巢湖表层沉积物重金属污染特征研究

2020-09-27李小龙杨碧莹杨金香胡友彪

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

(安徽理工大学地球与环境学院, 安徽淮南 232001)

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态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]。巢湖主要的入湖河流有8条，1条出湖河流，其中杭埠河、南淝河与白石天河入湖径流量占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。

a.安徽省土壤背景值;b.土壤环境质量标准;c.加拿大淡水沉积物质量标准图1 巢湖表层沉积物重金属浓度变化范围

2.2 表层沉积物中重金属空间变化

由于2002～2006年间巢湖湖区表层沉积物重金属的文献较少，因此选取2007～2016这十年间巢湖东西半湖表层沉积物重金属数据较为完整连续的时间段进行归纳分析，并绘图(见图2)。

西湖区重金属在2007～2016年间的浓度普遍大于东湖区，除Pb和Zn外，各元素在东西湖区人浓度变化较为一致。东西湖区的元素As和Fe均于2007年达到最高浓度，其余重金属在东西湖区的最高浓度分别出现在不同年份。除元素As、Cd、Hg、Fe和Zn在各年的浓度均遵循西湖区大于东湖区的规律外，部分元素于不同年份在东湖区的浓度较高，如2007年的Mn和Pb元素，2008年的Cu和Ni元素， 2014年的Cr和Ni元素以及2015年的Cr元素。东西湖区的Cd、Hg、Pb和Zn元素历年浓度均高于安徽省土壤背景值，Hg元素历年浓度均低于加拿大淡水沉积物质量准则;东湖区的Ni和Zn元素历年浓度皆低于加拿大淡水沉积物质量准则。

沉积物中重金属污染程度在东西湖区有显著的空间分布，实际表明人口，经济，产业结构在空间分布上的特征和不均衡，这与其区域社会经济发展程度、人类活动方式密切相关。南淝河承接合肥市排出的大量污染物，最终汇入西湖区，相关研究[38]表明，南淝河流域内高达111家企业污水未进入污水处理厂，多以电镀工业为主，而污水最终会汇入西湖区。巢湖流域产业结构与水污染程度的联系十分紧密，如合肥市电力、热力的生产和供应业、食品制造、有色金属冶炼及压延加工业、文教体育用品制造业、家具制造业与西湖区水污染关联度较强，而东湖区水污染主要与巢湖市农林牧渔业关联较强，所以西湖区重金属浓度远远高于东湖区[39]。

a.安徽省土壤背景值;b.土壤环境质量标准;c.加拿大淡水沉积物质量标准图2 东西半湖表层沉积物中重金属浓度时间分布特征

2.3 巢湖表层沉积物中重金属污染评价

1)地累积指数法。由于收集到的2002年巢湖湖区表层沉积物中重金属浓度数据只有范围并无均值，因此仅对2003～2016年巢湖湖区表层沉积物中重金属进行地累积指数评价(见表1)，方法见文献[40]。

结果表明，全湖表层沉积物中重金属Igeo年均值在-0.60～0.90之间， Hg、Zn、Cd和Pb属“轻-中度”污染，其它重金属元素均处于“无”污染，总体污染顺序为Hg>Zn>Cd>Pb>Fe>Cu>Ni>Mn>As>Cr。As、Cu、Cr、Fe、Mn和Ni的Igeo值多数小于0，表明这几种重金属总体处于“无”污染;Hg、Pb、Cd和Zn的Igeo值多数处于0.11～1.61，基本属于“轻-中度”和“中度”污染。

西湖区表层沉积物中重金属的Igeo年均值在-0.56～1.91之间，Cd、Hg和Zn属于“中度”污染， Mn和Pb属于“轻-中度”污染，其余五种重金属皆为“无”污染，总体污染顺序为Cd>Hg>Zn>Pb>Mn>Fe>As>Ni>Cu>Cr.As、Cu、Cr和Ni这几种重金属总体处于“无”污染;Fe、Pb和Mn的Igeo值多处于0.14～0.79之间，基本属于“轻-中度”污染;Cd、Hg和Zn的Igeo值多处于1.18～2.56之间，基本处于“中度”和“中-强度”污染。

