水庫(kù)沉積物中重金屬及其對(duì)風(fēng)險(xiǎn)生態(tài)變化規(guī)律

中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2016-4-17 6:15:16

污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量，降低企業(yè)治污成本

　　1 引言

　　水庫(kù)是一種半自然半人工生態(tài)系統(tǒng)，容易受到人類活動(dòng)的影響，具有水流緩慢、自凈能力差、污染來(lái)源廣泛、種類復(fù)雜等特點(diǎn)水庫(kù)的建成不僅使河流水動(dòng)力特性和原有水質(zhì)發(fā)生變化，同時(shí)也使重金屬等污染物因水流速度減緩而在庫(kù)區(qū)大量沉積(沉積物是水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅作為“匯”累積水體中重金屬，當(dāng)條件(氧化還原電位、溫度、pH、溶解氧等)改變時(shí)，又可作為“源”將重金屬再次釋放到水體中，對(duì)水生生物產(chǎn)生毒害作用，并通過(guò)食物鏈傳遞對(duì)人體健康構(gòu)成威脅官?gòu)d水庫(kù)地處北京和河北張家口交界，曾經(jīng)是北京市飲用水供水水源地.由于流域上游工礦企業(yè)的大量排污，官?gòu)d水庫(kù)自1972年開(kāi)始遭受重金屬和毒害有機(jī)物的污染20世紀(jì)80年代后，水庫(kù)上游地區(qū)工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，用水量和工業(yè)廢水排放量逐年加劇，同時(shí)流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，大量泥沙、農(nóng)藥和化肥進(jìn)入庫(kù)區(qū)，致使官?gòu)d水庫(kù)水體出現(xiàn)了嚴(yán)重的水環(huán)境問(wèn)題持續(xù)的水質(zhì)惡化導(dǎo)致官?gòu)d水庫(kù)于1997年被迫退出了城市生活飲用水體系.隨著“21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃”的實(shí)施，官?gòu)d水庫(kù)被列為全國(guó)重點(diǎn)的治理對(duì)象，經(jīng)過(guò)近年來(lái)的持續(xù)治理，水庫(kù)水質(zhì)逐步改善，基本穩(wěn)定在IV類，又成為了北京市應(yīng)急備用水源地水庫(kù)沉積物因具有良好的沉積物環(huán)境而具有儲(chǔ)存信息量大、沉積連續(xù)性好等特點(diǎn)，可以提供長(zhǎng)時(shí)間尺度、高分辨的環(huán)境演變序列(研究沉積物中污染物沉積歷史過(guò)程，可以闡明流域湖庫(kù)水體的污染演替過(guò)程，為建立湖庫(kù)污染物基準(zhǔn)和水環(huán)境管理提供重要依據(jù).水庫(kù)沉積物重金屬的垂直分布和沉積通量則反映了水環(huán)境中污染物的歷史沉積過(guò)程(而當(dāng)前針對(duì)官?gòu)d水庫(kù)沉積物重金屬的研究主要集中在水庫(kù)周邊土壤和表層沉積物中重金屬污染等方面，針對(duì)水庫(kù)沉積物中重金屬的垂直分布、沉積通量及在時(shí)間尺度上的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)注相對(duì)較少.鑒于此，本研究選取官?gòu)d水庫(kù)沉積物柱狀樣為研究對(duì)象，對(duì)沉積柱中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的垂直分布和沉積通量進(jìn)行探討，同時(shí)評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為官?gòu)d水庫(kù)水體的風(fēng)險(xiǎn)污染控制和治理提供理論依據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區(qū)域概況

　　官?gòu)d水庫(kù)是建國(guó)后修建的第一座大型水庫(kù)，位于永定河上游，距北京市約100 km(圖 1).流域面積約4.34萬(wàn)km2，具有供水、防洪、發(fā)電、水產(chǎn)、灌溉等多種功能.官?gòu)d水庫(kù)為東北-西南走向的狹長(zhǎng)型水庫(kù)，平均水深約為10 m，最大水深18.5 m，周邊地形地貌呈高度異質(zhì)性，山地、丘陵、河谷、盆地相間分布.入庫(kù)水系有媯水河及桑干河和洋河交匯形成的永定河，其中，媯水河、桑干河和洋河中上游水質(zhì)較好，而洋河的宣化區(qū)、下花區(qū)和沙城等中下游河段由于集中了工業(yè)區(qū)和較大城鎮(zhèn)，環(huán)境污染嚴(yán)重，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響較大

