淮河河南段表层沉积物中黑碳的含量及来源分析

杜李惠

【摘要】针对淮河河南段地表水表层沉积物进行调查研究，得到沉积物中黑碳含量的范围，与国内外沉积物中黑碳的研究结果进行比较，以了解研究区域黑碳含量水平的相对程度。

【关键词】黑碳；表层沉积物；主要成分分析

1 实验内容与研究意义

1.1黑碳简介

黑碳（Black carbon， 简称黑碳）是生物质或化石燃料（煤、石油等）不完全燃烧所形成的一类含碳混合物残体，普遍存在于环境中，其来源可分为自然源和人为源两种。

由于黑碳的惰性和多空隙性，它能够在环境中沉积，并最终通过传输、沉降作用进入土壤、水体，继而进入水体表层沉积物中。因此对水体表层沉积物中黑碳的研究，能够更准确的反映出环境中黑碳的含量。

黑碳是疏水性有机污染物（HOCs）一个重要的携带者。多环芳烃（PAHs）是HOCs的一种，我们可以由沉积物中PAHs的来源分析，得以推测黑碳的来源以及黑碳对沉积物中PAHs的吸附所造成的影响。

1.2黑碳的研究进展

黑碳作为一种污染物被人们作为环境问题进行研究是在伦敦烟雾事件之后，我国直到二十世纪九十年代才逐步开展黑碳的各种实验研究，起初研究主要集中在大城市大气中黑碳的研究，对沉积物中黑碳的研究尚处起步阶段。

1.3本实验的研究内容及意义

我国由于经济水平相对落后，煤和生物质燃料大量使用，黑碳的排放量占到了全球排放量的1/4。对河南水体表层沉积物中黑碳的研究，有助于对河南黑碳排放来源做出初步的判断，评价人类活动对环境的影响，对促进河南省经济和环境的可持续发展，具有非常重要和长远的意义。

2 实验内容和研究方法

2.1 研究区域概况

淮河流域地处中国东部，本文研究区域主要位于河南境内的淮河上游河段，省界以上河长417 km，流域面积37752 km2。从淮源到洪河口为上游，集水面积3.06万km2，河长364 km，落差178 m，占淮河总落差的89%。

2.2 样品的采集、保存和前处理

2.1.1 样品的采集和保存。淮河河南段樣品：选择比较平直、流速相对缓慢、处于集中污染源的下游附近河道，在水位线以内2m左右处采集淮河上游的河床底部0～20cm表层沉积物样品，采集后即在零下20 ℃冷冻保存。

2.1.2 样品的前处理。将样品温度升至室温后取出，风干均匀后筛除去残余性颗粒，选取少许样品做粒径分析，其余部分进行冷冻干燥后备用。

2.2 实验材料和仪器

2.2.1 实验材料。盐酸（HCL）、硫酸（H2SO4）、氢氟酸（HF）、重铬酸钾（K2CrO7）、实验用水。

玻璃器皿、瓷坩埚、分样筛。

2.2.2 实验仪器设备。元素分析仪、电子天平、自动双重纯水蒸馏器、粒度测定仪、超声振荡仪、马弗炉、心机、电热恒温鼓风干燥箱。

2.3分析方法

2.3.1 表层沉积物粒度分析原样经过充分混合后烘干，处理后上机测试。每个样品平行测试三次取平均值，结果补充于粒径分级分析。

2.3.2表层沉积物TOC分析。总有机碳的测定用元素分析仪测定的方法。

2.3.3 表层沉积物黑碳分析。本实验设计具体步骤如下：①样品制备；②酸处理过程；③氧化处理过程；④分析黑碳含量；⑤样品平行测定两次，最后取平均值。

2.4 数据的质量保证和质量控制（QA/QC检验）

①每次实验均选取两个平行样品进行，取平均值；②进行回收率测定实验，分析损失；③选取粒径差别较小的同一样品进行分析；④对仪器进行校正，并加空白样进行分析。

3 淮河河南段水体表层沉积物中黑碳的研究

3.1 水体表层沉积物中黑碳的含量和分布

由对16个采样点水体表层沉积物样品中的黑碳进行分析可知，淮河河南段水体表层沉积物各个采样点黑碳的总含量范围为0.049～1.281 %，平均值为0.284 %。

支流沉积物中黑碳含量明显高于干流中的含量，这和黄河河南段水体表层沉积物中黑碳含量相类似。干流自上而下表层沉积物中黑碳含量有逐渐增大的趋势，可能是由于干流沉积物中黑碳含量自上而下逐渐积累，且水库容纳了周围大量的污染物有关，同时受到其它因素的影响。

