太湖流域沉积物重金属污染特征评价

黄体斌,陈 禹,陆嘉昂,夏 霆,徐 宁

(1.南京工业大学 环境科学与工程学院,江苏 南京 211800;2.江苏省环境科学研究院 江苏省环境工程重点实验室,江苏 南京 210036;3.南京工业大学 城市建设学院,江苏 南京 211800)

目前,水体沉积物污染已成为最热门的水体环境污染问题之一[1]。重金属是水体沉积物污染最主要的研究对象,重金属污染对水生生态系统造成了一定程度的破坏[2]。重金属污染物进入水体后,在一定的水动力条件下逐步迁移、吸附、沉积至表层沉积物中,沉积物是河流重金属重要的“汇”;当外界氧化还原条件、pH和水动力条件等发生变化时,沉积物中的重金属会重新释放到水体中,导致水体二次污染[3]。因此,研究沉积物的污染特征对湖泊和水库生态系统的保护和管理非常重要[4]。

太湖流域是我国人口最为集中、城镇化进程最快的地区之一,该地区经济社会快速发展,但因未采取严格的水污染防治措施,造成水环境污染问题日益凸显[5]。目前,针对流域重金属污染研究虽已展开,但研究区域都是从局部出发[6],未能从整体角度研究。本文以江苏省太湖流域整体区域为研究对象,设置201个点位研究其表层沉积物元素Cu、As、Cd和Hg的含量[7],分析重金属污染等级,以期为太湖流域重金属污染状况进行分区域治理与防治提供依据。

1 实验与方法

1.1 区域概况与采样点分布

课题组于2019年8月在江苏省太湖流域进行采样。采样区域包括苏州、无锡、常州、镇江及南京在内对太湖水质有影响的水体区域。

江苏省政府在《江苏省太湖流域水生态环境功能区划(试行)》中划分了49个太湖流域水生态环境功能分区,并将49个分区依据生态功能划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个级区[8]。

1.2 重金属检测

将采集的样品风干后用四分法取样,用玛瑙研钵研磨,过150 μm的筛网后储存备用[9]。采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定沉积物样品中Cu、As、Cd和 Hg含量。

1.3 数据处理

太湖流域沉积物重金属含量分布等数据处理均采用Arcgis 10.4软件。

1.4 评价方法

目前还没有太湖流域沉积物重金属背景值[10],通过查阅文献[11],选择苏南地区沉积物中重金属含量(质量分数,下同)的环境背景值为参考,见表1。

表1 沉积物中重金属的环境背景值

1.4.1 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是由瑞典科学家Hakanson于20世纪80年代提出,目前被普遍运用于评价土壤重金属污染状况[12]。该方法不只是单纯考虑了重金属的含量,还将重金属与特定环境的环境效应以及重金属对生物毒性的影响考虑在内,定量地区分重金属的潜在生态风险级别[13],其计算方法见式(1)—(3)。

(1)

(2)

(3)

表2 重金属潜在生态风险指数与分级[14]

1.4.2 地累积指数法

地累积指数是由德国科研工作者穆勒提出并用于研究土壤和底泥重金属污染水平的指标[15],其计算方法见式(4)。

Igeo=log2(Ci/XBi)

(4)

式中:Igeo为地积累指数;Bi为重金属i含量的背景值,mg/kg;X为校正系数,通常为1.5[16],用于校正地域差异引起的金属背景值变化。 参考文献[17],地累积指数与分级见表3。

表3 地累积指数与分级[17]

2 结果和分析

2.1 重金属分布特征

测得太湖流域不同采样点沉积物中重金属含量,结果如图1所示。由图1可得:太湖流域沉积物在不同采样点的Cd、Hg、As、Cu含量分别为0.04～2.93、0.03～0.89、0.13～21.30、0.03～148.00 mg/kg。太湖流域表层沉积物中Cd、Hg、As、Cu 4种重金属的平均含量分别为0.40、0.15、11.61、27.62 mg/kg。重金属按平均含量由大到小排序为Cu、As、Cd、Hg，与于佳佳等[7]研究结果一致,分别是各自背景值的1.18、1.24、4.71、6.00倍,对应的重金属变异系数分别为69%、76%、32%、82%。文献[18]研究表明,当变异系数>20%,沉积物重金属含量的空间差异由人类活动引起。依据Wilding等[19]对变异系数的等级分类,Cu、Cd和Hg的变异系数都超过36%,是高度变异,而As为中度变异,表明Cu、Cd和Hg受人为因素影响较大。

