太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬含量及生態(tài)風險評估

王 儉,劉英華,于英潭,馬博健,張 雪,陸 冰,張朝星

(遼寧大學 環(huán)境學院,遼寧 沈陽 110036)

太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬含量及生態(tài)風險評估

王 儉,劉英華,于英潭,馬博健,張 雪,陸 冰,張朝星

(遼寧大學 環(huán)境學院,遼寧 沈陽 110036)

河道表層沉積物重金屬具有毒性、持久性、不可逆性等危害特征,并且隨著生物鏈的伸展,危害水生生物以及人體健康.為了解遼寧太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物中重金屬的污染特征,通過實地調(diào)查采樣,以太子河本溪城區(qū)段10個采樣斷面的河道表層沉積物作為研究對象,運用原子吸收分光光度法測定了太子河本溪城區(qū)段河道底泥重金屬(Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni)的含量,并采用地積累指數(shù)法評價了太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物的重金屬污染程度.結果表明,太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬含量高于遼寧省土壤背景值,存在一定的生態(tài)風險.

河道表層沉積物;重金屬污染;地積累指數(shù)法;太子河

0 引言

河流污染主要分為內(nèi)源污染和外源污染.河道沉積物污染是內(nèi)源污染的主要代表,沉積物不僅是重金屬等污染物的源頭,而且會對河流造成二次污染[1-3].同時,重金屬又會對人體健康產(chǎn)生很大影響[4-5].研究表明,受重金屬污染的水體環(huán)境中,沉積物中的重金屬含量是相應水相中重金屬含量的許多倍[6].而沉積物中的重金屬有水體污染的敏感指示劑之稱,能有效反映出水生生態(tài)系統(tǒng)的狀況以及水體受重金屬污染的狀況[7-9].因此,研究及評價沉積物中重金屬的污染程度具有十分重要的意義[10-13].

目前,國內(nèi)外學者在對河道表層沉積物重金屬含量的研究中取得了很大的進展.例如,外國學者沃特克等對多瑙河水體中的懸浮物和沉積物中重金屬含量進行了測量,并利用了富集因子評價了各河段的重金屬污染狀況[14];弗拉基米爾等科學家對Pasvik River沉積物做出生態(tài)風險評價,評價的主要依據(jù)為河流排水渠中重金屬的背景濃度并對沉積物中重金屬的空間分布進行了研究.國內(nèi)學者黃宏、王連生測定了淮河河道沉積物中的重金屬含量并對污染程度進行了評價,研究結果表明:淮河河道沉積物中重金屬元素含量有不同程度的超標,銅、鉛、鉻、鎳的含量嚴重超出環(huán)境背景值[15];王海等人選定了太湖沉積物中的八種重金屬,并通過BCR三步分級法對八種元素進行形態(tài)分析,對八種元素的不同形態(tài)含量進行了測量,最終對太湖沉積物中重金屬對生物的影響進行了評估.

關于河道表層沉積物污染的評價方法研究,國內(nèi)發(fā)展成熟的理論相對較少,目前主要應用的是國外一些學者做出的一些突破性成果.德國 、英國、美國 、瑞典等一些國家的科研學者從沉積學的角度提出關于重金屬的污染評價方法,這其中包括:德國著名學者Muller提出的地積累指數(shù)法、Hankinson提出的并已廣泛應用的潛在生態(tài)危害指數(shù)法(RI)[16]、Kemp提出的沉積物富集系數(shù)法(SEF)[17]、科學家USEPA提出的平衡分的配法[18]、Hilton回歸過量分析法[19].還有一些評價沉積物中重金屬污染的方法,包括內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[20]、污染負荷指數(shù)法[21]、臉譜圖法[22]等也被廣泛應用.

目前,國內(nèi)對河道表層沉積物作為研究對象的水體沉積物中重金屬的污染做了大量的調(diào)查研究,主要集中在大江大河、水庫、河口、湖泊及海灣[24],而相對封閉、自凈能力及水體更新速度不及大江大河的城市河流更易受沿岸排放的污染物影響,通過各種途徑進入河流水體的重金屬絕大部分迅速由水相轉入固相,結合到懸浮物和底泥中,最終富集于底泥中.因此,進行城市河流表層沉積物中重金屬含量及風險研究可提供自然環(huán)境中重金屬轉移的信息,對城市河流水環(huán)境保護有著重要的現(xiàn)實意義.為此,本文以太子 河本溪城區(qū)段河道表層沉積物為研究對象,分別測量10個采樣斷面河流表層沉積物中重金屬:Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni的含量,應用地累積指數(shù)(Geoaccumulation Index)Igeo[25],對太子河本溪城區(qū)段重金屬污染程度進行評估,從而為太子河城區(qū)段河道重 金屬污染防治提供技術支持.

