大冶湖流域底泥重金属污染及生态风险评价

方月梅,张晓玲,刘 娟,何明礼

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)

大冶湖流域底泥重金属污染及生态风险评价

方月梅1,2,张晓玲1,刘 娟1,何明礼1

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)

为了解大冶湖流域底泥中重金属含量、污染程度以及分布特征，对大冶湖各子湖及周边港渠水体和底泥中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr进行实地采样和分析研究。采用地累积指数法及潜在生态风险指数法对底泥中重金属污染程度和生态风险进行评价，并对表层和深层底泥中的重金属污染物分布特征进行了比较分析。结果表明：大冶湖流域水体及底泥已受到重金属不同程度的污染，三里七湖、罗桥东西两港污染最严重；大冶湖流域是Cd重污染区，重金属污染程度依次为：Cd>Cu>Pb>Cr≈Zn；各监测点的重金属元素综合潜在危害程度均为“极强”，表明大冶湖流域底泥重金属污染严重；Pb-Cd、Pb-Cr、Cu-Zn、Zn-Cr之间显著相关，说明这些重金属来源具有一定的相似性。

大冶湖流域；底泥；重金属；生态风险评价

0 引言

大冶市是国家和湖北省重金属污染重点防控区之一，而大冶湖流域因有色金属冶炼业十分发达使得流域内重金属污染严重，成为重金属污染重灾区，治理大冶湖流域重金属污染已迫在眉睫。现已有学者对大冶湖及周边的土壤和农作物的重金属污染特征等进行了研究[1-5]，但针对大冶湖流域水体及底泥重金属进行的系统研究还鲜见报道。排放到水体的重金属大部分被悬浮的颗粒物吸附，并逐步沉积，因而底泥成为水体重金属蓄积场所[6]。通过水土界面不断的物质交换，重金属污染物又会释放到水体中造成对水体的二次污染[7]。因此，调查评价底泥污染状况对湖泊生态环境的修复具有重要意义。

本研究以大冶湖流域主要港渠及湖区的水体和底泥为研究对象，测定各采样点Cu、Pb、Cd、Cr、Zn这5种主要重金属的含量，采用地累积指数法及潜在生态风险指数法对底泥中的重金属污染程度进行评价，并分析底泥中重金属的分布特征，为治理大冶湖及港渠水体重金属污染和疏浚底泥提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1样品的采集

于2015年11月，对大冶湖3个子湖及周边港渠进行采样和监测，共布设30个水质监测点和26个底泥监测点，大冶湖流域监测点位示意图如图1所示。按HJ/T91-2002《地表水和污水监测技术规范》的要求进行水样采集；参照《水和废水监测分析方法》(第4版)进行样品保存。参考HJ/T166-2004《土壤环境监测技术规范》中所述方法采集底泥及泥芯，采集的样品分层装入聚乙烯密封袋内，并贴好标签。

底泥采集：在上游地区大箕铺港、兴隆咀港、罗桥西港、罗桥东港内各布设2个监测点，在入湖口处布设1个监测点，向上游方向500～1 000 m处布设1个监测点，采集底泥样；红旗渠入大冶湖处采泥芯1次，每间隔10 cm深度取泥样做底泥监测项目；污染较严重的罗桥东港和罗桥西港入三里七湖湖口处分别采泥芯1次，每间隔10 cm深度取泥样做底泥监测项目；三里七湖湖心设1点，湖心区下游500 m设1点；在主要湖区用网格布点法进行布点，每2～3个点采集1个底泥样品。

图1 大冶湖流域监测点位示意图

1.2样品预处理与分析

水样经“王水+双氧水”加热消解预处理后测定其重金属含量。底泥放置于阴凉、清洁的房间内阴干，经自然风干后，去除动植物残体及砾石，研磨并过100目尼龙筛，过筛样品用聚乙烯密封袋保存待测。底泥重金属预处理采用“王水+HF”消解。处理好的水样和底泥样中的重金属均采用原子吸收分光光度仪(美国Varian-AA240)测定。

本研究实验严格按照实验室质量控制方法进行操作，所用数据为3个平行样品的平均值，相对标准偏差在10%以内，底泥分析结果均以干重计。数据采用SPSS19进行分析。

1.3评价方法

1)地积累指数评价法

地积累指数法考虑了人为污染因素、环境地球化学背景值和由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，能直观反映沉积物中重金属富集程度[7-8]。其计算式为：

Igeo=log2[Cn/(KBn)]

(1)

