湖南三十六湾甘溪河重金属污染特征及环境风险评估

郭婧琳，邱 波，刘耀驰，杨兆光

(中南大学化学化工学院环境与水资源研究中心，湖南长沙 410083)



湖南三十六湾甘溪河重金属污染特征及环境风险评估

郭婧琳，邱 波，刘耀驰*，杨兆光*

(中南大学化学化工学院环境与水资源研究中心，湖南长沙 410083)

摘要[目的]调查分析湖南三十六湾地区主要河流甘溪河水体及沉积物中重金属污染情况，旨在为治理矿区河流重金属污染提供依据。[方法]以湖南典型有色金属采选工业区三十六湾为研究对象，选取了甘溪河流域的8个典型断面收集水样及底泥沉积物样品，采用ICP-OES测定甘溪河水体及周围沉积物中重金属含量，并采用潜在生态危害指数法对重金属污染进行环境风险评估。[结果]三十六湾地区甘溪河重金属污染程度由强至弱依次为Zn、As、Pb、Cu、Cr(Cd)；底泥沉积物中重金属生态风险由强到弱依次为Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr；各采样点断面重金属污染程度从大到小依次为甘溪村、三合乡、杨家田、芹菜村、沙子岭、新桥头、两江口、李家坪。[结论]三十六湾甘溪河重金属污染严重，急需采取综合措施进行治理。

关键词重金属污染；甘溪河；潜在生态危害指数法；风险评估

近年来，有色金属采选工业的发展为我国国民经济做出了巨大贡献。同时，大量技术起点低、设备落后的小型采选企业的发展对有色金属采选区的环境造成了极大影响，其中重金属污染对环境及人体健康的危害最为深远[1-4]。

湖南素有“有色金属王国”之称，采选矿及冶炼带来的环境污染特别是湘江流域重金属污染问题不容忽视，因此重金属污染与防治刻不容缓[5-7]。目前，关于湘江流域重金属污染的研究较多[8-10]，大部分集中在长株潭区域，对湘江源头的重金属污染鲜见报道。甘溪河是湘江水系源头之一，位于郴州三十六湾地区。三十六湾是湖南有色金属企业最密集、秩序最混乱、污染最严重、治理难度最大的“重灾区”。目前，甘溪河流域堆积了上百万吨的尾矿尾砂，选矿废水直排入河水，导致河道堵塞，流域内重金属污染严重，对当地及下游区域带来了极大的污染风险[11-12]。笔者通过收集和分析甘溪河各断面水体及沉积物中重金属含量，进行了环境风险评估，以期为了解和掌握甘溪河污染状况及防控重金属污染提供科学依据与参考。

1材料与方法

1.1样品采集采样点分布于甘溪河上游沙子岭至下游新桥头，全长约30 km，共设置8个断面，并对采样点进行标记，分别为沙子岭(S1)、甘溪村(S2)、三合乡(S3)、李家坪(S4)、芹菜村(S5)、两江口(S6)、杨家田(S7)及新桥头(S8)，同时收集测定了两江口附近另一支流水样，标记为S9。采样点位置均通过便携式GPS导航仪记录(图1)。加HNO3将水样酸化至pH小于2，保存于聚乙烯塑料瓶中，于4 ℃保存，存放时间不超过7 d。对于每个断面底泥沉积物的采集量需大于500 g，存放于密封袋中。

图1　采样点位置Fig.1　Location of sampling sites

1.2样品分析及测定样品的分析测定参照以下标准：USEPA-Method 3005a“Acid Digestion of Waters for Total Recoverable or Dissolved Metals for Analysis by FLAA or ICP Spectroscopy”、 中国环境保护标准征求意见稿“水质金属总量消解方法硝酸消解”(中国环境保护标准征求意见稿)。采用浓HNO3-HCl酸化消解处理水样，通过电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES(Perkin-Optima 8000，USA)对Pb、Zn、Cu、As、Cd、Cr进行测定。

底泥沉积物重金属的测定：样品于自然条件下风干，通过四分法缩分抽样，再经玛瑙研钵研磨处理，样品过100目筛，采用浓HNO3-H2O2消解法处理，通过ICP-OES对Pb、Zn、Cu、As、Cd、Cr进行测定。

1.3环境风险评估底泥沉积物是水环境中重金属的贮藏库，底泥中重金属浓度可反映水体污染程度，因此常被用作判别水环境质量的重要参考指标[8，13]。国内外用于沉积物重金属环境风险评估的方法主要有潜在生态危害指数法[14]、地累积指数法[15]、回归过量分析法[16]、沉积物富集系数法[17]和沉积物质量基准法[18]等。

潜在生态危害指数(Potential Ecological Risk Index)法[14]由Hakanson提出，该法综合考虑沉积物中重金属浓度、种类、毒性水平影响，能反映多种重金属污染综合影响，定量计算潜在生态风险程度[11]。甘溪河属于多种重金属复合污染，故选择潜在生态危害指数法评价甘溪河沉积物中重金属污染现状。

(1)

(2)

潜在生态风险程度PotentialecologicalriskdegreeRIEir轻度LightRI<150Eir<40中度Moderate150≤RI<30040≤Eir≤80中强度Moderateintensity300≤RI<60080≤Eir≤160强度IntensityRI>600160≤Eir≤320极强度ExtremeintensityEir≥320