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

太子河流域位于我國遼寧省,是遼寧省較大河流之一,流經(jīng)遼陽、本溪、鞍山三座城市.東經(jīng)122°26′～124°53′,北緯40°289′～ 41°39′.太子河總長度為464 km,流域面積13 883 km2,年平均徑流量為26.86億m3,有九條支流流域面積大于100 km2.本溪境內(nèi)河長168 km,流域面積4 428 km2.由于本溪為重工業(yè)城市,加上其毗鄰商業(yè)區(qū)、生活區(qū),最終導致太子河水質(zhì)惡化嚴重.因此,開展了太子河的污染治理工程,并配合大規(guī)模的底泥疏浚工程,期望通過工程實施,增強水體流動,提高河道釋污、調(diào)蓄能力.然而水體流動會導致底泥擾動,從而使底泥中的金屬進入水體,最終引起的生態(tài)風險不容忽視.

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

沿太子河本溪城區(qū)段從上游到下游共設置10個采樣斷面,由北至南分別為:老官砬子、臥龍河、威寧橋上游、威寧橋、峪溪橋、孤山大橋、啤酒廠南岸、彩屯橋、攔河壩、興安斷面,采樣斷面一般位于流速緩慢和有較多細顆粒的區(qū)域,采樣點詳細信息見圖1.

在預定的采樣點位,采集底泥樣品,取樣時盡量采集表層沉積物,每個采樣斷面分別采集三份樣品,樣品采集后迅速裝入聚乙烯塑料袋中,帶回實驗室保存.

圖1 太子河本溪城區(qū)段采樣點分布示意圖

1.2.2 樣品預處理

將帶回實驗室的沉積物樣品在陰涼處自然風干,除去雜草、水生生物等雜物,研磨后過100目土壤篩,每個采樣斷面的三份樣品各稱取1g,混合均勻后裝入自封袋中,用于測定沉積物中Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni的含量.

1.2.3 實驗方法

1.2.3.1 微波消解

準確稱取1.000 0 g(精確到0.000 1 g)已經(jīng)處理過的沉積物樣品放入消解罐中,依次向消解罐中加入6 mL分析純HNO3,2 mL分析純HCl.將加入酸的消解罐放置過夜,使樣品中有機物反應完全,將消解罐放入MD6C—4H微波消解儀中,5 min內(nèi)升溫至130 ℃,恒溫加熱5 min后,20 min內(nèi)升溫至200 ℃,恒溫加熱40 min,停止加熱,自然冷卻至45 ℃.開蓋檢查,消解罐中無沉積樣品即為消解完全.樣品消解完全后,將內(nèi)罐置于電熱板上趕酸.當樣品蒸至近干,消解液呈粘稠狀,殘渣為灰白色,轉移至小燒杯中,加少量水混合后過濾出殘渣后轉移至10 mL容量瓶中定容,搖勻,靜置.

1.2.3.2 原子吸收法測重金屬含量

經(jīng)過微波消解[26]后,待溶液澄清后用AAS—5000原子吸收分光光度計分別測定樣品中Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni的含量.

1.2.3.3 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法(Geoaccumulation Index)[27-31]是一種比較常用的評價沉積物中重金屬污染狀況的方法,最早是由德國海德堡大Muller(1969)教授提出,用于衡量水體沉積物中重金屬污染的定量指標.其計算公式為:

Igeo=log2(Cn/KBn)

表1 地積累指數(shù)與底泥污染程度評價

式中:Igeo為地積累指數(shù);Cn為重金屬n在沉積物中的實測含量;Bn為沉積巖(即普通頁巖)中所測重金屬元素的地球化學背景值[23],Cu、Zn、Pb和Fe的土壤元素背景值;K是考慮成巖作用可能會引起的背景值的變動而設定的常數(shù),一般情況下K取值為1.5.根據(jù)地積累指數(shù)(Igeo)的大小,將沉積物中重金屬的污染程度分為7個等級,即0～6級,如表1所示.

2 結果與分析

2.1 太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬含量總體狀況描述

太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物中重金屬元素的平均含量排列順序為Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd.太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬含量與背景值比較見表2.

表2 太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物各重金屬含量與背景值比較

從整個研究區(qū)域來看,沉積物中銅、鋅、鐵、鎘四種重金屬元素含量的平均值超過了元素的背景值,其中鐵超出了背景值的15.3倍,鋅超出了3.19倍,銅超出了1.39倍,鎘超出了20.11倍.這表明研究區(qū)內(nèi)沉積物中鐵、銅、鋅、鎘的富集程度較高,人為累積量大,易造成部分區(qū)域的污染,特別是鐵、鋅和鎘元素更應該引起重視,每個斷面的鐵、鋅和鎘元素含量均超過了元素背景值.

太子河本溪城區(qū)段從上游到下游河道表層沉積物重金屬含量空間差異情況見圖2,由太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬含量空間差異圖可以看出,太子河威寧橋段和峪溪橋段重金屬含量較高,威寧橋上游段和孤山大橋段沉積物重金屬含量相對較低.同時可以看出,太子河本溪城區(qū)段表層沉積物重金屬的含量受周圍環(huán)境影響較大.

