咸阳湖底泥重金属污染特征及污染评价

赵明芳 薛东剑 黄美华

摘要：为研究分析咸阳湖底泥重金属的污染状况，采集其底泥沉积物样品100个，对其中9种重金属元素的含量特征统计分析，包括铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铬（Cr）、镉（Cd）、钒（V），并利用地积累指数法、潜在生态风险指数法对咸阳湖底泥的重金属污染进行评价，最后再应用相关性分析法和主成分分析法推测判断其污染来源。得出咸阳湖底淤泥沉积物中重金属的地积累污染指数的大小顺序为：Cd>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni>Cu，潜在生态风险大小顺序为Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，其中Cd、Co、Pb的污染程度相对较高，均值轻度及以上，其他元素污染程度都很轻微。尤其Cd，污染程度极严重，是风险指数偏大的主要贡献者。

关键词：重金属;咸阳湖底泥;地积累指数;生态风险;来源分析

1 引言

重金属的危害是持久的、易富集且生物毒性强，这些使其成为自然界中危害较重的一类污染物。河流、湖泊底沉积物是水环境的重要组成部分，不但能够为水中各种生物提供生活场所基本营养物质，而且能够为各种环境污染物提供稳定的接收存储地。这些吸附于河流和湖泊底泥中的重金属在经过复杂的生物化学作用后会再一次释放在水中，从而会间接或直接对水生生物生存甚至人类健康产生潜在威胁，底泥污染物的浓度是可以间接反映水环境污染程度。随着工业化快速发展，一些持久性污染物入湖，湖泊污染趋向于复合污染。胡必彬研究表明重金属污染在我国大部分流域内已经存在，局部水域污染严重;周楠楠等人分析了东平湖底泥重金属质量比及形态分布，来探究青藏高原湖泊沉积物中重金属的来源以及对生态环境的危害，郭泌汐等人研究分析了青藏高原18个湖泊的沉积物样品，发现西藏的大部分湖泊生态风险处于中等以上。

咸阳湖这一人工湖泊自立坝蓄水以来较少进行大的设施维护和改造，湖底淤泥经常裸漏，橡胶坝的坝袋破损严重。近年咸阳湖开展了十年来首次壩带更换和清淤工程。前几年，咸阳湖景区中的青年湖湖水异常，湖水的颜色表成红褐色，并且有许多死鱼漂与其上;咸阳暴雨天，生活污水和雨水曾多次混合直排进咸阳湖使得大片湖水受污等类似报道。可见十年来咸阳湖污染物在不断积累，水体生态环境在不断恶化。因此，本文对咸阳湖的底泥重金属元素进行污染评价，从而掌握水体污染特征并做出相关的风险评价，希望能够为当地人工湖泊污染综合治理和风险管理提供科学依据。

2 实验样品的采集与分析

2.1 咸阳湖概况

咸阳湖是渭河流经咸阳市截留而形成的人工湖泊，渭河是咸阳地区重要的农业灌溉水源。咸阳地处暖温带半干旱半湿润性气候区，四季冷热干湿分明，年平均降水量537-650mm。咸阳湖是渭河咸阳城区段在渭河谷地500米宽的范围中部修筑一条中隔墙，形成北侧宽270米的泄洪蓄水渠，南侧宽230米泄洪浑水渠，在中隔墙以北泄洪渠内修建两道橡胶坝拦水，形成水面1.24×106m2的咸阳湖，同时在本段渭河两岸建设护坡防洪工程和一系列绿化、人文景观工程，它的修建极大地改善了咸阳城市面貌，产生了巨大的生态、经济社会效益。

2.2 底泥样品的采集与方法介绍

2.2.1 样品的采集

样品采集选择天气晴朗且清淤期间，采样工具有聚乙烯塑料袋、标签、塑料小铲子、笔、手机GPS定位软件等。采样地点以咸阳湖西侧咸通路为起点向东至渭河陇海铁架桥附近，全长4.7公里，采集样品总数100袋，采集间隔均匀分布。

2.2.2 样品预处理

对样品先在室内20℃室温下自然风干，再用烘干箱在55℃下继续烘干一天直至完全干燥。对样品进行去杂质处理，并通过1mm尼龙筛，再用玛瑙研钵进行研磨，用20目筛滤。为保证测量的精度，每个样品测量三次，最终取三次测量的平均值，录入数据。

2.3 重金属污染风险评价方法

2.3.1 地积累指数法

德国科学家Muller于1969年提出的地积累指数是利用一种重金属的总含量与其地球化学背景值的关系，来定量评价水环境沉积物中重金属污染程度的指标。相比较于其他评价方法，地累积指数法除考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外，还考虑到可能会引起背景值变动的自身因素，弥补了其他方法不足，因此更能确切地反映出目前当地土壤中重金属实际污染程度，其评价结果更具有可比性，已有很多研究者使用此方法进行了相关研究。地积累指数计算方法如下：

