铜陵相思河重金属污染的潜在生态危害评价

徐晓春, 牛杏杏, 王美琴, 谢巧勤, 黄界颖, 陈莉薇

(合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009)

铜陵相思河重金属污染的潜在生态危害评价

徐晓春, 牛杏杏, 王美琴, 谢巧勤, 黄界颖, 陈莉薇

(合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009)

凤凰山铜矿和新桥硫铁矿的采矿活动对铜陵市相思河水质造成较为严重的重金属污染,文章根据重金属环境化学行为特点,应用沉积学原理,对相思河的重金属污染情况进行了调查和研究,从相思河上游到下游共取沉积物样7个,采用潜在危害指数法对沉积物中重金属进行了评价。结果表明,相思河中下游受到的重金属污染明显比上游严重,危害指数从大至小的排列顺序为S7＞S6＞S4＞S5＞S3＞S1＞S2;相思河重金属生态危害由大到小的顺序为Cd＞Cu＞As＞Pb＞Zn＞Cr,Cu和Cd的富集系数和生态危害高;受污染的河水通过地表径流、食物链等各种途径会对附近居民的身体健康构成威胁。

重金属污染;生态危害评价;沉积物;相思河;铜陵

0 引 言

随着经济的飞速发展,河流污染问题日益严重。铜陵市相思河由于受上游凤凰山铜矿和中游新桥硫铁矿的采矿影响,水质严重恶化,水体中重金属污染加剧,造成自然界水体自净作用的下降,加重了水体污染[1,2]。近年来的研究表明,通过各种途径进入水体的重金属,不易溶解,而是结合到悬浮物和沉淀物中,当其负荷量超过水体搬运能力时,绝大部分将迅速转入沉积物或悬浮物中[3,4]。

由于沉积物反映水系状况,沉积物是水环境重金属污染的指示剂,因此本文以沉积物为研究对象,分析了相思河重金属污染变化趋势,检测了沉积物中重金属的含量,采用潜在生态危害指数法评价其污染程度,以期为制定环境管理政策、实施污染综合防治措施提供理论依据。

1 样品采集与测试

1.1 样品的采集

本次工作从相思河的上游到下游共取沉积物样 7 个,依次编序号为 S1、S2、S3 、S4、S5、S6 、S7。其中 S1、S2、S3是取自相思河上游 ,S4、S5、S6是取自相思河中游,S7是取自下游。样品用采样筒采取,以达到河底为准,一般样长10～20 cm。样品特征及采样地点见表1所列和图1所示[5]。

表1 沉积物样品特征及采集地点

图1 相思河沉积物样采样点示意图

采集的样品用双层的聚乙烯塑料袋盛装带回,先在自然条件下风干,并除去其中的小石块、植物根系、废纸等杂质,然后将样品装入干净的布袋,放入40℃的恒温箱烘干,因为40℃的条件下不会使砷元素挥发。几天后取出,用锤子、研钵等将其磨碎,再拿200目的筛网进行筛分,然后用样袋保存待用。

1.2 沉积物样的测试方法与结果

取处理过的沉积物样品,用10 m L王水溶解。As元素测定用原子荧光分析仪(北京海光公司,型号为 AFS-230E),精度 RSD＜2%;Cu、Pb、Zn、Cr元素采用全自动扫描X射线荧光光谱仪(日本理学公司,型号为ZSX100C),精度RSD＜0.01%;Cd元素采用石墨炉型原子吸收光谱仪(德国耶那公司,型号为 AASZEEnit60),分辨率＜0.2 nm,精度RSD＜1%。样品在安徽省地质测试中心检测 C r、Cu、Zn、Pb 、Cd、As 6 种元素,结果见表2所列。

表2 重金属元素的测试结果 mg/kg

2 沉积物中重金属污染评价

对河流沉积物中重金属污染的评价,有多种方法,如德国的地积累指数法(Index of Geoaccum u lation)[6]、英国的污染负荷指数法(The Pollution Load Index)[7]和回归过量分析法(Regression Excessive Analyse)[8]、瑞典的潜在生态危害指数法(The Potential Ecological Risk Index)[9]等。文献[10]将三角模糊数理论引入沉积物污染评价,对巢湖烔炀河口沉积物重金属污染风险状况进行定量评价,也取得了较好的效果。

