太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属含量及生态风险评估

王 俭,刘英华,于英潭,马博健,张 雪,陆 冰,张朝星

(辽宁大学 环境学院,辽宁 沈阳 110036)

太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属含量及生态风险评估

王 俭,刘英华,于英潭,马博健,张 雪,陆 冰,张朝星

(辽宁大学 环境学院,辽宁 沈阳 110036)

河道表层沉积物重金属具有毒性、持久性、不可逆性等危害特征,并且随着生物链的伸展,危害水生生物以及人体健康.为了解辽宁太子河本溪城区段河道表层沉积物中重金属的污染特征,通过实地调查采样,以太子河本溪城区段10个采样断面的河道表层沉积物作为研究对象,运用原子吸收分光光度法测定了太子河本溪城区段河道底泥重金属(Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni)的含量,并采用地积累指数法评价了太子河本溪城区段河道表层沉积物的重金属污染程度.结果表明,太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属含量高于辽宁省土壤背景值,存在一定的生态风险.

河道表层沉积物;重金属污染;地积累指数法;太子河

0 引言

河流污染主要分为内源污染和外源污染.河道沉积物污染是内源污染的主要代表,沉积物不仅是重金属等污染物的源头,而且会对河流造成二次污染[1-3].同时,重金属又会对人体健康产生很大影响[4-5].研究表明,受重金属污染的水体环境中,沉积物中的重金属含量是相应水相中重金属含量的许多倍[6].而沉积物中的重金属有水体污染的敏感指示剂之称,能有效反映出水生生态系统的状况以及水体受重金属污染的状况[7-9].因此,研究及评价沉积物中重金属的污染程度具有十分重要的意义[10-13].

目前,国内外学者在对河道表层沉积物重金属含量的研究中取得了很大的进展.例如,外国学者沃特克等对多瑙河水体中的悬浮物和沉积物中重金属含量进行了测量,并利用了富集因子评价了各河段的重金属污染状况[14];弗拉基米尔等科学家对Pasvik River沉积物做出生态风险评价,评价的主要依据为河流排水渠中重金属的背景浓度并对沉积物中重金属的空间分布进行了研究.国内学者黄宏、王连生测定了淮河河道沉积物中的重金属含量并对污染程度进行了评价,研究结果表明:淮河河道沉积物中重金属元素含量有不同程度的超标,铜、铅、铬、镍的含量严重超出环境背景值[15];王海等人选定了太湖沉积物中的八种重金属,并通过BCR三步分级法对八种元素进行形态分析,对八种元素的不同形态含量进行了测量,最终对太湖沉积物中重金属对生物的影响进行了评估.

关于河道表层沉积物污染的评价方法研究,国内发展成熟的理论相对较少,目前主要应用的是国外一些学者做出的一些突破性成果.德国 、英国、美国 、瑞典等一些国家的科研学者从沉积学的角度提出关于重金属的污染评价方法,这其中包括:德国著名学者Muller提出的地积累指数法、Hankinson提出的并已广泛应用的潜在生态危害指数法(RI)[16]、Kemp提出的沉积物富集系数法(SEF)[17]、科学家USEPA提出的平衡分的配法[18]、Hilton回归过量分析法[19].还有一些评价沉积物中重金属污染的方法,包括内梅罗综合指数法[20]、污染负荷指数法[21]、脸谱图法[22]等也被广泛应用.

目前,国内对河道表层沉积物作为研究对象的水体沉积物中重金属的污染做了大量的调查研究,主要集中在大江大河、水库、河口、湖泊及海湾[24],而相对封闭、自净能力及水体更新速度不及大江大河的城市河流更易受沿岸排放的污染物影响,通过各种途径进入河流水体的重金属绝大部分迅速由水相转入固相,结合到悬浮物和底泥中,最终富集于底泥中.因此,进行城市河流表层沉积物中重金属含量及风险研究可提供自然环境中重金属转移的信息,对城市河流水环境保护有着重要的现实意义.为此,本文以太子 河本溪城区段河道表层沉积物为研究对象,分别测量10个采样断面河流表层沉积物中重金属:Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni的含量,应用地累积指数(Geoaccumulation Index)Igeo[25],对太子河本溪城区段重金属污染程度进行评估,从而为太子河城区段河道重 金属污染防治提供技术支持.

