巢湖重污染汇流湾区沉积物重金属污染特征及风险评价

刘 成,邵世光,范成新,周麒麟,商景阁 (1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008；2.中国科学院大学,北京 100049；.河海大学水文水资源学院,水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098)

重金属污染由于其在环境中的隐蔽性、持续性和不可降解性而受到了广泛关注[1].通过生物富集和生物放大作用[2-3],重金属可对生态系统造成严重危害.在地表水体中,重金属会随着地表径流迁移、沉降,逐步转移至沉积物中,并可能在一定环境条件下释放到水体中造成环境危害和生态风险[4].

目前对重金属污染的评价方法主要有沉积物富集系数法[5]、脸谱图法[6]、过量回归法[7]、地积累指数法[8]和潜在生态风险指数法[9]等.其中,地积累指数法着重评价某种金属污染水平,潜在生态风险指数法则考虑了各种金属污染的综合作用[10],本文拟使用这2种方法对巢湖重污染汇流湾区重金属污染状况进行评价.

巢湖是我国第五大淡水湖,水域面积770km2,流域面积13486km2,平均水深2.69m.巢湖周围共有大小入湖河流 33条[11],从水体污染物含量和入湖污染物量的分配而言,西半湖的污染程度和入湖量要明显高于东半湖[12-13].在巢湖西半湖北部的汇流湖湾区域,所分布的3条重污染河流(南淝河、十五里河、塘西河)主要承受来自合肥市的地表径流水体,受到了严重污染.而目前关于巢湖重金属污染的研究一般关注全湖的污染状况,研究区域较分散,在不考虑该重污染湾区的情况下生态风险并不高[14],本研究采用地积累指数法和潜在生态风险指数法,对该重污染湾区沉积物重金属污染特征和风险进行评估,旨在为巢湖污染治理提供依据.

1 材料与方法

1.1 样品采集

图1 研究区域采样点位及沉积物分布Fig.1 Sampling sites and sediment distribution in the present study

本文研究区域为巢湖西半湖自塘西河至南淝河外的汇流湖湾区,涉及水域面积约20km2.2013年 3月,在湖湾内有泥区,用 GPS定位设置了 17个采样点,用柱状采样器(Φ90mm×500mm)采集无扰动柱状样品,湖湾内沉积物深度分布及采样点分布情况见图 1.样品采集后使用上顶法对其进行分层,在0～10cm深度之间按每2cm间隔分层,在大于10cm深度,则每4cm间隔分层.

1.2 样品处理及测定

将沉积物分层样品放入冰箱冷冻后转移至真空冷冻干燥器干化处理,去除样品中的沙石和动植物残体,研磨后过150目尼龙分样筛,分装在聚乙烯塑料袋中贮存备用.

沉积物中 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn的测定使用7700X型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),Hg的测定使用Hydra-c型全自动测汞仪.

1.3 评价方法

1.3.1 地积累指数(Igeo)法广泛应用于重金属污染评价[15-16].该方法在评价过程中主要考虑元素的富集作用[17],其评价方程是:

式中,Cn为某种金属的实测含量;Bn为该金属在沉积岩中的地球化学背景值,本文使用安徽省土壤重金属背景值[18]:As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn分别为9.0, 0.097, 66.5, 20.4, 0.033, 29.8,26.6, 62.0mg/kg;1.5是考虑到成岩作用引起的背景值波动而引入的参数[16].

地积累指数法根据Igeo数值的大小将重金属污染程度划分为7级,具体分级情况见表1.

1.3.2 潜在生态风险指数(RI)法既可评价多种金属元素的协同作用,又考虑了单个金属的毒性污染[17].评价公式为:

(1) 单个重金属污染指数

(2) 单个重金属潜在生态风险指数

(3) 多个金属综合潜在生态风险指数

表1 地积累指数与潜在生态风险指数分级[20-21]Table 1 Classification of Igeo and potential ecological risk indexes

2 结果与讨论

2.1 重金属含量分析

汇流湾区表层沉积物(0～2cm)中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分别为 13.3,0.777, 67.1, 33.0, 0.269, 28.7, 54.1, 306mg/kg,基本高于各自背景值,表明均存在一定的污染.从表层沉积物中各金属元素的分布图中看出(图2),含量较高的区域均集中在距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖湾低洼区,由人类活动产生的重金属污染物在这几个重污染河道的迁移、汇集下,堆积至该区域.同时,该区域也是汇流湾区内沉积物蓄积深度较大的区域(图1),由于地表径流的冲刷导致沉积物和金属污染物堆积在这一低洼区域而不是河口处,这与余辉等[21]的研究结果相近.统计分析发现,各采样点的重金属元素含量间均呈现显著相关(P＜0.01),说明各金属的污染来源相近且可能形成以某种金属为主的复合性污染[22-23].

汇流湾区沉积物中各金属元素富集倍数(富集倍数计算使用安徽省土壤环境背景值[18])大小顺序是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni,分别是8.14, 8.01, 4.95, 2.03, 1.62, 1.47, 1.01, 0.96.其中,富集倍数最大的是 Hg,在研究区沉积物中的含量 为 0.170～0.358mg/kg,远 远 高 于 湖 心 区(0.080mg/kg)[24];其 次 是 Cd,含 量 为 0.422～1.064mg/kg.