统计太湖流域不同级区沉积物重金属含量,结果如图2所示。由图2可得:4级生态区按照Cd平均含量从高到低的排序为Ⅲ(0.588 mg/kg)、Ⅳ(0.361 mg/kg)、Ⅱ(0.276 mg/kg)、Ⅰ(0.245 mg/kg),其中在Ⅰ级区出现Cd含量最高值(2.93 mg/kg,分区Ⅰ-01),说明分区Ⅰ-01中Cd污染最为严重,主要由于此区域为长荡湖,周边多为工业园聚集区,印染、塑胶、橡胶、钢铁等产业的废水排放致使Cd的污染加重。4级生态区按照Hg平均含量从高到低的排序为Ⅱ(0.15 mg/kg)、Ⅲ(0.14 mg/kg)、Ⅳ(0.13 mg/kg)、Ⅰ(0.10 mg/kg),各级区中Hg的含量变化不大,但是所有分区Hg的平均含量都高于背景值。沿湖地区的Hg含量更高,这是由于进出湖水系中的Hg沉降在沿湖地区,造成了Hg含量偏高。4级生态区按照As平均含量从高到低的排序为Ⅱ(11.62 mg/kg)、Ⅲ(10.79 mg/kg)、Ⅰ(10.18 mg/kg)、Ⅳ(8.17 mg/kg),As在Ⅱ级区含量最高,其中分区Ⅱ-07属于滆湖,周边多为综合生活功能区和农田,周边的汽车废弃物、农田废水、电镀废弃物等都会引起As含量的升高。4级生态区按照Cu平均含量从高到低的排序为Ⅳ(27.70 mg/kg)、Ⅲ(23.81 mg/kg)、Ⅰ(21.35 mg/kg)、Ⅱ(19.54 mg/kg),Ⅰ和Ⅱ级区中Cu含量变化不大,但是Ⅲ和Ⅳ级区中Cu含量变化较大,文献[20]研究表明,沉积物中重金属含量分布差异与该区域土地利用类型相关,Ⅳ级区中张家港地区存在金属加工厂,Ⅲ级区中无锡市电路板生产企业较多,都会造成沉积物Cu含量超标。

图1 太湖流域沉积物重金属含量分布Fig.1 Distribution of heavy metals content in sediments of Taihu Lake Basin

图2 重金属在各水生态功能区含量分布Fig.2 Distribution of heavy metals content in various ecological functional areas

与我国其他地区湖泊流域重金属含量做对比,结果见表4。由表4可知:太湖流域沉积物中Hg高于玄武湖与琵琶湖地区，As的含量与除小清河外的其他地区相比略低,而Cu含量明显低于琵琶湖以外的其他地区。与地理位置相近的玄武湖相比,发现Cd、Hg和As含量比较接近,而玄武湖的Cu含量高于太湖流域的Cu含量,可能是城市湖泊水体较小,且处于城市内部,更容易受到人为因素的影响。与东湖相比,太湖流域的Cd、Hg、As和Cu含量均较低。太湖流域的Cu含量要高于琵琶湖地区,琵琶湖作为南京内湖,在景区内部,所以Cu含量较低。洞庭湖Cd、Hg、As和Cu都高于太湖流域,说明洞庭湖重金属污染高于太湖流域。而小清河作为河流,Cu也远高于太湖流域。总体而言,太湖流域Cu含量比其他内湖少,污染也较轻,表明近年来太湖流域对Cu排放的管控措施严格。

表4 不同区域沉积物的重金属含量

2.2 重金属潜在生态风险评价

1)Ⅰ级区中：As、Cu单因子重金属均为轻微生态风险等级;Cd在Ⅰ-01(543.76)的生态风险等级为严重,在Ⅰ-04(171.13)的生态风险等级为重度,其余均为轻微-中等生态风险;Hg在Ⅰ-03(262.40)的生态风险等级为重度,其他均为较重生态风险;Hg是Ⅰ级区的最主要生态风险贡献因子。