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

太子河流域位于我国辽宁省,是辽宁省较大河流之一,流经辽阳、本溪、鞍山三座城市.东经122°26′～124°53′,北纬40°289′～ 41°39′.太子河总长度为464 km,流域面积13 883 km2,年平均径流量为26.86亿m3,有九条支流流域面积大于100 km2.本溪境内河长168 km,流域面积4 428 km2.由于本溪为重工业城市,加上其毗邻商业区、生活区,最终导致太子河水质恶化严重.因此,开展了太子河的污染治理工程,并配合大规模的底泥疏浚工程,期望通过工程实施,增强水体流动,提高河道释污、调蓄能力.然而水体流动会导致底泥扰动,从而使底泥中的金属进入水体,最终引起的生态风险不容忽视.

1.2 研究方法

1.2.1样品采集

沿太子河本溪城区段从上游到下游共设置10个采样断面,由北至南分别为:老官砬子、卧龙河、威宁桥上游、威宁桥、峪溪桥、孤山大桥、啤酒厂南岸、彩屯桥、拦河坝、兴安断面,采样断面一般位于流速缓慢和有较多细颗粒的区域,采样点详细信息见图1.

在预定的采样点位,采集底泥样品,取样时尽量采集表层沉积物,每个采样断面分别采集三份样品,样品采集后迅速装入聚乙烯塑料袋中,带回实验室保存.

图1 太子河本溪城区段采样点分布示意图

1.2.2 样品预处理

将带回实验室的沉积物样品在阴凉处自然风干,除去杂草、水生生物等杂物,研磨后过100目土壤筛,每个采样断面的三份样品各称取1g,混合均匀后装入自封袋中,用于测定沉积物中Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni的含量.

1.2.3 实验方法

1.2.3.1 微波消解

准确称取1.000 0 g(精确到0.000 1 g)已经处理过的沉积物样品放入消解罐中,依次向消解罐中加入6 mL分析纯HNO3,2 mL分析纯HCl.将加入酸的消解罐放置过夜,使样品中有机物反应完全,将消解罐放入MD6C—4H微波消解仪中,5 min内升温至130 ℃,恒温加热5 min后,20 min内升温至200 ℃,恒温加热40 min,停止加热,自然冷却至45 ℃.开盖检查,消解罐中无沉积样品即为消解完全.样品消解完全后,将内罐置于电热板上赶酸.当样品蒸至近干,消解液呈粘稠状,残渣为灰白色,转移至小烧杯中,加少量水混合后过滤出残渣后转移至10 mL容量瓶中定容,摇匀,静置.

1.2.3.2 原子吸收法测重金属含量

经过微波消解[26]后,待溶液澄清后用AAS—5000原子吸收分光光度计分别测定样品中Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni的含量.

1.2.3.3 地积累指数法

地积累指数法(Geoaccumulation Index)[27-31]是一种比较常用的评价沉积物中重金属污染状况的方法,最早是由德国海德堡大Muller(1969)教授提出,用于衡量水体沉积物中重金属污染的定量指标.其计算公式为:

Igeo=log2(Cn/KBn)

表1 地积累指数与底泥污染程度评价

式中:Igeo为地积累指数;Cn为重金属n在沉积物中的实测含量;Bn为沉积岩(即普通页岩)中所测重金属元素的地球化学背景值[23],Cu、Zn、Pb和Fe的土壤元素背景值;K是考虑成岩作用可能会引起的背景值的变动而设定的常数,一般情况下K取值为1.5.根据地积累指数(Igeo)的大小,将沉积物中重金属的污染程度分为7个等级,即0～6级,如表1所示.

2 结果与分析

2.1 太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属含量总体状况描述

太子河本溪城区段河道表层沉积物中重金属元素的平均含量排列顺序为Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>Cd.太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属含量与背景值比较见表2.

表2 太子河本溪城区段河道表层沉积物各重金属含量与背景值比较

从整个研究区域来看,沉积物中铜、锌、铁、镉四种重金属元素含量的平均值超过了元素的背景值,其中铁超出了背景值的15.3倍,锌超出了3.19倍,铜超出了1.39倍,镉超出了20.11倍.这表明研究区内沉积物中铁、铜、锌、镉的富集程度较高,人为累积量大,易造成部分区域的污染,特别是铁、锌和镉元素更应该引起重视,每个断面的铁、锌和镉元素含量均超过了元素背景值.

太子河本溪城区段从上游到下游河道表层沉积物重金属含量空间差异情况见图2,由太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属含量空间差异图可以看出,太子河威宁桥段和峪溪桥段重金属含量较高,威宁桥上游段和孤山大桥段沉积物重金属含量相对较低.同时可以看出,太子河本溪城区段表层沉积物重金属的含量受周围环境影响较大.

