巢湖十五里河河流沉積物地球化學元素分布特征

張天然 張平究 楊艷芳 張經緯

摘要 十五里河是巢湖流域污染最嚴重的城市河道，其河流沉積物中的地球化學元素對水體環境分析有重要意義。對十五里河沉積物進行采樣，并對其沉積物中的化學元素分布特征進行分析，發現大部分元素的空間分布主要受到母質作用的影響，與河流上下游并無明顯相關性;CaO、Nb等元素及化合物的分布特征受到河流作用影響;受人類活動污染和元素遷移性的影響，部分元素含量存在異常升高。

關鍵詞 十五里河;沉積物;元素分布;河流作用;母質;人為活動

中圖分類號 P595? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）13-0055-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Distribution Characteristics of Geochemical Elements in River Sediments of Shiwuli River in Chaohu Lake

ZHANG Tian ran1，2，ZHANG Ping jiu1，2，YANG Yan fang3 et al

（1.School of Geography and Tourism，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241003;2.Anhu Provincial Key Laboratory of Earth Surface Process and Regional Response in the Yangtze Huaihe River Basin，Wuhu，Anhui 241003;3.School of Ecology and Environment，Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241003）

Abstract The Shiwuli River is the most polluted urban river in the Chaohu Lake basin，and the geochemical elements in its river sediments are of great significance to the analysis of the water environment.In this paper，the sediment of Shiwuli River was sampled，and the distribution characteristics of the chemical element were analyzed.It was found that the spatial distribution of most elements was mainly affected by the action of parent material，and had no obvious correlation with the upper and lower reaches of the river;the distribution of elements such as CaO and Nb was affected by fluvial processes;the contents of some elements were abnormally increased due to the pollution of human activities and the migration of elements.

Key words Shiwuli River;Sediments;Element distribution;Fluvial process;Parent material;Human activities

地表徑流是重要的水資源，河水及沉積物中的地球化學元素是水體環境的重要衡量指標[1]。而地表徑流產生的河流作用是一種自然力量與人類活動的綜合作用，它會打破原來的地球化學元素分布特征，從而使地球化學元素產生新的分配形式[2]。即使一些元素的分布在河流水相中沒有規律，但在沉積物中一些元素易得到積累，并呈現一定的規律[3]。水體沉積物是各元素的重要蓄積庫[4]。與水體懸浮物相比，沉積物含量更高從而更有利于檢測[5]，故沉積物中各類元素的分布情況可反映所在流域的污染狀況并為污染物來源的考證提供依據。

近年來沉積物中重金屬元素分布與遷移等環境地球化學調查研究尤其受重視[6]。一般而言，在水體中，水相中的重金屬及其他元素含量往往較少，且隨機性大，分布一般無明顯的規律性[7]。但在沉積物中，重金屬以及其他元素易得到累積，并表現出一定的規律性[8]。因此，通過對河流沉積物的元素分布特征以及遷移轉化規律的研究，對分析河流污染狀況，揭示水系流域地區水體元素組成，考證水系環境質量狀況與變化[9]，都具有重要意義。

巢湖為國家重點治理的“三湖”之一，頻頻爆發水華污染，污染十分嚴重，尤其是西半湖常年處于富營養化狀態[10]。十五里河是合肥城區與西半湖聯通的重要水道，其河水發源自合肥市區的大蜀山南麓，直接注入巢湖西部。十五里河作為該流域污染最嚴重的城市河道，其水污染產生的原因和河流沉積物元素組成極具代表性。

由于十五里河污染源種類多，實際情況復雜，近年來，已有學者對其河口沉積物污染特征[11]、氮磷污染特征及間隙水營養鹽濃度[4，12]、沉積物不同形態的氮磷分布及有效性[13-14]、沉積物磷平衡濃度對外源碳的響應[15]、重金屬元素、營養元素、多環芳烴等污染物及其來源[16-19]等方面有一定研究，但針對十五里河河流地球化學元素的分布特征還有待分析研究。為此，筆者采用元素分析儀對十五里河表層沉積物元素的組成進行提取和分析，研究沉積物中不同元素的分布特征，并結合流域內的地理環境對河流污染源進行分析，以期為河流污染物治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 十五里河位于合肥市西南郊，發源于大蜀山東南麓，自西北流向東南，在濱湖新區匯入巢湖，為巢湖的一級支流。十五里河全長 35 km，流域面積 106 km2，河寬 2～32 m，河道平均坡降0.72 ‰，不通航。十五里河在上游建有人工湖泊天鵝湖，在下游采用溢流壩蓄水。自天鵝湖以下至入巢湖口長度為26 km，是城市重要涉水景觀水體。十五里河天鵝湖以下河段可分為：上游，祁門路到312國道，約5 km;中游，312國道到包河大道，約11 km;下游，包河大道到李榮入湖口，約10 km。目前十五里河上游為城市河道，中游和下游為城郊河道。主要支流從上游至下游分別有宿松路梳背橋支流、希望渠、王年溝、許小河、圩西河等。其中，宿松路支流已截流。希望渠由兩個20 m寬、200 m長、4 m深的池塘串聯組成，雖然為農灌排水渠，但是高王村等村落的生活污水和生活垃圾也排放到該渠中，渠底淤積嚴重。王年溝是駱崗機場區域的排洪溝。許小河位于合肥市東南部，為十五里河中游的一條支流，屬城市內河。圩西河位于十五里河下游，主河道長約5 km，上游是一個小型水庫。還有來自合肥市經濟開發區部分區域的雨水轉輸（塘西河雨水轉輸管），雨水轉輸管覆蓋的徑流面積約為25.9 km2。