从湖湾区各重金属的垂向分布情况来看(图3),几乎所有重金属都在深度 22～24cm处出现含量明显下降趋势,该结果与杜臣昌等[25]对巢湖沉积物岩芯受重金属污染的研究结果相近,其认为人为污染始于 1950s(深度相当于 24cm).与背景值(图3中虚线)比较,22cm深度以上Hg和Cd的富集倍数最高,As、Cr和Ni最小,几乎未产生富集作用.说明巢湖汇流湾区沉积物主要受Hg、Cd等重金属富集污染的影响和威胁.

2.2 地积累指数法评价

使用地积累指数法对汇流湖湾区表层各重金属污染状况进行了评价(表2).由表2可见,污染程度分布于0～3之间,共4级.各重金属污染程度大小依次是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.同富集倍数分析结果相似,污染程度最重的仍然是Hg和Cd,2金属污染等级(L)为 3,已达到中度污染水平;Cr、Ni和 As的污染等级为0,表明湖湾区尚未有Cr、Ni和As的污染形成.用SPSS19.0对各金属元素进行聚类分析后发现(图 4),Hg和Cd的污染可能是由人类活动排放的污染源引起的[26],而相关性分析表明两者显著相关(相关系数 0.812,P＜0.01),可能来自相同的污染源.Tang等[26]的研究表明,巢湖入流河道 Cd等金属污染可能主要来自农业生产中化肥(主要为磷肥)的过度使用.另外,汇入湖湾区的南淝河、十五里河和塘西河流经合肥市人口最为密集的区域,流域内众多的工农业生产和其他人类活动都有可能导致金属污染的产生,并随地表径流汇入湖湾区,沉降至沉积物中.

2.3 潜在生态风险评价

应用式(2)～式(4)对汇流湖湾区沉积物重金属综合潜在生态风险指数评价反映(表 3,只列出部分代表性点位),除位于南淝河口附近的12,16和17号以及十五里河河口附近的3号点位具有重度潜在生态风险外,其余点位均具有严重的潜在生态风险,说明由于重金属的存在,汇流湖湾区沉积物对水生生物以及人类健康存有潜在危害[27].其中,位于南淝河河口处的17号点虽然仍具有重度潜在生态风险,但因 1999年后表层底泥分别经过多次环保疏浚和航道疏浚,与其他类似深度的1,2,3,4,12和16号点位进行t检验比较,其沉积物重金属生态风险有极显著性差异(t计=5.30＞t表(0.01,6)=4.03).

图2 湖湾区表层沉积物重金属含量分布(mg/kg)Fig.2 Levels of heavy metal in the surface sediment of the bay studied (mg/kg)

图3 湖湾区沉积物重金属含量垂向分布Fig.3 Vertical distributions of heavy metal contents in sediments of the bay studied

表2 表层沉积物重金属地积累指数及污染等级Table 2 Igeo and contamination level of heavy metals in surface sediment

图4 沉积物重金属聚类分析Fig.4 Dendrogram of cluster of heavy metals in sediment

从各金属的风险指数来看(表3),其大小依次是 Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr.其中污染贡献最大的仍然是Hg和Cd,这2种金属的平均风险指数分别为325.59和240.28,达到严重和较重潜在生态风险状态.这与之前的研究结果相似,石志芳等[24]及程杰等[14]分别认为Hg和Cd是巢湖的主要风险因子.Hg可以损害鱼类的鳃组织[28],影响鱼类的呼吸;Cd会在水生生物的肝脏和肾脏内累积[29].这两种金属都可以通过生物富集进入人体内,对人体肝脏、肾脏等内脏组织造成严重危害.从Hg和Cd的潜在生态风险垂向分布分析(图 5),Hg在 10cm 以上具有严重生态风险,在22cm以上具有较重生态风险,34cm处仍具有中度生态风险;Cd则在18cm以上具有较重的生态风险,直至 26cm 处仍具有中度生态风险.受 Hg和 Cd主要污染贡献影响,沉积物综合潜在生态风险指数RI在14cm以内都具有严重生态风险(≥525).因此,在对巢湖进行重金属整治时可着重考虑对该湾区进行针对Hg和Cd污染的环保疏浚,以消除这两种金属的生态威胁.

表3 表层沉积物潜在生态风险指数与风险等级Table 3 Potential ecological risk indexes and risk level of surface sediment

图5 Eri(Hg、Cd)及RI垂向分布Fig.5 Vertical distributions of Eri (Hg, Cd) and RI along sediment depth

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3 结论

3.1 汇流湾区底泥主要蓄积于距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖湾低洼区,该泥区表层沉积物各重金属含量大多都高于安徽省区域背景值.各金属污染程度大小依次为Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.

3.2 汇流湾区沉积物中Hg和Cd为主要污染重金属,其中富集倍数最大的是 Hg(8.14),其次是Cd(8.01).Hg和 Cd的污染深度最大分别达到34cm和26cm.

3.3 从单个重金属生态风险考虑,大多数重金属仍处于低风险状态.但受Hg和Cd的影响,湖湾区各点位的风险指数(RI)基本处于严重污染水平.建议对湖湾进行重金属治理时重点考虑对Hg和Cd的治理措施和入湖控制.

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