2.2 太子河本溪城区段污染程度评价

应用地积累指数法对水体沉积物重金属的污染程度进行了评价,分析了太子河本溪城区段8种主要重金属元素地积累指数,结果见表3,太子河本溪城区段底泥重金属的污染程度由强至弱依次为Cd>Fe>Zn>Cr≈Mn≈Ni>Cu≈Pb.

图2 太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属含量空间差异图

Cd是太子河本溪城区段污染最主要的元素.Cd的Igeo变化范围为2.68～5.33,所有断面都处于污染状态,其中2个断面(老官砬子、威宁桥上游)为中度污染,2个断面(孤山大桥、啤酒厂南岸)处于偏重污染,4个断面(支流4、威宁桥、峪溪桥、拦河坝)处于重度污染,2个断面(彩屯桥、兴安断面)处于严重污染;

Fe的Igeo变化范围为2.84～3.54,所有断面的Fe都处于污染状态,其中9个断面处于偏重污染状态,1个断面(威宁桥上游)处于中度污染;

Zn的Igeo变化范围为0.79～1.55,其中7个断面(老官砬子、支流4、威宁桥上游、峪溪桥、啤酒厂南岸、拦河坝和兴安断面)属于偏中度污染,3个断面(威宁桥、孤山大桥、彩屯桥)属于轻度污染.

Cr、Mn、Ni的Igeo值均为1,这表明Cr、Mn、Ni为轻度污染;

Cu的Igeo变化范围为-0.95～0.39,有4个断面(支流4、峪溪桥、彩屯桥和拦河坝)的Cu处于轻度污染状态;

所有断面的Pb的Igeo均小于0,这表明Pb无污染.

表3 太子河本溪城区段表层沉积物地积累指数及重金属污染程度评价

3 结论

1)辽宁省太子河本溪城区段河道表层沉积物明显受到了重金属元素的污染,分析的8种重金属元素的污染程度由强至弱顺序为:Cd>Fe>Zn>Cr≈Mn≈Ni>Cu≈Pb.

2)通过对辽宁省太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属的测量,得出兴安断面的Cd元素、拦河坝的Cu元素、兴安断面的Fe元素、啤酒厂南的Zn元素污染最为严重,这与河岸曾经设有较多的排污口(现已大部分截留)有关.同时,辽宁省太子河本溪城区段河道表层沉积物重金属的含量不受河流的影响,受周围环境影响较大.

3)根据地积累指数评价法分析可知,辽宁省太子河本溪城区段河道表层沉积物Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni均有不同程度污染,其中Cd的污染最为严重,2个断面为中度污染,2个断面处于偏重污染,4个断面处于重度污染,2个断面处于严重污染;其次为Fe,为偏重污染和中度污染;Zn大部分断面为偏中度污染,其余为轻度污染;Cu有四个断面为轻度污染;Cr、Mn、Ni为轻度污染;Pb无污染.

4)对太子河本溪城区段河道表层沉积物中重金属的污染,相关部门应引起重视.一方面要加强中上游工业废水和生活污水的排放管理工作,另一方面要及时清理水体中污染的沉积物,以避免底泥沉积物中的重金属元素再次向水体释放,从而造成二次污染.

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(责任编辑李超)

ResearchonHeavyMetalContentofSurfaceSedimentandEcologicalRiskAssessmentforTaiziRiverinBenxiCitySection

WANG Jian,LIU Ying-hua,YU Ying-tan,MA Bo-jian,ZHANG Xue,LU Bing,ZHANG Chao-xing

(SchoolofEnvironment,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

Heavy metals of river surface sediment have the unique hazard characteristics of toxicity,persistence and irreversibility etc.,which are harmful to aquatic organisms and human health with extension of the food chain.In order to acquire the pollution characteristics of heavy metals in river surface sediment,as the sampled objects,ten sections of river surface sediment for Taizi River in Benxi City had been studied.The microwave digestion and atomic absorption spectrophotometry was adopted to determine the heavy metal contents (Cu、Fe、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn、Ni) of Taizi River in Benxi City section.Moreover,as the river sediment pollution degree of heavy metals was evaluated with the index of geoaccumulation evaluation method.Results showed that the certain ecological risk of Taizi River in Benxi City section existed,owning to the heavy metal contents of river surface sediment exceeding the background value of soil in Liaoning Province.

river surface sediment;heavy metal pollution;accumulation index method;taizi river

2016-12-23

王俭(1974-),男，辽宁锦州人，博士，教授，从事环境信息系统、水环境规划与管理研究.

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1000-5846(2017)03-0262-07