巢湖西半湖淺層沉積物元素調查分析

許 毅

（安徽省建設工程測試研究院有限責任公司，安徽 合肥 230051）

巢湖是我國五大淡水湖泊之一，其中西半湖約占全湖總面積的三分之一，是合肥市五大城市過境河流南淝河、十五里河、派河、杭埠河和塘西河的入湖之處。其中南淝河是最主要的過境河流，多年來污染嚴重。對重金屬污染的研究一直是環保界的關注點。重金屬可通過地表徑流、遷移、沉降并以相應物理、化學、生物過程釋放到水體中，直接或間接對生物產生致毒致害作用，并通過生物富集、食物鏈放大等影響人類健康[1]。而水環境中的重金屬離子絕大部分均結合于顆粒物中，通過各種物理化學過程由水相轉為固相，并逐步轉移至沉積物，沉積物中的重金屬會釋放到水體中，造成水體的二次污染，因此研究水體淺層沉積物中的重金屬尤為重要，也更具有客觀性。本文利用波長色散-X射線熒光儀和電感耦合等離子發射質譜儀對巢湖西半湖淺層沉積物的元素成分進行分析[2]，判斷沉積物中的主要元素成分，根據HJ780-2015等標準方法對流入巢湖西半湖的五條河流匯入點的樣品定量檢測，比較不同點位元素含量差異，分析污染物空間分布情況。

1 實驗部分

1.1 研究區域

在巢湖西半湖湖區布設W1、W2、W3、W4、W5、W6六個點位，見表1。

表1 巢湖西半湖采樣點位圖

如表1所示，將五條入湖河流的匯入口及湖心位置作為巢湖西半湖湖區的淺表層沉積物的采樣分析點。將南淝河上游董鋪水庫點設為對照點。

1.2 樣品采集和檢測分析

采用柱狀采泥器采集沉積物樣品放入聚四氟乙烯密封袋中低溫保存轉運至實驗室，樣品經過真空冷凍干燥儀進行冷凍干燥后，用瑪瑙球磨機進行磨碎并過篩，四分法取樣，待分析的樣品經壓片機壓片成型后依據環保行業檢測標準HJ 780-2015，參照儀器操作程序建立測量方法。a定性分析：采用F-U檢測范圍，對樣品進行定性分析；b定量分析：校準標線建立，將1.2中列出的標準物質進行壓片，在儀器最佳工作條件下，依次上機測定分析，記錄X射線熒光強度，以強度對應各元素（或氧化物）的含量建立校準曲線。待測樣品按照與校準曲線相同的條件進行檢測，根據相應的熒光強度和校正方程，計算出待測元素的含量。

2 結果與討論

2.1 巢湖西半湖淺層沉積物元素的定性分析

通過四分法在每個點位取一定量的樣品進行混合作為西半湖的綜合樣品，對樣品進行F-U掃描定性分析，得出西半湖沉積物的元素成分含量高于0.5%的元素10個，其中Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg是地殼中富含元素，反映不出其污染狀況。定量分析在大于0.5%含量水平上對Ti、Mn、Ru進行分析。低于0.5%的元素共檢出16種，其中非金屬元素3種，為P、S、Cl。因而確定進行定量分析的元素為27種：Cl、S、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、P、Cu、Zn、Ga、As、Br、Pb、Th、Rb、Sr、Y、Zr、Ce、Hf、La、Sc、Hg、Cd。

2.2 巢湖西半湖淺層沉積物元素的定量分析

對以上目標元素檢測結果進行統計得出定量分析元素的描述統計量。

2.2.1 含量變化大的元素分布特點

運用SPSS軟件對相對標準差作四分分位分析，得出百分位數節點為：25%：10.8，50%：18.6，75%：23.8。根據四分位節點確定變化最大的一類元素為Br、Cl、Zr、Hg、Mn，表明此類元素在巢湖西半湖區呈區域性分布，遷移速率較慢。確定變化最小的一類元素為Ti、Ce、S、Zn、Sr、Ba、Cu，此類元素分布均勻。

將變化最大的一類元素的含量除以對照點的含量得出超背景點倍數，作點位分布柱狀圖可知：南淝河入河區Cl、Br顯著高于其他點位，表明該區域受鹵素元素污染嚴重，南淝河是鹵素元素主要輸入口，主要是由大量生活污水和工業有機廢水導致，據統計，南淝河接納了合肥市85%以上的工業廢水和生活污水。

2.2.2 污染物金屬元素分布

將一類和二類污染金屬元素的含量除以對照點的含量得出超背景點的倍數，做各點位一類和二類污染物金屬元素分布柱狀圖，如圖1。

圖1 一類和二類污染物金屬元素點位分布圖

從圖2可知：與對照點相比，一類金屬污染元素在西半湖湖區各個采樣點位均有明顯分布，Ni在W1、W2點位；Hg在W2點位低于對照點，其余元素均超對照點2倍以上，Pb最為嚴重，超對照點6倍以上，Cr、As、Cd超對照點4倍以上。點位W1各一類污染物金屬元素均明顯低于其他點位。近年來合肥對南淝河采取了一系列的環境保護措施，如清淤底泥和生態補水等并取得了很好的生態效果。二類金屬元素污染物在各點位上有明顯的分布，均高出對照點二倍以上。其中Zn最為嚴重，各點位均超8倍以上。Mn在W1上明顯低于其他點位。