2结果与分析

2.1水体中重金属分布特征由表2可知，各采样点重金属Pb、Zn、Cu、As的浓度分别为0.007～0.129、0.096～7.608、0.025～0.045、0.005～0.622 mg/kg。其中，Pb、Zn、As变化范围大，Cu的含量相对稳定。甘溪河水体中重金属含量与地表水环境质量标准(GB 3838—2002)比较，Zn在4个断面超出国家地表水V类标准，其中沙子岭超标3.5倍，Pb在3个断面超出国家地表水V类标准。甘溪河水体中各种重金属的污染程度由强至弱依次为Zn、As、Pb、Cu、Cr(Cd)，水体中Pb、Zn、As污染突出。三十六湾地区主要以铅锌矿采选为主，由于选矿废水未经合适处理，导致水体中Pb、Zn严重超标。从地域分布来看，从甘溪河上游到下游，污染物分布差异较大，且无明显规律。甘溪河源头沙子岭和甘溪村的水质远超V类水标准，属于劣V类；三河乡与李家坪水质为V类水；到中游芹菜村与两江口电站水质明显好转，有II和III类水标准；下游水质又逐渐转恶，均为IV和V类水(表3)。

表2　甘溪河各采样点水体中重金属含量分布

注：ND表示“未检出”，TN表示“重金属总量”。

Note：ND stands for not detected, TN stands for total amount of heavy metals.

表3　地表水环境质量标准

注：ND表示“未检出”，TN表示“重金属总量”，AVG表示平均含量。

Note：ND stands for not detected, TN stands for total amount of heavy metals; AVG stands for average content.

2.2底泥沉积物中重金属分布特征从图2可以看出，Pb、Zn、As、Cu、Cd、Cr的浓度分布范围分别为707.70～1 825.00、1 728.00～4 341.00、2 660.00～7 933.00、123.60～363.10、10.63～30.79、45.93～155.07 mg/kg。对照土壤环境质量标准(GB 15618—1995)，甘溪河各断面底泥沉积物重金属含量均远远超出III级标准，重金属污染极为严重。Pb、Zn、As、Cu、Cd、Cr在甘溪村断面含量达最大值，各重金属平均含量由大到小依次为As、Zn、Pb、Cu、Cr、Cd；各断面重金属总含量由大到小依次为S2、S3、S7、S5、S1、S8、S6、S4。

图2　甘溪河不同采样点表层沉积物中重金属质量分数比较Fig.2　Comparison of heavy metals concentrations in surface sediments of different sampling sites

3结论

(1) 三十六湾地区甘溪河流域水体中重金属污染严重，与地表水环境质量标准比较，上游、中游为劣V及V类水标准，下游为IV类水标准，水体中污染最为严重的是Zn、Pb、As，Cu含量空间差异小，达II类水标准。

(2) 郴州三十六湾甘溪河表层沉积物中Cd、As具有极强生态风险，Pb具有强生态风险，Cu、Zn、Cr具有轻度生态风险，不同重金属污染物生态风险从大到小依次为Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr，其中Cd、As的影响占主导地位；不同采样点沉积物重金属生态风险从大到小为甘溪村、三合乡、新桥头(芹菜村)、两江口、杨家田、沙子岭、李家坪，各采样点RI值均远远超过600.00，研究区域总体生态风险极强，因此区域内的重金属污染及治理应引起高度重视。

表4　甘溪河各断面底泥沉积物重金属潜在生态风险评价结果

(3) 受三十六湾地区长期采选矿的影响，甘溪河重金属污染非常严重，对甘溪河的污染治理应给予高度重视，首先从源头排放加以控制，提高产业技术与清洁生产水平，同时加强实时监测，采取综合手段有效治理。

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The Heavy Metals Pollution Characteristics and Environment Risk Assessment of Ganxi River, Sanshiliuwan, Hunan Province

GUO Jing-lin, QIU Bo, LIU Yao-chi*,YANG Zhao-guang*

(Center for Environment and Water Resources, School of Chemistry & Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410083)

Abstract[Objective] The aim was to investigate heavy metal pollution in water and sediments of Ganxi River in Sanshiliuwan Region in Hunan Province, and provide basic reference for heavy metal pollution control in mining area river. [Method] With Sanshiliuwan in Hunan Province as research object, water and sediment samples were collected from 8 typical sections in Ganxi River basin, ICP-OES was adopted to determine heavy metal content, and potential ecological risk index method was adopted to conduct environment risk assessment. [Result] The order of heavy metal pollution degree in Ganxi River was Zn>As>Pb>Cu>Cr(=Cd); the order of heavy metal ecological risk in sediments was Cd>As>Pb>Cu>Zn>Cr; the order of heavy metal pollution degree in each sampling site section was Ganxi Village>Sange Township>Yangjiatian>Qinjia Village>Shaziling>Xinqiaotou>Liangjiakou>Lijiaping. [Conclusion] Heavy metal pollution in Ganxi River in Sanshiliuwan is serious, comprehensive countermeasures should be adopted.

Key wordsHeavy metals pollution; Ganxi River; Potential ecological risk index; Risk assessment

基金项目环保公益性行业科研专项(201309052)。

作者简介郭婧琳(1991- )，女，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向：环境与水资源评价。*共同通讯作者：刘耀驰，副教授，博士，硕士生导师，从事环境与水资源研究；杨兆光，教授，博士，博士生导师，从事环境与水资源研究。

收稿日期2016-02-25

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)10-085-04