本文采用潜在危害指数法[9]对相思河的重金属污染情况进行评价。该指数法不仅反映了某一特定环境中的各种污染物的影响,也反映了多种污染物的综合影响,并且用定量的方法划分出潜在生态危害的程度。

2.1 潜在生态风险评价的理论基础

潜在生态危害指数是通过一种相对快速、简便和标准的方法,从一定数量的沉积物样品的测定中得到的。潜在生态风险评价基于元素丰度和释放能力的原则,假设了如下的前提条件:

(1)含量条件,是将表层沉积物中重金属的实测数据,与各自污染物的一系列自然背景值进行比较。

(2)数量条件,是建立在选用一定量的样品就可满足实际需要这个观点上的。

(3)毒性条件,是根据“丰度原则”区别各种污染物,由于金属的沉积作用及对固体物质的亲和作用,其毒性和稀少性之间存在着一定的比例关系,即“沉积学毒性系数”。

(4)敏感条件,是表明不同的河、湖对不同的毒性物质有着不同的敏感性。

2.2 潜在生态危害指数(RI)的计算

(1)单个重金属污染系数(the Factor of Contamination),即富集系数,简称Cif,其计算公式为:

其中,Cif为某一重金属的污染系数;Ci表层为表层沉积物重金属质量比实测值;Cin为计算所需的参比值。

(2)各重金属的毒性响应系数(the Toxic Response Factor),简称Tir,此值用来反映重金属的毒性水平及水体对重金属污染的敏感程度。

(3)某单个重金属的潜在生态危害系数(the Potential Ecological Risk Factor),简称 Eir,其计算公式为:

(4)沉积物多种重金属潜在生态危害指数(the Potential Ecological Risk Index),简称 RI,其计算公式为:

2.3 各项参数的确定

表层沉积物重金属质量比的值,根据此次监测的实测值计算所需参比值,如以当地沉积物的重金属背景值为准可以相对定性地反映出污染程度,而若以工业化以前全球沉积物重金属的最高背景值为准,能更确切地反映水系的实际污染程度。但前人未做过铜陵地区沉积物重金属背景值调查,为了更准确地反映河流的实际污染程度,以工业化以前全球沉积物重金属的平均值为参照值。

重金属毒性系数表示2个方面的信息,即重金属对人体的危害和对水生生态系统的危害,其危害途径是:水—沉积物—生物—鱼—人体,可以从多种角度讨论此问题。本文主要根据潜在危害指数法的要求选用毒性系数Tir,设定6种重金属生物毒性响应因子(Tir)的数值顺序[11]为:

重金属的参照值和毒性系数见表3所列[12]。

表3 重金属的参照值和毒性系数

单元素的潜在生态风险因子指标Eir和综合污染指数RI的等级划分,见表4所列[12]。

表4 潜在生态风险评价指标与分级关系

2.4 结果与讨论

按照潜在危害指数法的单个重金属污染系数的计算公式,计算出各个沉积物重金属的富集系数结果,如图2所示。

图2 重金属元素富集系数变化

从重金属的富集系数来看,相思河中下游的各重金属的富集系数均明显高于上游,其中以Cu和Cd的污染尤为严重,Cd的富集系数高,可能是因为沉积物对Cd有很强的吸附能力;其次是Zn和Pb,而A s和Cr的污染最小,污染源可能为上游凤凰山铜矿和中游新桥硫铁矿。

已有研究表明,悬浮物和沉积物中Cd的含量占水体总Cd量的90%以上,该水体对农作物的灌溉危害很大,通过食物链的作用可对人类造成严重的威胁[3]。众所周知,日本的痛痛病就是由于长期食用含镉量高的稻米所引起的。

以现代工业化以前沉积物中重金属平均值为参照值,计算潜在生态危害系数和危害指数,结果见表5所列。从单个重金属的潜在生态危害系数来评价,相思河沉积物中Cu和Cd均具有很强和极强的生态危害,中下游的生态危害明显高于上游,但S2的各元素的Eir均略小于S1,只有 Pb、Cd例外,可能因为S1靠近污染源。从S1到S7各元素的Eir基本呈上升趋势,表明污染物质随水流迁移向下游富集,S6中Cd的Eir高达 2 934.00,Cu的Eir高达 294.70,生态危害指数 RI为 3 292.50,是S2的RI的近16.90倍;S7中Cd的Eir高达4 773.00,Cu的Eir高达363.65,生态危害指数 RI也高达5 247.26,是S2的RI的近26.94倍。由此可看出,相思河中下游污染非常严重,尤其是Cd和Cu的污染值需要引起有关部门的注意,应尽快采取措施,减轻对下游居民生产和生活的影响。