（1）

式（1）中，Cn为沉积物中重金属n的实测含量;1.5为参考地区岩石差异可能起背景值变动而取得系数，Bn为该底泥重金属元素n的地球化学参比值，研究中选取陕西省地区土壤的背景值作为评估参比值，地积累指数的评价标准从0～5共分成了7个等级，污染程度也从小于0，到大于5，依次污染加重。

2.3.2 潜在生态风险指数法

由瑞典科学家 Hakanson于1980年提出，该方法可综合反映了沉积物中重金属对生态环境的影响潜力，是一种评价沉积物潜在生态危害的方法，是评价沉积物重金属潜在生态风险时应用最广泛的方法。

潜在生态风险指数 RI 的计算方法如下：

（2）

式中，C if为污染因子;C is为沉积物中重金属i的实测含量;C in为重金属i的参比值;T ir为重金属i的毒性响应系数，反映重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度;E ir为重金属i的潜在生态风险系数;RI为潜在生态风险指数。Hakanson潜在生态风险指数及分级的分类也是小于40、40～80、80～160、160～320和大于320，依次生态风险增高。

3 咸阳湖底泥重金属污染特征及风险评价

3.1 底泥重金属的含量特征

咸阳湖底泥样品中重金属含量测定结果见表1。依据陕西省土壤及中国水系沉积物背景值，可发现显示研究区底泥样品中重金属Cu、Zn、Co、Ni的平均含量均大于陕西省土壤和中国水系沉积物背景值。Cd、Co、Ni、Zn的平均含量分别是当地土壤背景值的164.3倍、2.1倍、1.5倍、1.6倍，分别为中国水系沉积物背景值的129.1倍、1.8倍、1.5倍、1.6倍。而Cd、Co、Ni、Zn、Cu这5种重金属含量均比陕西省土壤背景值高，Pb、Mn、Cr和V的平均含量均明显低于陕西省土壤和中国水系沉积物背景值。从变异系数上来看，除Cu、Zn、Ni以外，其余6种重金属Pb、Co、Cr、Cd、V的变异系数分别高达139%、115%、179%、116%、171%，尤其Cr最高，都属于强变异性，反映其受外界环境干扰严重。Cu、Zn、Mn、Ni的超标率高达均83%、92%、96%、86%，严重超标。

3.2 底泥重金属污染生态评价

3.2.1 地积累指数法

根据式（1），根据计算可得，咸阳湖底泥重金属元素的地积累污染指数的大小顺序为：Cd>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni>Cu，其指数平均值分别是-0.22、0.624、0.042、0.166、1.541、-0.086、0.255、7.945和0.073。则可知Cu、Ni的污染等级都为0，属于无污染水平，Pb、Zn、Mn、Co、Cr、V的污染等级都处于1级和2级，属轻度污染、偏中度污染，污染程度较轻。说明这两种重金属在河流沉积物中富集程度低。Cd的地积累指数为7.95，污染等级高达6级，极重度污染。

3.2.2 潜在生态风险指数法

参照风险等级评价标准，对重金属的潜在生态风险指数各重金属的潜在生态风险等级从高到底依次为：Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，其指数平均值分别为6.82、106.97、1.587、1.737、10.344、7.337、0.860、4713.913和0.825，总的生态风险指数RI为4843.93，属于极强生态危害，Cd含量较低，但其对生态风险指数的贡献却非常高，达97.30%。因此，可以这样说，由于Cd元素的极强生态危险系数，对咸阳湖潜在生态风险指数的贡献很大。

4 主要结论

（1）咸阳湖底泥沉积物中Cu、Zn、Co、Ni平均含量均超过当地土壤和中国水系沉积我背景值。而其他五中重金属Pb、n、Cr、Cd、V的平均含量均低。总的来看，咸阳湖底泥中重金属含量元素Cu、Zn、Co、Ni含量很高，累積严重。但其他重金属元素都含量正常，相对较低。Pb、Co、Cr、Cd、V都属于强变异性，反映了这些重金属的空间分异性强。Cu、Zn、Mn、Ni的超标率高达83%、92%、96%、86%，其他五种重金属超标率均较低。

（2）地积累污染指数的大小顺序为：Cd>Co>Pb>Cr>Mn>V>Zn>Ni> Cu。其中Cu、Ni的污染等级都为0，属于无污染水平，Pb、Zn、Mn、Co、Cr、V的污染等级都处于1级和2级，属轻度污染、偏中度污染，污染程度较轻微。重金属Cd的地积累指数为7.95，达到了污染等级的最高级6级，属于极重度污染程度。次之是Co，属于偏中度污染。潜在生态风险指数法评价结果显示：潜在生态风险从高到底依次为：Cd>Pb>Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Cr>V，Cd的级别较高，污染程度极严重。特别是Cd对生态风险指数的主要贡献者。

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作者简介：赵明芳（1994—），男，陕西人，研究方向：资源与环境遥感。

（作者单位：1.成都理工大学地球科学学院;

2.西北师范大学地理与环境科学学院）