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漳泽水库沉积物重金属污染特征与生态风险评价

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  • 标签:漳泽水库; 表层沉积物; 重金属; 生态风险评价
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为了揭示漳泽水库表层沉积物重金属的污染特征,在 2017 年 10 月对水库 16 个采样点进行沉积物采集,分析了
表层沉积物中 Cu,Zn,Pb,Cd,Hg 和 As 共 6 种重金属的含量,并对其来源和生态风险进行分析评价。结果表明: 漳泽
水库 6 种重金属的平均含量从高到低依次为 Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg,且含量均超过山西省土壤背景值; Pearson 相关性
分析表明,Cu 与 Hg,Cu 与 Zn,Pb 与 Zn,Hg 与 As 之间呈正相关性( P<0. 05) ,Cd 与其他 5 种重金属之间?#21335;?#20851;性不显
著( P>0. 05) 。通过主成分分析发现,主成分 1 由 Cu、Pb、Zn 构成,主要来自生活或工业污水; 主成分 2 由 Hg 和 As 构
成,主要来源于工农业废水及人类活动影响; 主成分 3 为 Cd,污染来自化石燃料燃烧等工业和农药、化肥使用的农业
活动污染影响。地质累积指数法和潜在生态危害指数法结果均显示漳泽水库沉积物中 Cd 和 Hg 污染最严重,对潜在
生态风险指数的贡献?#26102;?#36739;大,生态风险高,是主要污染物,需要引起高度关注。
关键词: 漳泽水库; 表层沉积物; 重金属; 生态风险评价
DOI: 10. 13205 /j.hjgc.201901003
POLLUTION CHARACTERISTICS AND ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF
HEAVY METALS IN THE SEDIMENTS OF ZHANGZE RESERVOIR
ZHANG Qian,FENG Min-quan,HAO Xiao-yan
( State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)
Abstract: In order to reveal the pollution characteristics of heavy metals in the surface sediments of the Zhangze Reservoir,
sediments were collected from 16 sampling sites of the Reservoir in October 2017,and contents of total 6 heavy metals ( Cu,
Zn,Pb,Cd,Hg and As) in surface sediments were analyzed,and its sources and ecological risks were analyzed and
evaluated. The results showed that: the average contents of the six heavy metals in Zhangze Reservoir were in the order of Zn
>Cu>Pb>As>Cd>Hg,which all exceeded the soil background values in Shanxi Province; Pearson correlation analysis showed
that there was a positive correlation between Cu and Hg,Cu and Zn,Pb and Zn,Hg and As ( P<0. 05) ,and there was no
significant correlation between Cd and the other five heavy metals ( P>0. 05) ; the principal component analysis results showed
that the main component 1 consisted of Cu,Pb and Zn which were mainly from domestic or industrial sewage,the main
component 2 consisted of Hg and As,which were mainly from industrial and agricultural water and human activities,and the
main component 3 was Cd which was from the fossil fuel combustion and other industries and agricultural activities using
pesticides and fertilizer; both the geological accumulation index method and potential ecological risk index method showed that
the Cd and Hg pollution in the sediments of the Zhangze Reservoir was the strongest,and had a high contribution rate to potential
ecological risk index and high ecological risk,and they were the main pollutants and should be highlighted.
