嘉陵江下游表层沉积物重金属污染评价

张 拓,陈芯怡,王浩然,张 逸,王 焱

(1.西华师范大学 环境科学与工程学院,四川 南充 637009;2.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所/农业农村部农业环境重点实验室,北京 100081)

嘉陵江是长江支流中流域面积最大,长度及流量都较大的河流。嘉陵江下游流域因地形结构复杂、气候类型多样、人类活动等因素的影响导致水土流失现象十分严重[1]。嘉陵江流域泥沙含量大,水土流失使得泥沙在水中形成大量沉积物,同时将土壤中重金属污染物携带进入水系,水体中的重金属也以各种形态被颗粒物吸附缓慢沉降至沉积物中,最终被沉积物吸附储存[2-4]。重金属在土壤和沉积物中具有残留时间长、隐蔽性强、毒性大、自净能力差、风险积累时间长[5]以及不能被微生物降解等特点[6],易在底栖动植物体内富集,通过食物链转移进入捕食者或人体内,最终危害人体健康[7]。

贾英等[8]评估了苏州河、黄浦江(上海段)沉积物中重金属的污染等级,指出其污染来源主要包括工业废水的排放、农药化肥的生产和使用以及交通污染等。嘉陵江中上游地区有大量重金属(Zn、Cu、Pb、Cd)矿区,广泛分布在陕西汉中和四川广元境内[9]。在开采过程中,大量的重金属由地表向嘉陵江水体中迁移并在沉积物中呈现出累积的趋势[10]。薛喜成和刘刚[11]在研究中指出,嘉陵江上游重金属污染达中等级别,中游重金属污染达强污染。中上游的重金属会大量在沉积物中累积,并随着表层沉积物和江水移动逐渐向下游迁移,近年来对嘉陵江中下游流域也产生了一定的影响。

目前关于嘉陵江完整的下游沉积物中重金属累积现状的调查和风险评价工作仍然较少,且南充到重庆段的下游区域最终在重庆汇流入长江,此段流域水质状况将会直接影响长江干流流域生态环境安全。本研究通过采集嘉陵江下游流域南充—重庆段表层沉积物样品,分析研究区重金属在沉积物中的含量及分布特征,对表层沉积物进行污染风险评价,并对重金属的污染来源进行分析,以期为长江干流流域水体中重金属污染的风险管控和修复治理提供一定的理论依据,有利于保障长江流域地区的生态平衡。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本次研究区域为嘉陵江南充—重庆段,主要流经南充市、广安市及重庆市。该流域属亚热带季风性气候,年均降雨量超过1 000 mm,在该段下游区域有西河、渠江和涪江等多条支流汇入。南充市和重庆市均是川渝地区人口规模较大的城市,人口较为密集,近年来沿岸居民区和工矿地区的聚集,在一定程度上影响了嘉陵江下游地区的生态环境。

1.2 样品采集

先在卫星地图上选取采样点位并且用ArcGIS绘图,共设8个点位,包括小型村庄、无人居住原始生态区域、金属冶炼厂附近及支流汇流处的人口密集地区。大约在干流中每隔10～15 km设1个采样点,以丁家沟为起点(S1),沿嘉陵江向下游采集沉积物,依次为岩口湾(S2)、凉亭子(S3)、邓家寨(S4)、錾坝(S5)、犁头村(S6)、牛颈村(S7),直至刘文学墓园附近(S8),点位如图1所示。采样时间为2021年1月,使用抓斗式重力采泥器采集表层沉积物样品,采取深度为0～5 cm表层沉积物,其中每个采样点间隔50 m设置3个平行采样点,采集表层沉积物进行混合后,编号装入聚乙烯自封袋内并密封好后带回实验室。

1.3 样品处理与分析方法

将样品放置到培养皿中,烘箱40 ℃烘干后取出,将其压散,剔除沉积物中的砾石、动植物残体等杂质,研磨后过100目筛,装于聚乙烯自封袋中,在阴凉干燥处密封保存备用[12]。通过王水消解法浸提沉积物中重金属,定容后使用电感耦合质谱仪(Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometry,ICP-MS)对Zn、Cu、Pb和Cd元素进行测定,利用原子荧光光谱仪(Atomic Fluorescence Spectrometer,AFS)对Hg元素进行测定。

1.3.1 地累积指数法

表1 重金属污染级别

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数[16],其表达式如下:

式中,ci为该位点重金属含量;Si为地球化学背景下重金属含量,根据Pn值可将污染分为安全(≤0.7)、警戒(0.73.0)共5个等级。

1.4 数据处理

利用Excel 2016进行数据统计与分析,运用ArcGIS绘制采样点的分布图,采用SPSS 23.0进行相关性分析及Origin 2020绘图。

2 结果与分析

2.1 重金属含量及其空间分布特征

嘉陵江下游流域表层沉积物5种重金属元素含量如表2所示,8个点位中5种重金属元素的含量平均值均超过背景值,其中Cd含量平均值达到背景值6.5倍,Hg和Zn含量平均值分别是背景值2和1.57倍。所有采样点位的Cd、Hg、Zn元素均超过背景值,仅S3与S6点位的Pb元素未超过背景值,Cu元素超过沉积物背景值点位有4个。综合来看,嘉陵江下游采样点位的Cd元素严重超标,Zn、Hg、Pb污染情况较为明显,与张伯镇等[17]对重庆主城区的19条河流表层沉积物重金属研究中得出的Cd元素可能是嘉陵江下游的主要重金属污染物结果较为一致。