2)Ⅱ级区中：As、Cu单因子重金属均为轻微生态风险；Cd单因子重金属潜在生态风险指数最大值在Ⅱ-07(261.00),风险等级为重度,最小值在Ⅱ-01(14.82)，生态风险等级为轻微,Cd在Ⅱ级区内的生态风险等级差别较大;Hg在Ⅱ-06(435.20)为严重生态风险,其他为较重-重度生态风险。

3)Ⅲ级区中：As、Cu单因子重金属均为轻微生态风险；Cd在Ⅲ-19(320.59)达到严重生态风险,其他大多数为中等-较重生态风险;Ⅲ-09(513.60)、Ⅲ-19(363.73)、Ⅲ-16(339.73)内Hg的生态风险等级为严重,其他分区大多为较重-重度生态风险。

4)Ⅳ级区中：As、Cu单因子重金属均为轻微生态风险；Cd在Ⅳ-07(182.29)达到重度生态风险,其他大多数为中等-较重生态风险;Ⅳ-01(654.93)、Ⅳ-14(341.96)内Hg的生态风险等级为严重,其他分区大多为较重-重度生态风险。

不同级区的潜在生态风险指数见图3。由图3可得:4个级区按潜在生态风险指数由大到小的排序为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ,4个级区生态风险等级均为重度。其中,Ⅰ级区中Ⅰ-01(RI=700.98)达到严重生态风险水平。Ⅱ级区中Ⅱ-06(RI=515.22)、Ⅱ-02(RI=428.41)的RI较高,Ⅱ级区主要生态风险贡献因子为Hg。Ⅲ级区中,RI的差异较大,重金属Cd和Hg的共同作用使得Ⅲ-19(722.76)的RI在该级区内最大,Ⅲ-14(188.40)的RI最小。Ⅳ级区中,Ⅳ-01(834.81)的RI最大,同时也为太湖流域内的最大值,生态风险等级为严重。49个分区的生态风险等级大多为中度-重度。

2.3 地累积指数

太湖流域不同重金属地累积污染等级见图4。由图4可得:通过式(4)计算得到Cd、Hg、As、Cu地累积指数范围分别为-1.73～3.59、-0.25～3.44、-1.61～0.05、-2.23～0.80,平均值分别为0.97、1.66、-0.56和-0.71。重金属按其污染等级由高到低依次为Hg、Cd、As、Cu。金属Cd 采样点以偏中度污染为主,采样点占比为37.5%,偏重度污染、中度污染、轻度污染、清洁的采样点占比分别为2.5%、12.5%、32.5%、15.0%;金属Hg采样点以偏中度污染为主,采样点占比为57.5%,偏重度污染、中度污染、轻度污染、清洁的采样点占比分别为5.0%、22.5%、12.5%、2.5%,As、Cu采样点以清洁状态为主,采样点占比分别为95.0%、82.5%,轻度污染的采样点占比分别为5.0%、17.5%。地累积指数表明太湖流域Hg、Cd 偏中度污染,As、Cu处于清洁水平。

图3 太湖流域不同水生态功能区潜在生态风险指数Fig.3 Comprehensive potential ecological risk index of different ecological functional areas of Taihu Lake Basin

图4 太湖流域不同重金属地累积污染等级Fig.4 Cumulative pollution degree of different heavy metals in Taihu Lake Basin

3 结论

1) 采用ICP-MS测得太湖流域沉积物重金属平均含量:Cu平均含量为27.62 mg/kg，As平均含量为11.61 mg/kg，Cd平均含量为0.40 mg/kg，Hg平均含量为0.15 mg/kg。

2)通过单因子重金属潜在生态风险指数计算,4种重金属按潜在生态风险由高到低依次为Cd、Hg、As、Cu。

3)通过比较潜在生态风险指数(RI)发现,4个级区按潜在生态风险指数从大到小依次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ,4个级区生态风险等级均为重度。

4)通过地累积指数计算,4种重金属按地累积污染等级由高到低依次为Hg、Cd、As、Cu。