十五里河上游位于合肥市市區，主要為合肥市政務中心所在地以及居民區，生活污水是其重要的水量來源。雖然天鵝湖風景區水質較好，但天鵝湖壩下水質出現明顯惡化，該處附近原有的江淮化肥廠和紅四方化工集團兩個化肥生產企業也已在近10年陸續停產、搬遷[5]。十五里河中游為城市在建區，主要用于商品住宅和工業園區建設。下游則多為農田和魚塘等農業生產用地，農業排水渠較多且直接連接河流，面源污染較嚴重。綜上所述，在巢湖主要出入湖河流中，十五里河是污染最嚴重的河流之一，污染類型復雜多樣，也是巢湖污染物的主要來源之一。

1.2 樣品采集與前處理

2017年8月，對十五里河巢湖至天鵝湖河段進行實地考察，自下游向上游設置了8個采樣點（圖1）。其中S1位于十五里河靠近入湖口處，希望橋下;S2位于排污口附近;S3位于十五里河支流圩西河入河口附近，且附近為前楊村橋;S4位于排污口處，且附近為大板橋所在地;S5位于許小河和十五里河交匯處;S6靠近排污口處，其附近為高王橋;S7是以藥品制造廠為主的排污口處，且為河流拐彎，水流極緩，與河流連接處設有堤壩;S8位于兩處溢流壩中間。其中S1～S3位于十五里河下游河段，S4和S5位于十五里河中游河段，S6、S7和S8位于十五里河上游河段。由于S5以上河段大部分河床裸露、水流較急，而該河段內部分地方攔河壩可能進行了底泥清淤處理，沉積物多為砂質，因此，S5以上河段布設的采樣點較少。

2018年3月，采用抓斗式底泥采樣器對0～10 cm的表層沉積物進行采集，一個采樣點3個混合樣，每個混合樣用抓斗式底泥采樣器抓3次，混合起來，用自封袋進行封裝，裝入放有冰袋的冷藏箱帶回實驗室。去除肉眼可見的細根、礫石等雜物，將采集的沉積物部分研磨后，過200目篩，再用Elementar元素分析儀測定其地球化學元素含量。

1.3 數據分析 用Mricrosoft Excel 2016、SPSS 25和Matlab 2018a進行數據分析處理。河流元素上下游分布差異采用Kruskal Wallis Test進行分析，金屬元素與環境變量間的關系用RDA進行描述。

2 結果與分析

2.1 十五里河河流沉積物元素及化合物總體分布情況 河流以其巨大的水流能量作用于河床及兩岸，在地殼風化物質風化、搬運和沉積過程中扮演著重要角色。河流作用下元素間的相關關系增強，對地球化學元素的分配起了一定的集聚和混勻作用。河流作用中自然力量和人為活動影響在地球化學元素分配的影響上是一種疊加關系[2]。河流沉積物元素中，除去無明顯分布規律的數據，仍有部分元素沿著河流上游至下游含量逐漸發生變化，如表1所示。可見這些元素受到了河流的自然作用分配。

2.2 十五里河河流沉積物中CaO、Sr、Nb、La、Ti的分布規律

從表1中剔除與不同河段樣點分布無明顯相關性的元素，發現CaO、Sr自河流上游向下游呈遞減趨勢，如圖2所示。這些元素具有明顯的同源性。這是由于Sr元素可以與冷水發生反應，而研究區降水豐富，因此河流中Sr濃度較低[20]。

圖3表明，Nb、La、Ti 自十五里河上游至下游呈遞增趨勢。在河流作用下，元素之間相關關系可能會增強，從而使地球化學元素的分布產生了聚集效應。表明這些元素具有明顯的同源性。在下游Nb、La、Ti等主要來自巖石圈母質的元素含量偏高，表明是母質中的物質在水動力作用下在河流下游發生了集聚效應。

