竺山湖及太湖西沿岸北段的重金属分布特征及其生态风险评价

任小龙，朱 玲，姚 华，王 苓

(江苏省水文水资源勘测局无锡分局，江苏无锡 214031)

湖泊底泥沉积物是重金属、营养盐等污染物质的蓄积地。来自河流输入、大气沉降等的污染物质与悬浮颗粒物结合进入湖泊中，通过沉降作用，蓄积于湖泊沉积物的表层。沉积物中的重金属在物理和化学的作用下与沉积物中的有机质、铁锰氧化物、硫化物等物质结合，以不同的形态储存于沉积物中[1-2]。这些重金属并非永久地存在于沉积物中，在外界环境条件的影响下(如pH、氧化还原电位等)它们又被释放到间隙水中，在扩散作用下最终释放到湖泊水体中，对湖泊水质造成影响，引起“二次污染”[3-4]。湖泊底泥是许多生物的栖息地，水生生物通过直接摄取颗粒悬浮物而将重金属蓄积于体内，部分生物被人类食用而将重金属储存于人的体内。因此，了解底泥沉积物中重金属的污染状态是非常必要的。

竺山湖是太湖西北部的半封闭型湖湾，北起百渎口，南至马山咀一线，面积57.2km2，主要入湖河道为雅浦港、太滆运河、殷村港。受入湖河道污水汇入影响，竺山湖常年水质为劣V类，是太湖水质污染最严重的湖区，其底泥污染严重。太湖西沿岸北段北起师渎港，南至乌溪港，湖区面积29.3km2，主要入湖河道包括师渎港、茭渎港、官渎港、城东港、大浦港、林庄港等，受上游来水水质影响，其水体污染严重(水质为劣V类)，底泥也存在严重的污染风险。以往虽然也有学者对上述区域进行了相关研究，然而研究只是基于少数点位，对沉积物中污染物的了解不够全面。本研究通过对竺山湖及太湖西沿岸区进行底泥采样分析，弄清竺山湖及太湖西沿岸重金属的分布特征，在此基础上进行重金属生态风险评估，并提出重金属污染治理策略，以期为太湖污染治理提供依据。

1 重金属分布特征

1.1 采样点分布

采用全球定位系统(GPS)确定采样点位置。本次调查采样点为77个，实际底泥采样分析点为15个，采样点主要分布在竺山湖和太湖西沿岸入湖河口区域(太湖污染治理的重要区域)，见图1。采样时间为2008年10月，目的是分析竺山湖和太湖西沿岸北段 As、Hg、Cr、Cd、Pb、Cu 6 种重金属的分布特征。

1.2 样品分析方法

图1 竺山湖及太湖西沿岸北段采样点分布

根据现场采集到的泥样长度(≤底泥深度)，按0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm的间距对底泥进行分层。去除泥样中的石块、残草等杂质，并按四分法进行代表性取样。样品装入聚乙烯保鲜袋中，标注编号，密封保存，并即刻运抵实验室，进行底泥的物理、化学参数分析。对Cr、Cd、Pb、Cu 的测定，先采用 HNO3-HF-HCLO4法进行消解，然后用原子吸收分光光度计测定其在泥样中的质量比。对Hg和As的测定，先分别采用H2SO4-HNO3-K2CrO7法和H2SO4-HNO3进行消解，然后采用原子荧光法测定其在泥样中的质量比。

1.3 沉积物中重金属质量比范围

表1[5]为竺山湖及太湖西沿岸北段表层沉积物中主要重金属质量比的统计结果。和太湖其他区域相比，该区域沉积物中重金属的质量比偏高，这主要由于该区域长期受到来自沿岸的污水污染。将测定的重金属质量比平均值与太湖流域重金属质量比背景值相比发现，Cd、As、Cr、Hg、Pb 以及 Cu 的质量比平均值分别为背景值的4.6倍、1.1倍、1.0倍、0.7倍、2.2倍和1.8倍，其中Cd的质量比平均值超过背景值的倍数最多。可见，竺山湖及太湖西沿岸北段区域重金属污染严重，需要加以关注。

表1 竺山湖及西沿岸北段表层沉积物中主要重金属质量比的统计结果 mg/kg

1.4 沉积物中重金属的垂直分布

竺山湖及太湖西沿岸北段水域底泥沉积物中Cu、Pb、Cr、Cd、Hg、As 6 种重金属的垂直分布各不相同。重金属的高质量比值有的处于底泥表层或近表层，有的处于深层。在表层底泥中，底泥多为最近沉降下来的，重金属与颗粒物结合，使底泥对生物体构成生态风险。重金属较多处于深层沉积物中，可能是因为这些区域的底泥中重金属富集时间较长。沉积物中重金属的富集大致发生在20世纪80年代，在适当的条件下重金属会向下迁移，使得表层沉积物中的重金属质量比低于历史沉积层深层中的重金属质量比。表2为竺山湖及太湖西沿岸北段水域不同采样点不同层次(0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm、50～100 cm、100～150 cm)底泥沉积物中的 Cr、As 、Cu、Hg、Pb、Cd 6 种重金属的垂直分布情况。