　　2.2 樣品采集與分析

　　2014年4月22日，利用自重力柱狀采樣器(Corer 60，Uwitec，Austria)對(duì)布設(shè)樣點(diǎn)(主要和官?gòu)d水庫(kù)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)保持一致)進(jìn)行柱狀沉積物采集(圖 1).每個(gè)采樣點(diǎn)采集3根沉積柱，柱長(zhǎng)均介于30~58 cm之間.采集的沉積柱保持豎直狀態(tài)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，各樣點(diǎn)選取一根沉積柱按前10 cm每1 cm分層、大于10 cm每2 cm分層，用于粒徑、含水率、有機(jī)質(zhì)等分析;另取一根沉積柱按每2 cm分層，冷凍干燥后用于TN、TP和金屬元素(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn及Fe)的測(cè)定;同時(shí)選取一根沉積樣柱(GT2)按每1 cm分層，用于構(gòu)建水庫(kù)沉積物年代學(xué)序列分析.分層后的沉積物樣品分別放入聚乙烯自封袋中密封標(biāo)記，并在-20 ℃下冷凍保存.

　　取分層后的沉積物鮮樣用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000，Malvern，UK)測(cè)定粒度組成.用烘干差值法測(cè)定含水率和有機(jī)質(zhì)(以燒失量表示，Loss On Ignition，LOI)其余樣品利用真空冷凍干燥機(jī)(LGJ-10，北京松源華興科技發(fā)展有限公司)冷凍干燥后剔除礫石、塑料和動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)，用瑪瑙研缽研磨并過(guò)100目篩后儲(chǔ)存?zhèn)溆?用元素分析儀(Vario EL III，Elementar，GER)測(cè)定沉積物中總氮含量(用SMT法測(cè)定沉積物總磷含量測(cè)重金屬的沉積物樣品采用HNO3-HF-HClO4法在微波消解儀(Mars X，CEM，USA)中消解，并用ICP-OES(Optima 2000 DV，Perkin Elmer，USA)或ICP-MS(7500a，Agilent Technologies，USA)測(cè)定Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn及Fe等7種元素的含量.沉積物定年分析采用高純鍺能譜儀(GCW1522，Canberra，USA)測(cè)定210Pb和137Cs在24 h后的活度，然后利用穩(wěn)定輸入通量-穩(wěn)定沉積物堆積速率模型(CFS模型)估算官?gòu)d水庫(kù)沉積物不同深度的沉積速率和年代

　　2.3 質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理

　　樣品分析均平行測(cè)定3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以均值表示.選用水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSD-4a(GBW07304a，地球物理地球化學(xué)勘查研究所)來(lái)控制實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精確性.各重金屬元素的回收率范圍為85%~115%，符合質(zhì)量控制要求.采樣點(diǎn)分布圖和數(shù)據(jù)制圖分別采用ArcGIS 10.0和Origin 8.5完成.

　　2.4 沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)方法

　　 2.4.1 富集系數(shù)法

　　富集系數(shù)法(Enrichment Factor，EF)不僅可以評(píng)價(jià)沉積物中重金屬的富集水平，也可以利用金屬元素與惰性元素(Fe或Al)的比值來(lái)判斷重金屬的污染來(lái)源.由于Fe在地殼中具有豐度高、溶解度低(中性和堿性)、不易遷移、性質(zhì)穩(wěn)定和生物利用度低等特點(diǎn)，因此，本研究選擇Fe作為富集系數(shù)法的參比元素富集系數(shù)按文獻(xiàn)中推薦的公式計(jì)算：如果富集系數(shù)介于0.5~1.5，表明重金屬主要源自地殼和巖石圈的自然風(fēng)化的過(guò)程;如果大于1.5，表明人為輸入成為重金屬污染的明顯來(lái)源. 2.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法采用瑞典學(xué)者Hkanson提出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法來(lái)評(píng)估沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).該方法不僅考慮了沉積物中重金屬的毒性、生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)的綜合影響，同時(shí)可用定量的方法反映單種及多種重金屬的污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，計(jì)算公式和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)參見(jiàn)文獻(xiàn)，本研究選用了北京市土壤背景值作為參比.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 沉積物常規(guī)理化指標(biāo)

　　沉積物理化指標(biāo)在一定程度上會(huì)影響重金屬在沉積物中的分布.由表 1可知，官?gòu)d水庫(kù)表層沉積物中各采樣點(diǎn)含水率在65%左右，有機(jī)質(zhì)(LOI)含量在永定河入口(GT4)和水庫(kù)出口(GT5)大于8.0%，而其他樣點(diǎn)在5.39%~8.0%之間.表層沉積物中各采樣點(diǎn)總磷和總氮含量分別介于522~548 mg · kg-1和2078~2977 mg · kg-1之間，其中，總氮在永定河入口(GT4)和水庫(kù)出口(GT5)含量高達(dá)3000 mg · kg-1.