2.3 十五里河河流沉積物中Cu、P、Ni、MgO、S、Ba、Pb的分布規律

圖4 表明，Cu、P、Ni、MgO、S、Ba、Pb等元素及化合物，自十五里河下游往上游呈現上升趨勢，但在樣點7附近含量偏高，達到全流域含量的峰值，這可能與人類活動污染及移動性大小有關。在河流中污染源往往在不同河段的污染中起決定性作用[3]。 P、Cu、Pb、Ni、MgO、S、Ba、Pb等元素在樣點7附近含量偏高甚至達到峰值。這可能與樣點7附近曾經存在污水廠之類的點源污染物排放[21]有關。由于污染源控制，污染范圍相對集中在樣點7附近，排污口對河流進行外源輸入，影響到河流地球化學元素的構成。即使水體的自凈能力可以進行適度恢復，使一些污染元素的污染強度適度降低，但是工業廢水和城市生活污水的排放以及農業面源污染都可能會向河流輸入大量的金屬元素，而這些元素本身的特性使其在環境中不易降解，長期留存于環境中，對環境造成持續性污染[22]。河流沿岸地球化學元素的變化不僅表現在受河水對巖石和土壤風化侵蝕搬運作用的影響，還與人類的工農業生產密切相關[23]。僅靠水體的自凈能力無法恢復，造成部分元素的異常分布。

有研究表明，在沉積物的重金屬元素含量之間，Cu與Cr，Cd與Hg呈現較好的相關性[10]。從整條流域上看，十五里河河流沉積物中的重金屬元素在中游地區最嚴重，且各金屬之間也呈現出較強的相關性。該河重金屬污染特征總體上處于中污染狀態。C/N比表明十五里河沉積物中有機質主要以外源輸入為主[24]。水體中溶解態重金屬極易發生沉淀轉移到沉積物中，同時也可以從沉積物中溶解進入水體[25]。即這些元素的分布特征與人類活動和元素自身的遷移性質有關。

2.4 十五里河河流沉積物中SiO2、Rb、Zn、Al2O3的分布規律

圖5表明，SiO2在樣點7附近含量偏低。研究區域水資源豐富，河流作用顯著，隨河流高程降低，其SiO2含量增加，顯示表生水動力驅動下，石英等難溶性礦物隨水遷移。SiO2含量在樣點7附近偏低，可能是由于附近排污口水動力作用較強、SiO2遷移性較強所致[26]。

圖6表明，Rb、Zn、Al2O3在樣點7附近含量異常偏高。Rb是Li、Cs等金屬冶煉過程中的副產物。在現代工業中，Zn在電池制造等行業占據不可替代的地位。有數據顯示，我國是全球最大的Al2O3生產國，隨著我國電解鋁、陶瓷、醫藥、電子、機械等行業的快速發展，市場對Al2O3的需求量越來越大。再結合樣點7附近曾經的排污狀況，以上幾種元素和化合物可能是在河流作用下發生遷移，又受到外源釋放的影響;或者曾經受到外源釋放的影響，釋放的污染物沒有得到及時有效地清除，仍以內源釋放的方式影響河流沉積物的元素構成。

3 結論

筆者針對十五里河河流沉積物地球化學元素的分布特征進行了分析，發現其河流沉積物的元素構成以母質等地質條件影響為主。除CaO、Sr、SiO2外，大部分元素的空間分布與河流上下游并無明顯的相關性，其主要受到母質作用的影響;河流作用影響了Ca、Nb等元素的分布特征，使其從上游到下游遞減或遞增;在采樣點7附近部分元素含量達到峰值或異常升高，主要是由于受到人類活動污染，并且可能伴隨著元素遷移性的影響。

該研究區域水資源豐富，河流作用顯著。但是不同河段土地利用方式存在差異，十五里河曾經存在污水廠等點源污染物排放，因而陸源物質輸入存在差異，促使沉積物物理化學性質、營養狀況及污染狀況發生改變，進而影響十五里河流域不同河段河流沉積物的元素構成，并導致河流產生外源釋放。外源釋放和河流作用的共同影響，造成污染元素的沉積。

母質等地質因素是研究區元素種類構成的主要因素，河流的搬運、侵蝕和沉積等自然過程是影響地球化學元素構成的首要因素。人為活動可以在河流自然作用下對河流元素的分布進行再分配，而不同元素由于自身的遷移性不同展現出更加多樣的分布規律。兩種力量共同作用，相互疊加共同形成十五里河上中下游元素分配的特有特征。

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