表2 不同采样点不同层次底泥沉积物中Cr、As、Cu、Hg、Pb、Cd的垂直分布 mg/kg

从表2可以看出，Cr在沉积物中的质量比较高，分布规律不明显，但其质量比极值出现在沉积物50cm深度以上;底泥中As的质量比在表层较高，逐渐向底层降低，50 cm以上深度的底泥沉积物中As的质量比较高，50 cm以下较低且基本趋于稳定;Cu在沉积物中的分布无明显规律，但各个采样点的质量比极值基本出现在表层底泥50 cm以上，且在底泥表层与底层中的质量比差别不大，所测点底泥沉积物中Cu的质量比都较低，只是在个别区域出现质量比高的现象，这与个别区域的特型污染输入有关;Hg的质量比有自底泥表层向底层逐渐降低的趋势，最大值几乎都集中到表层10 cm左右的底泥中，在50 cm以下的底泥沉积物中Hg的质量比逐渐趋于稳定，且明显低于表层;Pb的质量比在垂直层面沉积物中的差异较小，最大值基本出现在50 cm以上的底泥沉积物中，随着沉积物深度的增加，Pb的质量比逐渐趋于稳定甚至减小;在所测点中，只有8个点测出了Cd，其中，大浦口区域(01号采样点)底泥沉积物中Cd的质量比极高，这与有关部门的研究结论相同，原因可能是大浦口的电镀以及印染等废水的输入。

2 重金属生态风险评价

2.1 评价方法

瑞典科学家Hakanson[6]于1980年提出了潜在生态风险指数法来进行重金属生态危害评价。该方法是目前学者较多采用的重金属生态危害评价方法[7-10]。潜在生态风险评价是基于元素丰度和释放能力的原则，假设了如下前提条件:①元素丰度响应，即潜在生态风险指数，随沉积物中重金属污染程度的加重而增加;②多污染物协同效应，即沉积物的金属生态危害具有加和性，多种金属污染的潜在生态风险更大，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Hg 是需要优先考虑的重金属;③各重金属元素的毒性响应不同，生物毒性强的重金属对潜在生态风险指数具有较高的权重。

潜在生态风险指数可以反映4方面的情况:①表层沉积物中重金属的质量比;②重金属污染物的种类数;③重金属的毒性水平;④水体对重金属污染的敏感性。在这些前提条件下产生如下生态风险评价指标:单一金属污染系数，不同金属生物毒性响应系数，单一金属潜在生态风险系数，多金属潜在生态风险指数RI，其关系用以下公式表达:

Hakanson[6]根据大量数据，提出了重金属的生态危害风险指数和生态危害程度分级标准(表3)。

表3 Eir和RI的阈值区间和生态危害程度分级

2.2 评价结果与分析

经计算，竺山湖和太湖西沿岸北段6种金属的潜在生态风险指数见表4。

表4 竺山湖和太湖西沿岸北段重金属潜在生态风险指数

使用surfer软件的克里金(Kriging)插值法生成竺山湖及太湖西沿岸北段0～10cm和10～20cm底泥的重金属生态风险指数分布图(图2～3)。由图2～3可见，重金属生态风险指数小于170～180的区域占到95%以上，也就是说95%的区域为轻微生态风险状态;生态风险较大区域主要在大浦口附近，其最高生态风险指数达到400以上，表明该区域已处于重度生态风险状态，对人类和生物种群已产生明显危害。

图2 竺山湖及太湖西沿岸北段0～10 cm底泥生态风险指数RI

图3 竺山湖及太湖西沿岸北段10～20 cm底泥生态风险指数RI

3 结论与建议

a.竺山湖及太湖西沿岸区域表层沉积物中Cd、As、Cr、Hg、Pb 以及 Cu 的质量比平均值分别为 1.23 mg/kg、10.28mg/kg、82.98mg/kg、0.074 mg/kg、35.27 mg/kg和33.9 mg/kg，分别是各自背景值的4.6倍、1.1倍、1.0倍、0.7倍、2.2倍和1.8倍。

b.竺山湖及太湖西沿岸区域沉积物中的重金属的质量比均表现为随着沉积物深度的增加而逐渐降低的趋势，且在沉积物50cm深处出现明显的拐点。

c.竺山湖及太湖西沿岸区域0～10 cm和10～20 cm底泥沉积物的生态风险指数平均值分别为120和114，大浦口局部区域的重金属生态风险相对较大，Cd对生态风险的贡献最大。d.建议对竺山湖以及太湖西沿岸区大浦口区域Cd的污染进行必要的疏浚控制，疏浚深度在底泥50 cm深处，以有效去除该区域的Cd污染。

[1]陈静生.水环境化学[M].北京:高等教育出版社，1987.

[2]陈静生，刘玉机.中国水环境重金属研究[M].北京:中国环境科学出版社，1992.

[3]范英宏，林春野，何孟常，等.大辽河水系表层沉积物中重金属的迁移特征及生物有效性研究[J].环境科学，2008，29(12):3469-3476.

[4]魏俊峰，吴大清，彭金莲，等.污染沉积物中重金属的释放及其动力学[J].生态环境，2003，12(2):127-130.

[5]QU W C，DICKMAN M，WANG S M.Multivariate of analysis of heavy metal and nutrient concentrations in sediments of Taihu Lake[J].China Hydrobiologia，2001，450:83-89.

[6]HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control:a sedimentological approach[J].Water Research，1980，14(8):975-1001.

[7]弓晓峰，陈春丽，周文斌，等.鄱阳湖底泥中重金属污染现状评价[J].环境科学，2006，27(4):732-736.

[8]乔胜英，蒋敬业，向武，等.武汉地区湖泊沉积物重金属的分布及潜在生态效应评价[J].长江流域资源与环境，2005，14(3):353-357.

[9]汤莉莉，牛生杰，徐建强，等.外秦淮河疏浚后底泥重金属污染与潜在生态风险评价[J].长江流域资源与环境，2008，17(3):424-430.

[10]万金保，王建永，吴丹.乐安河沉积物重金属污染现状评价[J].环境科学与技术，2008，31(11):130-133.