表1 巢湖表层沉积物重金属地累积指数

采样年份Igeo(全湖/西湖区/东湖区)HgMnNiPbZn2003———-0.51/—/-0.51—2006—-1.60/—/——1.21/—/—-0.30/—/—20070.47/—/—-0.47/-0.72/-0.58-0.29/-0.12/-0.20-0.35/-0.47/-0.460.40/0.90/0.0720080.92/1.28/0.440.37/0.44/0.27-0.15/-0.16/-0.13-0.12/0.14/-0.440.44/0.82/-0.1920090.29/0.75/-0.07-0.71/—/—-0.25/-0.09/-0.290.11/0.42/-0.271.21/1.21/0.0820101.54/1.54/——0.25/0.25/—1.29/1.29/——2011———0.81/0.81/—1.61/1.61/—2012——-0.76/-0.54/-0.97-0.22/-0.06/-0.370.33/0.56/0.1320131.33/2.13/—0.70/0.79/0.27-0.31/-0.13/—0.15/0.47/-0.351.25/1.67/-0.132014——-0.35/-1.08/-0.85-0.08/0.29/-0.320.87/1.40/0.1520150.73/1.23/0.53—0.37/—/—-0.11/0.29/-0.220.67/1.18/0.2120161.03/1.34/0.23——0.19/0.43/0.110.79/1.20/0.20均值0.90/1.38/0.28-0.34/0.17/-0.01-0.19/-0.27/-0.490.16/0.36/-0.310.73/1.17/0.06

东湖区表层沉积物中重金属的Igeo年均值在-0.92～0.99之间，除Cd、Hg和Zn属“轻-中度”污染，其它重金属元素均处于“无”污染，总体污染顺序为Cd>Hg>Zn>Mn>Fe>Cu>Pb>As>Ni>Cr.Hg和Zn的Igeo值多处于0.07～0.53之间，基本属于“轻-中度”污染;重金属Cd的Igeo值多处于0.50～1.71之间，属于“轻-中度”和“中度”污染。通过Igeo评价分析，历年重金属污染程度呈西湖区>全湖>东湖区，其中Cd、Hg、Zn和Pb污染较为普遍与严重，多处于“轻-中度”和“中度”污染，其中Cd和Hg污染程度更为严重，达到过“中-强度”污染;其余重金属多处于“无”污染，Cr污染程度最低。

2)潜在生态风险指数。本研究筛选的文献中仅部分进行了潜在生态风险评价，涉及的重金属元素各不相同，不具可比性，因此有必要采用统一的金属元素对巢湖湖区及不同区域进行可比的综合生态风险评估。本文以Cu、Cr、Cd、Pb、Zn这5种重金属对巢湖进行生态风险综合评价(见图3)，方法见文献[41-42]。

图3 巢湖表层沉积物重金属潜在生态风险指数评价

生态危害呈现西湖区>全湖>东湖区的空间分布，除个别年份外，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。以各重金属生态危害贡献来看，Cu、Cr、Pb和Zn皆属于轻微生态危害，Cd则贡献最多，多为强生态危害，少数为中等生态危害，部分年份可达到很强生态危害，总体满足Cd>Pb>Cu>Zn>Cr的贡献特征，这与地累积指数法评价结果相似。

综合地累积指数与潜在生态风险指数评价方法，多年来巢湖表层沉积物中各重金属均有不同程度的富集污染，Hg、Pb和Zn元素污染富集较为严重，Cd最为严重。空间上看，巢湖生态危害变化较为稳定，除西湖区多处于中等生态危害，全湖与东湖区多为轻微生态危害，Cd危害贡献最大，最高可达到很强生态危害，应引起相关部门的重视，加大监控与治理力度。

2.4 重金属浓度变化及来源分析

进入巢湖污染物的排放量是影响巢湖重金属浓度变化的重要原因，巢湖流域重金属污染主要源于当地的生活污水、工业废水及农业污水的排放。在收集的数据中挑选浓度随时间变化较为连续的重金属Cu、Cr、Ni、Pb和Zn，根据安徽省统计年鉴中，对合肥市常住人口数、企业数、工业废水排放、化肥施用量、城镇生活污水排放量各经济发展指标进行相关分析(见图4)，数据进行归一化。同时为探寻重金属的来源，2013年采集的样品中测得的各重金属As、Cu、Zn、Cr、Pb和Cd浓度的数据进行聚类分析(见图5)，以期对巢湖沉积物中重金属浓度变化进行原因分析。

图4 重金属与经济发展指标相关性及变化关系

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。