　官?gòu)d水庫(kù)表層沉積物中各采樣點(diǎn)粒度以粉砂和黏土為主，比例在90%以上，其中，媯水河入口(GT1)和水庫(kù)出口(GT5)的粉砂含量均超過(guò)80%，上游庫(kù)心區(qū)(GT2)和永定河入口(GT4)的含砂量相對(duì)較高，比例在4%左右.粉砂和黏土代表了水體沉積物中可被再懸浮部分，其表現(xiàn)為垂向加積，是弱水動(dòng)力的標(biāo)志，說(shuō)明官?gòu)d水庫(kù)水體受到水動(dòng)力的影響較小.

　　3.2 沉積物中重金屬的分布特征及沉積通量研究

　　 3.2.1 重金屬總量垂直分布特征

　　由圖 2可知，官?gòu)d水庫(kù)沉積柱中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn平均含量分別為0.205、65.5、37.6、39.5、33.6和104 mg · kg-1，與北京市土壤背景值相比，這6種重金屬元素分別超標(biāo)1.7、2.2、2.0、1.5、1.4、1.8倍.官?gòu)d水庫(kù)沉積物中重金屬含量存在一定空間分布上的差異，媯水河入口(GT1)處沉積物中重金屬Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的含量均低于其他采樣點(diǎn)，其中，Pb含量的平均值為18.2 mg · kg-1，低于北京市土壤背景值，而Cd、Cr、Cu、Ni和Zn的含量分別為0.151、44.3、23.4、27.9和60.9 mg · kg-1，均略高于背景值.官?gòu)d水庫(kù)下游沉積物中重金屬含量高于中上游，以Cd、Cu和Pb在不同采樣點(diǎn)差異最為顯著，這與洋河中下游河段集中了大量工業(yè)區(qū)和較大城鎮(zhèn)有關(guān);從垂直分布來(lái)看，沉積物中Cd和Ni的含量相對(duì)穩(wěn)定，而Cr、Cu、Pb和Zn的含量隨時(shí)間推移呈現(xiàn)先降低，在80年代后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，這與官?gòu)d水庫(kù)水中重金屬含量的變化趨勢(shì)一致.

　　　　與其他水庫(kù)表層沉積物重金屬含量相比較(表 2)，官?gòu)d水庫(kù)表層沉積物中重金屬Cu、Ni、Pb和Zn含量略高于湯峪水庫(kù)和高州水庫(kù)(1.0~2.2倍)，而低于其他水庫(kù).本次研究中重金屬含量平均值與10年前的研究結(jié)果相比，Cd、Cu、Pb和Zn含量均有減少，只有Cr含量略變大，說(shuō)明近年來(lái)官?gòu)d水庫(kù)沉積物中重金屬污染狀況總體減輕.

　　3.2.2 重金屬沉積通量

　　重金屬沉積通量由沉積物中重金屬的含量及沉積速率共同決定.從圖 3可以看出，官?gòu)d水庫(kù)沉積物中各重金屬的沉積通量均隨時(shí)間呈現(xiàn)有規(guī)律的遞減，1980年以前，水庫(kù)沉積物中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的沉積通量隨時(shí)間變化較小，測(cè)得沉積通量的平均值分別為0.0311、10.1、5.92、6.13、5.11和15.7 μg · cm-2 · a-1;而1980年以后，表層沉積物各重金屬沉積通量隨時(shí)間推移表現(xiàn)出明顯的減小，目前沉積物中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的沉積通量相比1980年減少了

　　　約40%，各重金屬沉積通量的最大值分別是最小值的4.17、3.22、3.56、2.88、5.08和3.20倍，這與沉積物沉積速率的年變化趨勢(shì)相似.沉積物重金屬含量年變化幅度不大(圖 2)，因此，1980年后官?gòu)d水庫(kù)的沉積通量下降的原因可能有：一是國(guó)家政策對(duì)排污總量的有效控制的顯現(xiàn);二是流域內(nèi)來(lái)沙量減少導(dǎo)致研究區(qū)域沉積速率下降.結(jié)合官?gòu)d水庫(kù)目前的水域面積40 km2估算官?gòu)d水庫(kù)泥沙的沉積量為5.5×104 t · a-1，沉積物中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的年均沉積量分別為0.0113、3.63、2.09、2.19、1.86和5.72 t.

