巢湖表层沉积物重金属污染特征研究

2020-02-07杨阳李小龙杨碧莹杨金香胡友彪刘翔

安徽理工大学学报·自然科学版 2020年4期

杨阳李小龙杨碧莹杨金香胡友彪刘翔

摘要：研究湖泊沉积物中重金属的含量及其潜在生态风险对评估湖泊生态环境质量有着重大意义。通过文献收集2002 - 2016年巢湖湖区表层沉积物重金属浓度数据，全面分析近15年内10种重金属的污染特征、生态风险和主要来源。结果显示，As、Cd、Cu、Cr、Fe、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn元素近15年已有数据年份的平均含量分别为12. 33、0.398、41. 75、67. 59、31 506、0. 120、722.5、31. 12、37. 30和108. 7mg/kg，除Cr外，其余元素皆高于安徽省土壤背景值;从时间浓度变化特征来看，元素Cd、Fe、Hg、Mn、Ni和Pb浓度变化较大，As、Cr、Cu和Zn元素浓度变化较为稳定;空间污染分布为西湖区>全湖>东湖区。地累积指数评价结果表明，元素在西湖区的污染程度为Cd>Hg>Zn>Pb>Mn>Fe>As> Ni>Cu>Cr，Cd、Hg和Zn属“中度”污染。潜在生态风险指数评价结果表明，西湖区多处于中等生态危害，全湖与东湖区多属于轻微生态危害，Cd贡献最多，多为强生态危害。污染来源分析表明.As、Cu、Cr和Cd主要来源于工农业复合污染，Pb主要来源于交通污染，Zn主要来源于煤炭燃烧、垃圾焚烧等。

关键词：沉积物;重金属污染;生态风险评价;源分析

中图分类号：X524 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（ 2020）04-0046-09

作者简介：杨阳（1995-），女，安徽青阳人，在读硕士，研究方向：水环境重金属污染评价。

湖泊沉积物为湖泊中各物质迁移的最终载体，可体现湖泊生态环境的大量信息[1]，因此研究湖泊沉积物中重金属的含量及其潜在生态风险对评估湖泊生態环境质量有着重大意义[2-3]。近年，关于巢湖表层沉积物重金属污染的研究已大量开展，表明巢湖表层沉积物重金属历年来皆有不同程度污染[4-7]，但对巢湖表层沉积物中重金属的研究多以单次采样和一年内的采样时间为研究周期。目前，还少有对巢湖表层沉积物重金属进行连续多年采样、分析评价的系统研究。本次通过文献收集2002 - 2016年巢湖湖区表层沉积物重金属浓度数据，结合巢湖流域人口经济增长及产业结构的变迁，对巢湖表层沉积物重金属的多年污染变化特征进行比较分析，采用地累积指数法和Hakanson潜在生态指数法对历年重金属污染程度进行评价，并分析重金属的主要来源，为巢湖沉积物重金属污染治理和生态环境保护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象及数据来源

巢湖（31°42'40. 87”～31°25 '11. 45”N，117 °17'27. 90”- 117°50'35. 78”E）位于安徽省中部，现有湖区面积约789km2[8]。巢湖主要的人湖河流有8条，1条出湖河流，其中杭埠河，南淝河与白石天河人湖径流量占75%以上，出湖河流为东部的裕溪河。湖水主要靠地面径流补给，集水范围包括合肥、巢湖、肥东、肥西、庐江、舒城、无为等两市五县。

以“巢湖”、“重金属”、“沉积物”等关键词在“CNKI”、Web of Science等数据库检索历年以来关于巢湖湖区表层沉积物重金属文献，并将所收集信息分析整理。本次收集到了2002 - 2016年15年间的巢湖湖区表层沉积物重金属数据。

1.2 数据处理

由于数据收集于不同的文献，已有年份沉积物中重金属浓度变化的因素可能与周边地区重金属排放量情况、不同文献中采样点位置、季节[9-10]、分析仪器及精度不同、水中浮游生物的作用[11]及沉积物再悬浮释放等因素有关。由于本文研究目的是为了从宏观上探讨分析巢湖沉积物近15年的变化特征，参考相关文献数据分析方法，所以在时间和空间上对数据进行了概化。根据文献给出的采样时间和采样点位，将数据进行记录整合，且以姥山岛为界，进一步将其划分为东西半湖进行数据收集，同年数据采用平均值算法，并记录浓度范围，以便对巢湖表层沉积物重金属污染进行分区域研究。