式(1)中：Cn为元素n在沉积物中的含量；Bn为沉积物中该元素的地球化学背景值，本研究选取大冶湖无明显工业“三废”污染影响的底泥中重金属污染物质的平均含量作为参考值；K为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数，取值1.5。地累积指数与污染程度分级见表1。

表1 地累积指数与污染程度分级

2)潜在生态危害指数评价法

潜在生态危害指数法不仅考虑重金属含量，将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，反映了某一特定环境中各种污染物对环境的影响及多种污染物的综合效应，而且用定量的方法划分出了潜在生态风险的程度，是沉积物质量评价中应用最广泛的方法之一[9-12〗。该评价方法的表达式为：

RI=∑Eir=∑(Tir×Cif)=∑[(Tir×Ci)/Cin]

(2)

式(2)中：RI为多种金属潜在生态风险指数；Cif为某一金属的污染参数，Cif=Ci/Cin，Ci为重金属的实测值，Cin为参比值，本研究以大冶湖底泥自然背景值作为参考；Eir为某一金属潜在生态风险参数；Tir为单个污染物的毒性响应系数(Pb、Cd、Cu、Cr、Zn的Tir值分别取5，30，5，1，1)。

2 结果与讨论

2.1大冶湖流域水体及底泥重金属含量特征

大冶湖流域水体及底泥中重金属含量分析和底泥重金属质量标准分别见表2、表3。水体中Pb、Cr、Cu、Cd、Zn浓度的平均值分别为0.034 mg/L、0.021 mg/L、0.022 mg/L、0.019 mg/L、0.114 mg/L，Cu和Zn浓度全部达到Ⅰ～Ⅱ类标准，但其中三里七湖、罗桥东西两港的Pb、Cd、Cr浓度均达到劣V类，特别是Cd的污染最严重。

表2 大冶湖流域水体及底泥中重金属含量分析

表3 底泥重金属质量标准

底泥中各重金属平均含量均高于大冶湖背景值含量，Pb、Cr、Cu、Cd、Zn分别是背景值的14.94，3.17，9.06，387.14，1.04倍。对照GB15618-1995《国家土壤环境质量标准》，发现除了罗桥东港入湖口外，其余各点的Pb、Zn和Cr含量均达到II级标准，所有监测点的Cd均超过II级标准；罗桥东港入湖口、罗桥西港150 m及300 m处的Cu含量超过III级标准；对照农用污泥控制标准，发现大冶湖流域底泥中仍有Cd、Cu和Pb这3种重金属元素超标，其中超标最严重的是Cd，26个监测点中有10个超标；其次是Cu和Pb，超标监测点分别为5个和4个。5种重金属的污染程度依次为：Cd>Cu>Pb>Cr≈Zn。

大冶湖流域水体及底泥中各重金属含量范围变化幅度较大，说明流域内重金属区域污染差异较大。

2.2大冶湖流域重金属含量的空间分布特征

大冶湖流域水体和底泥中各重金属含量空间分布图分别如图2、图3所示。

图2 大冶湖流域水体中各重金属含量分布图

图3 大冶湖流域底泥中各重金属含量分布图

由图2可知，从空间分布看，三里七湖、罗桥东西两港和外湖2、3号监测点处的水体达到劣V类，可见大冶湖上游及其周边港渠污染严重，特别是三里七湖重度污染；下游及周边港渠水质略好，但依然达不到水功能区水质标准。

分析图3可知，罗桥东港入湖口处底泥重金属超标倍数比较高，其中Cd的污染尤为严重，这是因为Cd性质较为稳定，很难降解，从而不断积累于底泥中[9-10]。此外，不同深度的底泥受污染程度可以在一定程度上反映不同年代污染物排放状况。从罗桥西港入湖口处、罗桥东港入湖口处和红旗渠入湖口处不同深度底泥的监测结果可以看出，其中Pb含量很高，可推测一直以来3条港渠排放的废水中Pb是最严重的污染因子，其次是Cd，第3是Cu，Cr和Zn含量相对较少。3条港渠中罗桥东港的污染状况最严重，这是因为大冶湖流域矿藏丰富、历史悠久，且采选和冶炼业十分发达。同时，铁山区废水也主要通过铁金港和罗桥东港排入三里七湖，其中大部分是冶炼行业和采矿业等排出的高污染废水；下陆区废水主要通过罗桥东西两港排入三里七湖，其中东港沿线有大冶有色公司、新兴管业、中铝铜业等11个工业废水排污口，生活污水排污口有33个，西港沿线企业废水排污口2个。