2.2 太子河本溪城區(qū)段污染程度評價

應用地積累指數(shù)法對水體沉積物重金屬的污染程度進行了評價,分析了太子河本溪城區(qū)段8種主要重金屬元素地積累指數(shù),結果見表3,太子河本溪城區(qū)段底泥重金屬的污染程度由強至弱依次為Cd>Fe>Zn>Cr≈Mn≈Ni>Cu≈Pb.

圖2 太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬含量空間差異圖

Cd是太子河本溪城區(qū)段污染最主要的元素.Cd的Igeo變化范圍為2.68～5.33,所有斷面都處于污染狀態(tài),其中2個斷面(老官砬子、威寧橋上游)為中度污染,2個斷面(孤山大橋、啤酒廠南岸)處于偏重污染,4個斷面(支流4、威寧橋、峪溪橋、攔河壩)處于重度污染,2個斷面(彩屯橋、興安斷面)處于嚴重污染;

Fe的Igeo變化范圍為2.84～3.54,所有斷面的Fe都處于污染狀態(tài),其中9個斷面處于偏重污染狀態(tài),1個斷面(威寧橋上游)處于中度污染;

Zn的Igeo變化范圍為0.79～1.55,其中7個斷面(老官砬子、支流4、威寧橋上游、峪溪橋、啤酒廠南岸、攔河壩和興安斷面)屬于偏中度污染,3個斷面(威寧橋、孤山大橋、彩屯橋)屬于輕度污染.

Cr、Mn、Ni的Igeo值均為1,這表明Cr、Mn、Ni為輕度污染;

Cu的Igeo變化范圍為-0.95～0.39,有4個斷面(支流4、峪溪橋、彩屯橋和攔河壩)的Cu處于輕度污染狀態(tài);

所有斷面的Pb的Igeo均小于0,這表明Pb無污染.

表3 太子河本溪城區(qū)段表層沉積物地積累指數(shù)及重金屬污染程度評價

3 結論

1)遼寧省太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物明顯受到了重金屬元素的污染,分析的8種重金屬元素的污染程度由強至弱順序為:Cd>Fe>Zn>Cr≈Mn≈Ni>Cu≈Pb.

2)通過對遼寧省太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬的測量,得出興安斷面的Cd元素、攔河壩的Cu元素、興安斷面的Fe元素、啤酒廠南的Zn元素污染最為嚴重,這與河岸曾經(jīng)設有較多的排污口(現(xiàn)已大部分截留)有關.同時,遼寧省太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物重金屬的含量不受河流的影響,受周圍環(huán)境影響較大.

3)根據(jù)地積累指數(shù)評價法分析可知,遼寧省太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni均有不同程度污染,其中Cd的污染最為嚴重,2個斷面為中度污染,2個斷面處于偏重污染,4個斷面處于重度污染,2個斷面處于嚴重污染;其次為Fe,為偏重污染和中度污染;Zn大部分斷面為偏中度污染,其余為輕度污染;Cu有四個斷面為輕度污染;Cr、Mn、Ni為輕度污染;Pb無污染.

4)對太子河本溪城區(qū)段河道表層沉積物中重金屬的污染,相關部門應引起重視.一方面要加強中上游工業(yè)廢水和生活污水的排放管理工作,另一方面要及時清理水體中污染的沉積物,以避免底泥沉積物中的重金屬元素再次向水體釋放,從而造成二次污染.

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(責任編輯李超)

ResearchonHeavyMetalContentofSurfaceSedimentandEcologicalRiskAssessmentforTaiziRiverinBenxiCitySection

WANG Jian,LIU Ying-hua,YU Ying-tan,MA Bo-jian,ZHANG Xue,LU Bing,ZHANG Chao-xing

(SchoolofEnvironment,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

Heavy metals of river surface sediment have the unique hazard characteristics of toxicity,persistence and irreversibility etc.,which are harmful to aquatic organisms and human health with extension of the food chain.In order to acquire the pollution characteristics of heavy metals in river surface sediment,as the sampled objects,ten sections of river surface sediment for Taizi River in Benxi City had been studied.The microwave digestion and atomic absorption spectrophotometry was adopted to determine the heavy metal contents (Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni) of Taizi River in Benxi City section.Moreover,as the river sediment pollution degree of heavy metals was evaluated with the index of geoaccumulation evaluation method.Results showed that the certain ecological risk of Taizi River in Benxi City section existed,owning to the heavy metal contents of river surface sediment exceeding the background value of soil in Liaoning Province.

river surface sediment;heavy metal pollution;accumulation index method;taizi river

2016-12-23

王儉(1974-),男，遼寧錦州人，博士，教授，從事環(huán)境信息系統(tǒng)、水環(huán)境規(guī)劃與管理研究.

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1000-5846(2017)03-0262-07