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      宿鴨湖水庫沉積物重金屬含量分析與評價

      發布時間:2020-10-13 10:11所屬分類:水利加入收藏

      摘 要:為了解宿鴨湖水庫庫底沉積物中重金屬污染水平,對沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg等8種重金屬含量進行了研究,并采用地積累指數法、污染

        摘 要:為了解宿鴨湖水庫庫底沉積物中重金屬污染水平,對沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg等8種重金屬含量進行了研究,并采用地積累指數法、污染負荷指數法、沉積物質量基準法及潛在生態風險指數法進行了綜合評價,結果表明:重金屬在沉積物上部含量較高,且Cd、Hg在空間分布上差異較大;根據相關性分析,Ni、Cr、As、Pb、Zn之間以及Cd、Hg之間關系密切;Cd的地積累指數值較高,屬于無污染到中污染;根據污染負荷指數法污染分級標準,所有采樣點中有4個采樣點為無污染,16個采樣點為中等污染;根據沉積物質量基準法,Ni和As可能對水體產生不利影響;根據潛在生態風險指數法,宿鴨湖水庫庫底沉積物重金屬整體處于輕微風險至中等風險,且主要受Hg和Cd的影響。

        關鍵詞:重金屬;統計分析;地積累指數法;污染負荷指數法;沉積物質量基準法;潛在生態風險指數法;宿鴨湖水庫

      水利工程師論文

        水庫庫底沉積物作為水庫水環境中重金屬的主要蓄積庫,可以反映水體受重金屬污染的狀況。同時,由于沉積物和水體中的重金屬可以發生遷移和轉化,因此庫底沉積物兼具污染受體與污染源的雙重屬性[1]。水體中重金屬經上游河道進入水庫,在相對滯緩的水流條件下隨懸浮物沉降進入沉積物;當水體受到擾動或化學環境發生變化時,沉積物中重金屬又可以向水體擴散。因此,充分認識沉積物中重金屬的污染狀況和釋放風險可以為水庫污染防治提供依據。目前關于水庫沉積物的研究主要是對沉積物進行采樣并監測其重金屬元素含量,進而獲得重金屬在整個庫區范圍內或某一位置不同深度處的空間分布特征[2-3],基于相關性分析、主成分分析或聚類分析等統計分析方法獲得各項重金屬指標間的內在聯系[4-5],應用地積累指數法、潛在生態風險指數法等進行污染評價[6-7]。

        宿鴨湖位于河南省駐馬店市汝南縣境內汝河干流,是一座以防洪為主,兼具灌溉、發電、養殖、旅游等功能的大(1)型平原水庫。由于水庫水面面積大、庫床比降小等,因此水庫庫底泥沙淤積較為嚴重[8-9]。為充分發揮水庫效益,改善水體環境,宿鴨湖水庫清淤擴容工程已逐步展開,并作為河南省“四水同治”的十大水利工程之一。目前對宿鴨湖水庫淤積方面的研究主要集中在淤積量估算以及淤積影響等方面,而對庫底沉積物中重金屬的研究相對較少。因此筆者以宿鴨湖水庫庫底沉積物中重金屬為研究對象,對As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg等重金屬含量進行分析,并采用地積累指數法、污染負荷指數法、沉積物質量基準法及潛在生態風險指數法等對其污染程度和潛在生態風險進行綜合評價,以期為清淤過程中重金屬的環境監測以及清出沉積物的合理利用提供指導。

        1 樣品采集與分析

        宿鴨湖采樣自北向南共選取5個斷面,在每個斷面上選取4個采樣點,共計20個采樣點,采樣點位置見圖1。根據前期勘察,宿鴨湖水庫庫底沉積物由淺至深包括3層:上層主要為淤泥,多含腐殖質和貝殼碎片等;中層主要為淤泥質粉質黏土,多呈軟可塑狀;下層主要為粉質黏土,多為灰黃色可塑狀。因此,每個采樣點分上、中、下3層分別進行取樣。采用柱狀采樣器對沉積物進行采樣,樣品密封于聚乙烯袋中,低溫保存運回實驗室待測。As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等7種重金屬含量采用ICP-MS(安捷倫,7700X型)測定,Hg含量采用全自動測汞儀(利曼,Hydra-c型)測定。

        2 評價方法

        2.1 地積累指數法

        地積累指數法是德國學者Müller提出的一種定量評價沉積物中重金屬污染程度的方法,該方法將實測重金屬濃度與該重金屬的區域土壤地球化學背景值進行對比,不僅考慮了重金屬元素外界輸入的影響,還考慮了其最初的背景值含量。地積累指數法計算公式[10]:

        Igeo=lbCm1.5Bm(1)

        式中:Igeo為地積累指數;Cm為淤積物中重金屬m(m為重金屬編號)的測定值;Bm為重金屬m在該區域的土壤地球化學背景值。

        2.2 污染負荷指數法

        污染負荷指數(PLI)法是由Tomlinson提出的一種綜合分析沉積物中重金屬污染程度的計算方法,其計算公式為[11]

        PLI=nCF1CF2…CFn(2)

        式中:CFm(m=1,2,…,n;n為測定重金屬的種類數量)為重金屬m的污染指數,CFm=Cm/Bm。

        污染負荷指數法污染分級標準:PLI<1屬于無污染,13屬于極強污染。

        2.3 沉積物質量基準法

        沉積物質量基準(簡稱SQG)用以評估重金屬對水生生物的潛在生物毒性,常用指標包括效應低值(ERL)和效應中值(ERM)。沉積物質量基準法可以用來衡量多種重金屬元素的混合生物毒性,計算公式[12]:

        m-ERM-Q=∑Cm/ERMmn(3)

        式中:m-ERM-Q為平均沉積物質量基準商;ERMm為重金屬m的影響范圍中值。

        2.4 潛在生態風險指數法

        潛在生態風險指數法于1980年由瑞典學者Hakanson提出,可以定量評估沉積物中重金屬的潛在生態風險。潛在生態風險指數由實測重金屬含量、重金屬在研究區的土壤地球化學背景值以及毒理指數求得,該指標不僅可以反映單項重金屬指標的毒理性質,還可以綜合反映多種重金屬指標的協同效應,其計算公式[13]:

        RI=∑Erm=∑CFmTm=∑CmBmTm(4)

        式中:RI為多種重金屬綜合潛在生態風險指數;Erm為單項重金屬m的潛在生態風險指數;Tm為重金屬m的生態毒性,根據已有研究,Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni所對應的生態毒性分別為5、2、1、5、30、10、40、5。

        對于單項重金屬m,Erm的潛在生態風險程度分級標準:Erm≤40屬于輕微風險,40320屬于極強風險。對于多種重金屬的綜合潛在生態風險指數RI,其分級標準:RI≤150屬于輕微風險,1501 200屬于極強風險。

        3 結果與討論

        3.1 統計分析結果

        為總體了解各重金屬元素在庫底不同深度的含量,計算其均值與變異系數,見表1,其中:均值是反映樣本集中趨勢的一項指標,而變異系數則可以反映其離散程度。

        從上、中、下各部位重金屬含量的平均值來看,除下部Pb、As含量略大于其中部含量外,其余各重金屬含量皆為上部>中部>下部,因此主要對上部沉積物中的重金屬指標進行分析。

        變異系數可以反映數據的離散程度,當變異系數小于15%時為弱變異,當變異系數介于15%與35%之間時為中度變異,變異系數大于35%時為高度變異[14]。對比上、中、下各部位重金屬的變異系數可知,中部Pb的變異系數小于15%,為弱變異;上部、下部Pb,以及上、中、下部Zn、Cu、Cr、Ni、As的變異系數均大于15%,為中度變異;Cd、Hg的變異系數均大于35%,為高度變異,說明Cd、Hg在庫區范圍內分布不均衡,不同部位含量差異相對較大。

        由表1可知,上部沉積物中各重金屬元素含量相對較高,同時在清淤擴容過程中,對該部位擾動也相對較大,為監測清淤擴容過程中沉積物中重金屬向水體的擴散遷移情況,需對該層重金屬指標進行重點監測并進行污染風險評價。重金屬指標包括Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni,為研究各重金屬指標之間的聯系并選擇代表性的重金屬元素進行評價,對其進行相關性分析,若重金屬含量間相關性顯著,則說明可能存在相同的來源。沉積物上部重金屬元素間相關關系見表2,由表2可以看出,8種重金屬指標可以分為3類:Ni、Cr、As、Pb和Zn這5項指標相關關系極為密切,其相關系數皆達到了0.9,其中Ni、Cr、As之間以及Zn、Pb之間更是達到了0.97,因此清淤擴容過程中,可選取其中的Ni或Cr等作為該類的代表性元素進行重點監測;Cd、Hg之間的相關關系也較為密切,其相關系數為0.804,因此污染風險評價中可二者擇其一作為代表性指標重點關注;Cu與其他元素間相關關系皆較弱,相關系數均在0.65以下,因此該項指標需單獨作為一類進行監測。

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