表2 各点位沉积物重金属含量

变异系数根据区域重金属分布的变异程度来判断人类活动对沉积物中重金属的扰动情况[18]。表2中所有重金属的变异系数范围为0.19～0.39,属于中等程度变异,空间分布较为均匀,离散性较小。其中Hg的变异系数较大,说明Hg元素受到人为活动干扰可能性较大。

Pearson相关性分析可以探讨各种金属元素之间是否具有相同来源或存在相同沉积分布特征[19]。相关性结果如表3所示:Zn与Hg、Cd呈极显著正相关(P<0.01),Pb与Hg呈极显著正相关(P<0.01),Cu与Zn、Zn与Pb、Cd与Hg呈显著相关(P<0.05)。

表3 Pearson相关性分析结果

上述结果表明,嘉陵江下游Cd和Cu的来源可能与Zn矿的开采有关,而Pb矿的开采可能是Hg元素进入沉积物形成伴随污染的主要原因。采样区域存在诸多人为活动区域,且由于嘉陵江上游位于秦岭北麓凤县,该地蕴含储量丰富的铅锌矿,且铅锌矿为多金属矿床,共生、伴生矿床多,因此矿石中还伴有Cu、Cd、Hg、Cr等重金属元素。近几年来,凤县一带采矿场分布增多,所以随着嘉陵江上游采矿活动频繁,冶炼厂排放烟尘的过程中产生大量的Pb、Cd、Zn[20],沉积在土壤和水体中,导致下游水域受到相应污染影响。因此,下游流域除去本身的重金属输入外,近年来可能也受到了上游矿区开采的影响,Hg和Cd在沉积物中逐渐累积,最终迁移至下游地区,在下游形成富集。

2.2 地累积指数法评价

地累积指数结果如表4所示:采样点沉积物重金属的污染程度依次为Cd>Hg>Zn>Pb>Cu。其中Cd的Igeo范围为1.60～2.85,属于中度-重度污染水平,Hg、Zn的Igeo平均值均小于1,属未污染-中度污染。刘杰和陈少波[21]对汉中嘉陵江流域的几种重金属污染程度的评价结果显示,Cd存在极强的潜在生态风险,Pb在横现河断面达到中等潜在风险。罗财红等[22]对嘉陵江下游重庆地区沉积物中的重金属含量利用地累积指数法分析发现,Hg和Cd是风险值最高的两种重金属污染物,这与本研究结果基本保持一致,结合含量及相关性分析结果进一步说明研究区域沉积物的重金属污染受到人类活动的影响,对环境产生危害风险。因此,应当重视并加强对区域环境Cd污染的监测,对于已污染地区,采取针对Cd污染的治理措施,控制污染范围,并对中度污染地区加强保护,避免污染加重。

2.3 内梅罗综合污染指数法评价

内梅罗综合污染指数法评价结果如表5所示:研究区沉积物重金属污染等级与地累积指数法评估结果完全一致,依次为Cd>Hg>Zn>Pb>Cu。不同重金属在不同点位的浓度含量虽不同,但总体看Cd是研究区域污染最为严重的重金属,Hg和Zn的污染等级达到中度。该结果与上游某铅锌冶炼区土壤重金属污染的内梅罗综合污染指数法分析的结果基本一致[23]。我国煤层中Cd含量常常较高[24],在南充和重庆两市的主要能源来源于煤炭,且在南充段上游的广元市有大量的煤矿开采区。本研究中Hg与Cd呈现出极显著的关系,这表明煤矿开采和燃煤过程中常伴随着大量的Hg和Cd等元素向环境中同步释放,通过大气沉降和地表径流进入流域,使得沉积物中Cd和Hg含量升高[25]。因此,当地有关部门需要高度重视,应加强对于工业污水和农村生活污水向嘉陵江流域排放的管控。

3 结 语

本研究利用了地累积指数法、内梅罗综合污染指数法及相关性分析对嘉陵江下游流域沉积物中重金属污染风险和可能产生的环境危害进行评价,结果表明Cd和Hg是此段流域中具有较高风险的重金属元素,考虑到不同评价方法在沉积物中重金属评价可能存在的片面性,接下来对于该流域的研究将结合微观层面揭示重金属的重点污染区域,对于垂直剖面重金属分布进行进一步风险评价,进而研究其在沉积物种中迁移释放的规律,揭示重金属元素在沉积物中二次释放机理及其控制因素。本研究为重金属二次污染及治理提供一定的理论支撑,对于保护嘉陵江流域生态系统及水资源安全具有重要现实意义。