　　3.3 沉積物中重金屬污染評(píng)價(jià)

　　3.3.1 富集系數(shù)

　　由圖 4可知，表層沉積物中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均富集系數(shù)分別為1.17、1.49、1.33、0.984、0.934和1.24，各重金屬元素富集系數(shù)小于1.5，均未發(fā)生富集.空間分布來(lái)看，各采樣點(diǎn)表層沉積物中不同重金屬的富集系數(shù)差異性較大，除媯水河入口(GT1)和永定河入口(GT4)樣點(diǎn)外，其它樣點(diǎn)表層沉積物Cr的富集系數(shù)均大于1.5.水庫(kù)出口(GT5)樣點(diǎn)的重金屬Cd、Cr和Cu均出現(xiàn)了富集，說(shuō)明下游的污染相對(duì)比較嚴(yán)重. 3.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 以北京市土壤背景值作參照，計(jì)算官?gòu)d水庫(kù)表層沉積物中重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Eri)和綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)，結(jié)果如表 3所示.從單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來(lái)看，其大小依次Cd > Cu > Ni> Pb> Cr> Zn.其中，污染貢獻(xiàn)最大的是Cd，表現(xiàn)為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(平均值為51.2)，最高值出現(xiàn)在水庫(kù)出口GT5(Eri值為78.8)，屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);而其它重金屬元素則均呈現(xiàn)輕微的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)來(lái)看，官?gòu)d水庫(kù)出口(GT5)表層沉積物的RI值相對(duì)較高，超過(guò)100，處于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);官?gòu)d水庫(kù)表層沉積物RI值范圍為58.8~113，平均值為80.9，總體屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

　　由潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)判斷官?gòu)d水庫(kù)各采樣點(diǎn)沉積柱中重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度(圖 5)，從空間分布來(lái)看，水庫(kù)的RI大小順序?yàn)?GT5> GT4> GT3> GT2> GT1，其中，水庫(kù)出口(GT5)的RI均值為113，屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).從垂直分布來(lái)看，中游庫(kù)心區(qū)(GT3)和永定河入口(GT4)的RI隨時(shí)間變化，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)逐漸減小;除水庫(kù)出口(GT5)外，其他采樣點(diǎn)在1985年后RI隨著時(shí)間的推移均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但污染仍以Cd為主，其中，采樣點(diǎn)永定河入口(GT4)、水庫(kù)出口(GT5)Cd的Eri值分別為69.2、77.4，均屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).從整體來(lái)看，官?gòu)d水庫(kù)沉積物中重金屬的風(fēng)險(xiǎn)程度隨著時(shí)間的推移變化不明顯，各采樣點(diǎn)的RI值中起主要貢獻(xiàn)的是Cd元素，其余重金屬元素貢獻(xiàn)較低，這與Cd的毒性系數(shù)較高有關(guān)，也是上游化工廠廢物排放導(dǎo)致Cd污染的顯現(xiàn).

　　　4 結(jié)論　　1)水庫(kù)沉積柱中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn平均含量分別為0.205、65.5、37.6、39.5、33.6和104 mg · kg-1，與北京市土壤背景值相比，超標(biāo)1.4~2.2倍.垂直分布上，沉積物中Cd和Ni的含量相對(duì)穩(wěn)定，而Cr、Cu、Pb和Zn的含量隨時(shí)間推移均呈現(xiàn)出先降低，80年代后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì).官?gòu)d水庫(kù)下游沉積物中重金屬含量高于中上游，且與10年前相比，污染程度有所減輕.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2)官?gòu)d水庫(kù)各重金屬沉積通量隨時(shí)間推移表現(xiàn)出明顯的減小，以1980年以后最為明顯，到2014年減少了約40%.據(jù)估算，水庫(kù)沉積物中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的年沉積量分別為0.0113、3.63、2.09、2.19、1.86和5.72 t.

　　3)富集系數(shù)表明，表層沉積物中各重金屬的EF小于1.5，均未發(fā)生富集.水庫(kù)下游表層沉積物中重金屬Cd、Cr和Cu均出現(xiàn)了富集，說(shuō)明下游的污染相對(duì)比較嚴(yán)重.

　　4)官?gòu)d水庫(kù)表層沉積物RI值范圍為58.8~113，平均值為80.9，總體屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).垂直分布上，官?gòu)d水庫(kù)自1985年以來(lái)，各采樣點(diǎn)沉積物中重金屬的風(fēng)險(xiǎn)程度RI隨著時(shí)間的推移均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，污染以Cd為主，且表現(xiàn)為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).