Keywords: Zhangze Reservoir; surface sediment; heavy metals; ecological risk assessment
* 国家自然科学基金( 51679191) ; 陕西省教育厅重点实验室科研计划项
目( 17JS102) ; 山西省漳泽水库管理局科技计划基金资助项目( 2017-6) 。
收稿日期: 2018-07-12
0 引 言
沉积物在水体中有着重要作用,是水中动植物的
栖息地,也是营养物、重金属等物?#23454;?#37325;要储蓄场
[1-4]
。在水库 pH、温度等?#23460;?#30340;条件下,沉积物中
的重金属和其他污染因子将通过物理、化学和生物过
程释放到上覆水中,造成水体水质污染
[5]
。由于重
金属的危害性时间相对较长、生物毒性强、污染具有环 境 工 程 第 37 卷
不可逆性,且进入食物链后的富集和扩散作用严重,
因此受到广泛的关注
[6-7]
。国内外大量研究显示: 世
界范围内许多水体沉积物中重金属含量已经严重威
胁到水质安全。例如,钟震等
[8]
通过研究松花江的
Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As 等重金属分布规律及其污染程
度,对其生态风险进行评价,发现 6 种重金属来源均
为工业、农业及生活混合污染; 杨玉峰等
[9]
对惠州近
岸海域沉积物重金属进行研究,结果显示沉积物重金
属处于强生态风险状态( RI 平均值为 370. 22) ,其中
Cd 对生态风险的贡献?#39318;?#22823;; Mir 等
[10]
对 Tungguk 河
表层沉积物中的重金属进行分析研究,研究表明 Co 和
Hg 为该河流的主要污染物,主要受到工业废弃物的污
染。研究发现,沉积物中重金属污染已经是造成水质
安全问题的重要原因,而沉积物中重金属都可能通过
食物链富集到人体,危害人体健康
[11]
,因此,研究沉积
物中重金属的分布及污染特征,揭?#37202;?#22312;沉积物中的
富集和迁移状况,并在研究区域内较好地评价其污染
水平,对水环境质量优劣的掌握具有重要意义。
漳泽水库是山西省长治市的 1 座控制性工程。目
前水库底泥淤积严重,水库水质下降,?#21019;?#21040;Ⅲ类水质
标准,其重金属污染问题也成为关注的热点。但迄今
为止,对于漳泽水库沉积物重金属的研究较少,仅有洪
坚平等
[12]
在 2004 年对水库淤泥中的重金属进行评价
分析,结果显示漳泽水库沉积物中重金属总体上属于
安全清洁级。由于该研究距现在时间较久,已不足以
代表库区的污染水平,难以为探究库区的底泥情况提
供相应的支撑。因此,本文以漳泽水库为研究对象,布
置16 个采样点,?#21592;?#23618;沉积物中 Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg
6 种重金属含量的分布特征进行分析,并采用地质累
积指数法和潜在生态危害指数法对漳泽水库沉积物中
重金属污染水平及其潜在生态危害定量评价分析,旨
在为漳泽水库提供和补充重金属污染的基础数据,为
相关管理部门对水库的风险管理提供参考。
1 材料与方法
1. 1 研究区域概况
漳泽水库的地理位置与水系如图 1 所示,其位于
山西长治市区?#21592;?20 km,是浊漳河南源?#31995;?1 座大
型水利工程,主要功能有供水、灌溉、防洪、养殖和旅
游等。浊漳河南源有南漳河、岚水河、石子河和绛河
4 条支流,上?#25991;?#22343;来水量为 2. 25 亿 m
3
,水库总库容
为 4. 27 亿 m
3[13]
。水库年内降雨不均且变化大,平均
年降雨为 573. 3 mm,年平均气温为 8. 6 ℃,漳泽水库
大坝总长约为 2000 m,平均水深为 5. 49 m,为浅水水
[14]
。漳泽水库是当地重要的水源地,经济发展给
水库带来?#25628;?#37325;的污染,水质整体为Ⅴ类水?#30465;?
图 1 漳泽水库位置与水系
Fig.1 Location and water system diagram of Zhangze Reservoir
1. 2 样品采集与测定
1. 2. 1 样品采集
本次采样在 2017 年 10 月进行,对漳泽水库以坝
前( 1 号—6 号) 、库中( 7 号—11 号) 、库尾( 12 号—
16 号) 的分块进行采样点的布设,共计 16 个采样点,
如图 2 所示。利用 GPS 定位采样点,选用抓?#32933;?#37319;
样器采集各点的表层( 0 ~ 15 cm) 沉积物样品,将样品
装入干净的聚乙烯封口袋中,带回实验室保存于冰箱
内。将采集的样品进行筛选,一部分利用真空冷冻干
燥机进行冷冻干燥,另一部分保留以作备用。冷冻干
燥后的样品去除砂石、动植物残体等杂物,利用研磨
机进行研磨,过 100 ?#21487;?#23376;,分装于封口聚乙烯瓶中,
置于 4 ℃冰箱冷藏待用。
1. 2. 2 样品测定
对 6 种重金属 Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、As 进行含量测
定,其 中 Cu、Zn、Pb、Cd 采用国家环境保护标准