2 结果与讨论

2.1 重金属浓度历年变化特征

本次研究选择历年研究次数较多的10种重金属元素（Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Fe和Mn）进行深入分析[12-34]，其历年浓度变化特征如图1所示。从时间浓度变化特征来看，元素Fe、Mn、Pb、Hg、Cd和Ni浓度变化较大，Cr、As、Cu和Zn元素浓度变化较稳定。大部分元素如Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn和Pb的浓度在2006 - 2010年之间，整体呈现出上升趋势;在2010 - 2016年间，元素Fe、Ni、Hg、Cd、Pb和Zn的浓度出现不同程度的下降。Cd、Hg、Ni、Pb和Cr浓度在2010年最高，分别为0. 920、0.179、44. 70、94. 90和80. 10mg/kg; Cd、Cr、Cu、Mn和Zn浓度在2006年最低，分别为0.003、56. 82、22. 19、259.3和64. 68mg/kg。

As、Cd、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn元素最大浓度分别高达安徽省土壤背景值的2. 41、8.85、1. 15、5.80、1.83、4.36、2.44、1.79、3.66和4.59倍[35]，其中元素Hg、Pb和Zn历年浓度皆超过安徽省土壤背景值，其余元素均有不同程度的富集，仅Cd浓度在部分年份超过了土壤环境质量标准，具有污染风险，其余元素历年均未超过。Cr、Ni和As历年浓度均，超过了加拿大沉积物质量准则，说明在该阈值水平以上，Cr、Ni和As有可能会对生物产生负面效应，具有一定的生态风险，其余元素均有部分年份的浓度超过。以上结果表明，Cd、Cr、Ni、As、Hg、Zn、Cu存在一定的生态和人类健康风险，需加强监控管理。整体上看，与我国其他湖泊如太湖[36]及鄱阳湖[37]相比，巢湖的污染程度远远小于太湖，而与鄱阳湖差别不大。

由图4可看出，元素Cu、Cr、Ni、Pb和Zn在2006 - 2010年的变化趋势与合肥市企业数、化肥施用量、城镇生活污水排放量各指标的变化趋势较为契合，皆呈现不同程度的上升趋势;2011～2016年间，化肥施用量、工业废水排放量、城镇生活污水排放量及人口数各指标呈现偶有波动但整体维持下降或平稳的变化，同期各元素浓度也呈现一定的变化。由聚类分析结果可知，重金属来源被分为三大类，第一类包括重金属As、Cu、Cr、Cd，来源于工农业的复合污染。As通常来源于人类活动，如农业用药及化肥[43]，Cu、Cr和Cd主要来源于金属冶炼、电镀、机械制造等工业[44]。巢湖流域内合肥市有冶金、机械、化工、轻纺等34个工业行业，巢湖流域农业发达，在国民经济中占有重要地位，但农药化肥利用率低，污染严重，2015年合肥市巢湖流域化肥及农药施用量高达22.4万t和5 098t，但利用率仅达30% -40%，从而对环境造成污染[45]。第二类为Pb，主要来源于交通污染，是机动车污染源的标识元素，随着人口的增加，经济不断发展，企业数与生活需求相应加大，据安徽省统计年鉴，2015年民用车辆拥有量为1045. 85万辆，相比2005年增长了81.7%，私人车辆拥有量为708. 658万辆，是2005年的12倍，交通运输业迅猛发展。第三类为Zn，主要来源于煤炭燃烧、垃圾焚烧[46]等，据安徽省统计年鉴，全省2013年电力、热力生产和供应业及燃气生产和供应业的企业数分别达到166和47家，相比2002年增长了55%和213%，相关工业的快速增长，加剧了Zn对环境的污染。这与重金属与经济发展指标相关性的分析结果保持一致，揭示了巢湖周边地区近年来的人口变化，经济技术发展和产业结构变化，以及巢湖周边向巢湖进行重金属污染物排放量变化的特征，从宏观角度解释了重金属浓度变化的因素。

3 结论

（l）近15年已有数据表明，Fe、Mn、Pb、Cr、Hg、Ni浓度变化较大，Cd、As、Cu、Zn元素浓度变化较稳定。巢湖表层沉积物受到各重金属不同程度的污染，贡献最多的属Cd、Hg、Zn、Pb，其中Cd污染最为严重，多为强生态危害。

（2）重金属污染空间分布特征为西湖区>全湖>东湖区，受到合肥市多电力、热力的生产和供应业、金属冶炼工业及制造业等，工业废水及周边地区排放的生活污水通过各人湖河流长期汇人西湖区的影响，导致西湖区重金属浓度较高。

（3）聚类分析结果表明As、Cu、Cr、Cd来源相似，主要来源于工农业复合污染;Pb主要来自于交通污染;Zn主要来源于煤炭燃烧和垃圾焚烧等。结合相关性分析及聚类分析结果，表层沉积物重金属浓度变化特征受巢湖流域的人口、企业、工业废水排放量、生活污水排放量及化肥施用量等因素的影响。

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