3.2 黑碳含量和TOC以及PAHs之间的相关性

3.2.1 黑碳与TOC之间的相关性分析。采用极差误差法分析出两个离群点，除去这两个点，采用SPSS分析，表明淮河河南段水体表层沉积物中黑碳含量和TOC含量之间存在着显著的相关性，Pearsin相关系数为r=0.882（α<0.01）。这表明沉积物中TOC含量和黑碳之间具有相似的来源。

3.2.2 黑碳与PAHs之间的相关性分析。淮河河南段水体表层沉积物中16种PAHs的总含量范围为95.2（T—6） ～935.2（T—7） ng/g，平均浓度为400.5 ng/g。淮河河南段水体表层沉积物中PAHs的含量整体高于黄河河南段，淮河河南段受到PAHs的污染相对较高。

根据PAHs不同组分形成条件和来源的不同，将在中高温度条件下燃烧形成的PAHs称为燃烧性PAHs，其它种类的在中低温度条件下的PAHs称之为“非燃烧性”PAHs。

利用数理统计法分析淮河河南段水体表层沉积物中黑碳和PAHs含量之间的相关性，黑碳和PAHs总含量以及PAHs的各种组分含量之间的相关性总体可得结果如下：①黑碳和PAHs的总含量之间表现出显著相关；② 与黑碳表现出明显相关的各种PAHs主要属于4～6环的高环化合物，属于燃烧性PAHs；③ 体表层沉积物中黑碳和这些燃烧性PAHs之间的相关性初步表明，该区域水体沉积物中黑碳主要伴随于PAHs在中高温度条件下形成。

初步表明黄河河南段和淮河河南段水体表层沉积物中黑碳有着不同的来源条件，即伴随于不同温度条件下形成的PAHs而产生。

3.3沉积物中黑碳的可能来源分析

環境中的PAHs和黑碳具有相同或相似的来源，根据黑碳和PAHs各组分之间的相关性，从中可以推断出黑碳的可能形成来源。

3.3.1 沉积物中PAHs的组成特征和来源分析。把PAHs以不同的环数进行分类，并用来表明各采样点PAHs的不同组成特征。

淮河河南段水体表层沉积物中PAHs最主要的组成部分是4环的PAHs化合物，占总量一半以上，表明淮河河南段水体表层沉积物中PAHs含量主要以中高温条件下燃烧产生来源为主。

在淮河河南段水体表层沉积物中黑碳主要来源于煤、木材的燃烧，其余少数采样点来源于石油排放、泄漏和石油燃烧等。

淮河河南段流域是重要的产煤区，同时经济的发展也消耗大量的煤炭，流域周围存在着大量的火力发电厂、石油化工、纺织化纤、冶炼冶金等工业，在经济发展的同时，向环境中排放了大量的黑碳。

4 实验结果

（1）淮河河南段水体表层沉积物中黑碳含量的范围为0.049～1.281 %，平均值为0.284 %。黑碳含量最大值位于支流潢河上的潢川水文站，最小值位于支流浉河上的琵琶山桥。

（2）表层水体沉积物中TOC在决定沉积物中黑碳的含量和分布上起着重要的作用。

（3）黑碳和PAHs的总含量之间表现出显著相关，表层沉积物中的黑碳影响着表层沉积物中PAHs各种组分的含量和分布。

（4）结合黑碳与PAHs的相关性分析，可以推断出黑碳来源于中高温条件下煤炭、木柴以及石油及其精炼产品的不完全燃烧和少部分柴油的泄露。

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