表5 各沉积物中重金属的潜在生态危害系数和危害指数

样品S3、S4、S5的 RI均大于 300,根据表4中危害指数与污染程度的关系,属于强的生态危害;样品S6、S7的 RI均远远大于 600,属于很强的生态危害。潜在生态危害指数从大至小的排列顺序为S7＞S6＞S4＞S5＞S3＞S1＞S2。因此,该河流的潜在生态危害指数RI属于强的生态危害。在相思河的上游,虽然Cu的Eir均稍大于Cd的Eir,但是在中游Cd的Eir却远远大于Cu的Eir,使得Cd的平均Eir远大于Cu的平均的Eir,这与Cd的富集系数大是有密切关系的。河流中各个重金属污染物的顺序如下:Cd＞Cu＞As＞Pb＞Zn＞Cr。

文献[13]参考了工业化以前全球沉积物重金属的最高背景值,并结合铜陵有色多金属矿区的实际,对部分元素评价参比值进行了修正,所取背景值中重金属元素的参照值是工业化以前全球沉积物重金属平均值的1～3倍。本文若取该背景值来进行计算,所得结果是相思河仍受到污染,只是污染的程度有所减小。

3 结论与建议

(1)相思河中Cd、Cu的富集系数很大,且中下游受到的重金属污染明显高于上游,推断中下游重金属元素含量上升的可能原因主要有:新桥硫铁矿的采矿过程中重金属元素通过地表径流、大气扬尘沉降进入相思河水体;由于新桥硫铁矿产生的酸性矿山排水,大量的重金属元素溶解在酸性废水中,然后通过雨水、渗滤等途径进入河流[14]。

(2)相思河中Cd、Cu、As、Pb均造成强的或很强的生态危害,以Cd、Cu尤为严重,其直接原因显然为上游凤凰山铜矿和中游新桥硫铁矿的采矿影响。采矿活动所带来的经济价值不能以环境的巨大破坏为代价,需要引起有关采矿部门和矿业管理部门的注意,发展经济的同时应注意保护环境,尽量减小对环境带来的影响,必须严格执行环境影响评价制度、“三同时”制度以及排污收费制度。

(3)相思河中重金属所造成的生态危害很严重,重金属从沉积物中重新释放会成为二次污染问题,作为灌溉水源,其必然对农作物造成影响,导致重金属在农作物中积累,进而危害人体健康;当重金属通过渗滤作用进入地下水体,又会对周边居民带来安全隐患。受重金属严重污染的相思河河水对受其灌溉的农作物的污染程度、重金属在作物中的积累程度以及对人体健康的危害程度有待调查和研究。

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Heavymetal pollution in XiangsiRiver of Tongling City and assessment of its potentialecological risk

XU Xiao-chun, NIU Xing-xing, WANG Mei-qin,XIE Qiao-qin, HUANG Jie-ying, CHEN Li-wei

(School of Resources and Environmen tal Engineering,H efei University of Technology,Hefei230009,China)

Heavy metal pollution of XiangsiRiver in Tongling City is caused by Fenghuangshan copper mine and Xinqiao pyritem ine.Seven sediment samp leswere taken from upriver to dow nriver zones to investigate the heavy metal pollution of Xiangsi River based on sedim entological theory and behavior characteristics of environmental chemistry of heavy metals.The heavy metals in these sediment samples were assessed by the method of potential ecological risk index.The results show that the heavy metal po llution inm idd le river and dow nriver zones ismuch more serious than that in the up river zone.The order of pollution degree of the seven samp les is S7＞S6＞S4＞S5＞S3＞S1＞S2 and the order of ecological risk degree of the heavy metals in these sediments is Cd＞Cu＞A s＞Pb＞Zn＞Cr.Both the enrichment coefficient and ecological risk of Cd and Cu are very high.The polluted water of Xiangsi Riverm ay threaten the health of neighbouring peop le through surface flow ing and food chains.

heavymetal pollution;ecological risk assessment;sediment;Xiangsi River;Tong ling City

X820.3

A

1003-5060(2011)01-0128-05

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.030

2010-05-04;

2010-05-26

安徽省自然科学基金资助项目(090415204)

徐晓春(1961-),男,安徽潜山人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

(责任编辑 张淑艳)