2.2.3 各點位間聚類分析

依據各點位的檢測結果，除以對照點的數據作歸一化處理。再使用SPSS數據統計軟件進行聚類分析，得出結果如圖2。

圖2 巢湖西半湖湖區各采樣點位聚類分析樹狀圖

從圖2可知：巢湖西半湖湖區的6個采樣點可分成三類，第一類為W1，第二類為W2、W4，第三類為W3、W5、W6。W1與其他采樣點有顯著差異，這與近幾年合肥市加大河道整治有關。

2.3 重金屬元素的潛在生態效應

各重金屬元素的生物毒性是不同的，即使具有相同含量的Cu、Zn Hg、Cd、Pb、Cr、As，它們的生物毒性也有差別。利用重金屬元素污染的潛在環境生態風險評價，要比直接評價土壤重金屬元素超標倍數能更好地說明重金屬元素的危害。Hankanson從沉積學角度提出土壤或沉積物中重金屬污染評價的方法，將重金屬生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，其計算公式為：

從圖3可知，西半湖淺層沉積物潛在生態環境危害最大的元素是Hg和Cd，Hg、Cd處于大于80小于160的區間，潛在生態危害等級為強。Cr、Cu、Zn、As、Pb處在20以下，潛在生態危害輕微，危害程度排序為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr。從圖3可知西半湖湖區各點位的綜合潛在生態危害指數均大于150，低于300，潛在生態危害等級為中等。各點位差異性不大，均處在250附近，平均各點位指數為235.2，巢湖西半湖湖區受到重金屬潛在生態危害程度為中等。

圖3 單元素潛在生態危害指數與綜合潛在生態危害指數分布圖

2.4 重金屬的生物效應

生物效應數據庫法是目前國際上最為被廣泛接受的制定水體沉積物重金屬質量基準的方法[4]。該方法通過分析大量的水體沉積物重金屬含量及其生物效應數據，以確定沉積物中引起生物毒性與其他負面生物效應的重金屬濃度閾值。稱為臨界效應的濃度（TEL）和必然效應的濃度（PEL），均指表層沉積物中某種重金屬的總濃度，并以干重形式表達（mg/kg）。沉積物中某一重金屬濃度低于其TEL值，負面生物效應幾乎不會發生；高于PEL值，負面生物效應經常發生；介于兩者之間，負面生物效應偶爾發生。由于國內這方面數據較少，本文采用加拿大利用生物效應數據庫法制定的沉積物質量基準，依據二年的檢測結果，按點統計制作條件格式表。超PEL用*表示，低于TEL用***表示，介于二者之間用**表示，見表2。從表3可知：巢湖西半湖湖區淺層沉積物中的8種重金屬對生物產生負面影響。Cr、Ni、Zn、As、Pb在90%的點位含量水平高于PEL值，對生物的負面影響概率很大。從對照點看Cr的含量已超過了TEL值，Ni的含量超過PEL值。推斷Cr、Ni是由本底造成的并非由于人類污染。根據生物數據庫沉積物基準原則，巢湖西半湖湖區淺層沉積物中Zn、As、Pb重金屬會對生物產生負面影響。

表2 各點位與沉積物金屬元素質量基準值的比較值

3 結論

（1）巢湖西半湖湖區的元素分布可分為三類：第一類為南淝河入湖區點位，第二類為十五里河入湖區、派河入湖區，第三類為塘西河入湖區、新河入湖區、西半湖湖心區。南淝河入湖區點位與其他點位有顯著差異。含量變化最大的一類元素為Br、Cl、Zr、Hg、Mn，其中Br、Cl在南淝河入湖區有很大的集貯。

（2）相對于董鋪水庫對照點，西半湖采樣點位均高于對照點，所測元素最高的點位為對照點的33倍。一類污染物的金屬元素中Pb最為嚴重，超對照點6倍以上，Cr、As、Cd次之，超對照點4倍以上；二類污染物金屬元素中Zn最為嚴重，各點位均超8倍以上，西半湖湖區淺層沉積物中受金屬元素污染較為嚴重。（3）巢湖西半湖淺層沉積物潛在生態環境危害最大的元素是Hg和Cd，潛在生態危害等級為強。其他元素Cr、Cu、Zn、As、Pb潛在生態危害輕微，危害程度排序為Cd＞Hg＞As＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr。在綜合潛在生態危害生態效應方面，各點位綜合潛在生態危害等級為中等。在重金屬、類金屬的生物效應上，Zn、Pb重金屬和類金屬As對生物可能會產生很大的負面影響。