HJ 803—2016《土壤和沉积物 12 种金属元素的测定
王水提取-电感耦?#31995;壤?#23376;体质谱法》测定,将样品
用盐酸/硝酸( 王水) 混合溶?#21644;?#36807;微波消解仪消解
后,用电感耦?#31995;壤?#23376;体质谱仪进行监测,再通过质
谱?#32423;?#24615;,内标法定量得出。Hg、As 按照 HJ 680—
2013《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消
解/原子荧光法》测定。
1. 3 沉积物重金属评价方法
1. 3. 1 地质累积指数法( Igeo )
各重金属地质累积指数计算方法如下:
21第 1 期 张 茜,等: 漳泽水库沉积物重金属污染特征与生态风险评价
注: 1—16 为采样点。
图 2 采样点分布
Fig.2 Distribution of sampling points
Igeo = log2[Ci /( k × Bi ) ] ( 1)
式中: Igeo为地质累积指数; Ci 为重金属 i 的实测值,
mg / kg; Bi 为重金属 i 的地球化学背景值,mg / kg,本
研究采用山西省土壤背景值
[15]
; k 为考虑地?#39318;?#29992;导
致重金属背景值存在差异而取的系数,通常为 1. 5。
如表 1 所示为地质累积指数评价体系的划分标准以
及污染程度的对应关系
[16]
表 1 地质累积指数评价体系
Table 1 Evaluation system of geological accumulation index
等级 地质累积指数 富集程度 污染程度
Ⅰ ≤0 无富集 无污染
Ⅱ 0 ~ 1 轻微富集 轻微污染
Ⅲ 1 ~ 2 中度富集 中度污染
Ⅳ 2 ~ 3 中强富集 中强污染
Ⅴ 3 ~ 4 富强集 强污染
Ⅵ 4 ~ 5 较强富集 较强污染
Ⅶ ≥5 极强富集 较强污染
1. 3. 2 潜在生态危害指数法
各重金属潜在生态危害指数计算公式为:
C
i
r = Ci /Bi ( 2)
E
i
r = T
i
rC
i
r ( 3)
RI = ∑
n
i = 1
E
i
r = ∑
n
i = 1 ( T
i
rC
i
r) ( 4)
式中: Ci 为重金属 i 的测定含量,mg / kg; Bi 为重金属 i
的评价参比值,mg / kg; C
i
r 为重金属 i 的污染系数; T
i
r 为
重金属i的毒性响应系数
[17]
; E
i
r 为重金属i 的潜在生态
危 害 系 数; RI 为多种重金属的潜在生态危害指
[18-20]
。如表 2 所示为潜在生态危害指数法的等级划
分表。如表 3 所示为重金属毒性响应系数及山西省土
壤元素参考背景值。
表 2 潜在生态危害指数法与污染级别的关系
Table 2 Relationship between potential ecological risk
index method and pollution level
单个重金属潜在生态
危害系数 E
i
r 污染程度 潜在生态
危害系数 RI 污染程度
<40 轻微 <150 轻微
40 ~ 80 中等 150 ~ 300 中等
80 ~ 160 强 300 ~ 600 强
160 ~ 320 很强 600 ~ 1200 很强
>320 极强 >1200 极强
表 3 重金属毒性响应系数及山西省土壤元素背景值
Table 3 Heavy metal toxicity response factors and
background values of the selected elements in Shanxi Province
重金属 Cu Pb Zn Cd Hg As
毒性响应系数 5 5 1 30 40 10
山西省土壤元素
背景值/( mg·kg
-1
)
22. 9 14. 7 63. 5 0. 102 0. 023 9. 1
1. 4 数据处理
对数据进行预处理,通过 Origin 8. 5 及 surfer 软
件进行绘图分析,利用 SPSS 19. 0 软件进行 Pearson
相关性分析以及主成分分析。
2 结果与分析
2. 1 表层沉积物重金属水平特征研究
漳泽水库表层沉积物中 6 种重金属的含量如
表 4所示。可知: 6 种重金属的平均含量为 0. 36 ~
92. 43 mg / kg,从高到低依次为 Zn > Cu > Pb > As > Cd
>Hg。平均含量最高的是 Zn,为 92. 43 mg / kg,占 6 种
重金属总含量的 50. 37%; 其?#38382;?Cu 和 Pb,平均含量
分别为 44. 16,39. 54 mg / kg; 平均含量最低的是 Hg,
为0. 36 mg / kg。各采样点表层沉积物重金属的含量
差别较大,重金属变异系数均大于 20%,其中 Hg、Cd
和 Pb 的变异系数分别为 207. 43%、63. 37% 和
32. 56%,表明其污染来源沿程变化较大。
与山西省土壤背景值相比,Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、
As 6 种重金属元素分别超标 2,3,1
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