对比底泥和表层水体中重金属含量可知，底泥中Cd的污染最严重，Pb和Cd的含量较高，且对应采样点的水样中这2种污染物也较为严重，达到劣V类水质标准。这表明底泥与湖泊水质状况密切相关，底泥中重金属的析出会导致水中重金属含量增加。因此必须对底泥进行疏浚，而且罗桥东西两港入湖口的底泥疏浚深度要达到50 cm。

2.3底泥重金属地累积指数法评价

大冶湖流域底泥重金属地累积指数和污染程度评价结果见表4。

分析表4可知：

1)底泥中Pb的污染程度范围为“中”到“极强”，其中以“中”和“中～强”的污染程度最普遍，只有在罗桥西港300 m处达到 “极强”的污染程度，在罗桥东港入三里七湖口达到“强”和“强”以上的污染程度。

2)底泥中Cr的污染程度较轻，只在罗桥东港入三里七湖口达到“中～强”污染程度，表明Cr的污染不严重。

3)底泥中Cu的污染程度大多为“无”和“无～中”，但在罗桥西港150 m、300m处达到 “强～极强”的污染程度，在罗桥东港入三里七湖口深度为20 cm、30 cm处达到“极强”和“强～极强”的污染程度，表明Cu的污染不严重。

4)底泥中Cd的污染程度大多为“强”和“强～极强”，只在兴隆咀港入湖口和大冶湖湖区一点的污染程度为“无”，表明Cd的污染很严重。

5)底泥中Zn的污染程度最轻，只在罗桥东港入三里七湖口20 cm、30 cm处分别达到“中～强”和“中”的污染程度，其余均为“无”和“无～中”。

6)分别在东港入三里七湖湖口、西港入三里七湖湖口、红旗渠入大冶湖处不同深度采集泥芯，分析其污染程度评价结果可知，各个采样点处各重金属元素的污染程度在不同深度的分布基本一致。

表4 大冶湖流域底泥重金属地累积指数和等级

2.4底泥重金属生态危害评价

本研究采用当地土壤环境背景值[9]和现代工业化以前正常颗粒金属的最高背景值作为参比值。参比值对照表见表5，RI、Ei值与生态危害程度分级见表6。

表5参比值对照表mg/kg

参比值PbCrCuCdZn当地背景值29.2057.3040.100.3568.00工业化前沉积物最高背景值70.050090.01.50175.0

表6 RI、Ei值与生态危害程度分级

大冶湖流域底泥重金属潜在生态危害系数、潜在生态危害指数与生态危害程度见表7。

表7 大冶湖流域底泥重金属潜在生态危害系数和危害程度

以当地背景值作为参比值，可以反映大冶湖各采样点重金属的相对污染程度；以工业化以前沉积物的最高背景值为参比值，可在更大程度上反映可能存在的潜在危害程度。分析表7中数据可知：

1)以当地背景值为参比值进行评价时，Pb的污染程度在罗桥东港入三里七湖湖口10 cm、20 cm、40 cm、50 cm处分别为“很强”、“强”、“很强”、“极强”外，在其他区域均为“轻微”；Cd除了在兴隆咀港入湖口和大冶湖湖区一点未检出外，其余各监测点的潜在生态危害均为“极强”；Cu的污染程度除了在罗桥西港150 m和300 m处和在罗桥东港入湖口30 cm处分别为“很强”、“很强”、“强”外，在其余各监测点的潜在生态危害均为“轻微”；Cr和Zn在各监测点的潜在生态危害均为“轻微”。

2)以工业化前沉积物的最高背景值为参比值进行评价时，Pb的污染程度在罗桥东港入三里七湖湖口10 cm、20 cm、40 cm、50 cm处分别为“强”、 “中等”、“强”、“很强”外，在其他区域均为“轻微”；Cd除了在兴隆咀港入湖口和大冶湖湖区一点未检出外，其余各监测点的潜在生态危害均为“强”和“极强”；Cu的污染程度除了在罗桥西港150 m和300 m处和东港入湖口20 cm、30 cm处分别为“中等”、“强”、“强”、“中等”外，在其余各监测点的潜在生态危害均为“轻微”；Cr和Zn在各监测点的潜在生态危害均为“轻微”。

