法

參照風險等級評價標準，對重金屬的潛在生態風險指數各重金屬的潛在生態風險等級從高到底依次為：Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，其指數平均值分別為6.82、106.97、1.587、1.737、10.344、7.337、0.860、4713.913和0.825，總的生態風險指數RI為4843.93，屬于極強生態危害，Cd含量較低，但其對生態風險指數的貢獻卻非常高，達97.30%。因此，可以這樣說，由于Cd元素的極強生態危險系數，對咸陽湖潛在生態風險指數的貢獻很大。

4 主要結論

（1）咸陽湖底泥沉積物中Cu、Zn、Co、Ni平均含量均超過當地土壤和中國水系沉積我背景值。而其他五中重金屬Pb、n、Cr、Cd、V的平均含量均低。總的來看，咸陽湖底泥中重金屬含量元素Cu、Zn、Co、Ni含量很高，累積嚴重。但其他重金屬元素都含量正常，相對較低。Pb、Co、Cr、Cd、V都屬于強變異性，反映了這些重金屬的空間分異性強。Cu、Zn、Mn、Ni的超標率高達83%、92%、96%、86%，其他五種重金屬超標率均較低。

（2）地積累污染指數的大小順序為：Cd>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni> Cu。其中Cu、Ni的污染等級都為0，屬于無污染水平，Pb、Zn、Mn、Co、Cr、V的污染等級都處于1級和2級，屬輕度污染、偏中度污染，污染程度較輕微。重金屬Cd的地積累指數為7.95，達到了污染等級的最高級6級，屬于極重度污染程度。次之是Co，屬于偏中度污染。潛在生態風險指數法評價結果顯示：潛在生態風險從高到底依次為：Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，Cd的級別較高，污染程度極嚴重。特別是Cd對生態風險指數的主要貢獻者。

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作者簡介：趙明芳（1994—），男，陜西人，研究方向：資源與環境遙感。

（作者單位：1.成都理工大學地球科學學院;

2.西北師范大學地理與環境科學學院）