3)以2种背景值中RI值为参比值进行生态危害评价时，各监测点的重金属元素综合潜在危害程度均为“极强”，表明大冶湖底泥重金属污染严重。

综上可知，Cd在2种评价结果中都是潜在生态危害最大的因子，其他4种重金属的危害不严重，但各重金属元素的综合危害严重。2.5污染来源分析

沉积物来源因素较复杂，主要分为两大类：①人为活动过程中产生的污染物质，包括生活废水、工业污水及农业活动产生的污染物；②自然环境来源，如地壳活动，地表岩石水流侵蚀、风化等[10-14]。为探究底泥中重金属污染的来源，对流域中底泥的重金属进行了相关性分析，底泥中各重金属的相关性矩阵见表8。

表8 底泥中各重金属的相关性矩阵

注:* *表示在0.1水平上显著相关，*表示在0.05水平上显著相关，n=26

由表8可知，各重金属间有一定的相关性，其中Pb-Cd、Pb-Cr、Cu-Zn、Zn-Cr之间显著相关，说明Pb与Cd、Cr之间密不可分，Zn与Cu、Cr之间密不可分，存在一定的伴生关系，可能属于同源污染物。

大冶湖流域为Cd重污染区，这与大冶湖流域矿藏丰富、冶炼业发达有关。大冶湖周边及上游区域是大冶市的主要采矿区，矿厂、有色金属冶炼企业等高污染企业多。据统计，每年排入大冶湖的工业废水约5 000万t，以选矿废水排放量最大，其次是冶炼废水，废水中含有Cu、Fe、Zn、Pb、Cd、As、氟化物等污染物。正因为冶炼业发达，在几千年的矿山开采过程中，大冶湖流域水体及底泥受到重金属的污染十分明显。此外，大冶湖流域的种植业、畜禽养殖业、水产养殖业等排放的污染物，对大冶湖水质也造成影响[15-16]。

要治理大冶湖流域的重金属污染，必须多管齐下，既要治理工业污染源，也要加强农业面源和生活源污染的治理。

3 结束语

1)大冶湖流域水体及底泥已受到重金属不同程度的污染，重金属污染程度依次为：Cd>Cu>Pb>Cr≈Zn，其中三里七湖、罗桥东西两港污染最严重；大冶湖流域底泥各监测点的重金属元素综合潜在危害程度均为“极强”， 其中Cd是潜在生态危害最大的因子，大冶湖流域为Cd重污染区。

2)大冶湖流域内重金属区域污染差异较大，底泥与湖泊水质状况密切相关，底泥中重金属的析出会导致水体中重金属含量增加。因此必须对底泥进行疏浚，而且罗桥东西两港入湖口处的底泥疏浚深度要达到50 cm。

3)大冶湖流域底泥中Pb-Cd、Pb-Cr、Cu-Zn、Zn-Cr之间显著相关，说明它们存在一定的伴生关系，可能属于同源污染物。

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Pollution and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals of Sediments in Daye Lake Basin

FangYuemei1,2,ZhangXiaoling1,LiuJuan1,HeMingli1

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

Sediments and water from Daye lakes,surrounding ports and channels in Daye lake basin were collected to reveal the content of heavy metals(Cu、Pb、Cd、Zn、Cr),pollution degree and distribution characteristics.Pollution of heavy metals and potential ecological risk of these elements in sediments were evaluated by the geo- accumulation and potential ecological risk index.The distribution characteristics of heavy metal pollution between surface and deep sediment were analyzed.The results indicated that it had been polluted in different degrees by heavy metals of sediment and water in Daye lake basin.And Lake San-li-qi,East Port and West Port of Luoqiao were most seriously polluted.Daye lake basin was the most seriously Cd polluted area.The pollution degree of heavy metals in the order was Cd>Cu>Pb>Cr,Zn;The comprehensive degree of potential hazard of heavy metal elements was"very strong",which indicated that heavy metals pollution of sediment was serious;It exhibited significantly positive correlation between Pb and Cd,Pb and Cr,Cu and Zn,Zn and Cr,which suggested that the pollution of Pb-Cd、Pb-Cr、Cu-Zn、Zn-Cr were resulted from homologous pollutants.

Daye lake basin;sediment;heavy metal;ecological risk assessment

2017-08-06

湖北省教育厅科研计划项目(项目编号D20154402);矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室开放研究基金项目(项目编号2014107);湖北理工学院校级科研重点项目(项目编号13xjz02A)。

方月梅，副教授，硕士，研究方向：安全与环境工程治理技术。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.005

X82

A

2095-4565(2017)05-0017-08

(责任编辑高嵩)