宿鸭湖水库沉积物重金属含量分析与评价
2020-10-12王昕霍吉祥马福恒张东升叶伟
王昕 霍吉祥 马福恒 张东升 叶伟
摘 要：为了解宿鸭湖水库库底沉积物中重金属污染水平，对沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg等8种重金属含量进行了研究，并采用地积累指数法、污染负荷指数法、沉积物质量基准法及潜在生态风险指数法进行了综合评价，结果表明：重金属在沉积物上部含量较高，且Cd、Hg在空间分布上差异较大;根据相关性分析，Ni、Cr、As、Pb、Zn之间以及Cd、Hg之间关系密切;Cd的地积累指数值较高，属于无污染到中污染;根据污染负荷指数法污染分级标准，所有采样点中有4个采样点为无污染，16个采样点为中等污染;根据沉积物质量基准法，Ni和As可能对水体产生不利影响;根据潜在生态风险指数法，宿鸭湖水库库底沉积物重金属整体处于轻微风险至中等风险，且主要受Hg和Cd的影响。
关键词：重金属;统计分析;地积累指数法;污染负荷指数法;沉积物质量基准法;潜在生态风险指数法;宿鸭湖水库
中图分类号：X524文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.017
Analysis and Evaluation of Heavy Metals in Sediments of Suyahu Reservoir
WANG Xin1， HUO Jixiang2， MA Fuheng2， ZHANG Dongsheng1， YE Wei2
（1. Suyahu Reservoir Administration Bureau， Zhumadian 463300， China; 2.State Key Laboratory of HydrologyWater
Resources and Hydraulic Engineering， Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029， China）
Abstract：In order to understand and evaluate the pollution level of heavy metals in sediments at the bottom of Suyahu Reservoir， the contents of As， Cd， Cr， Cu， Ni， Pb， Zn and Hg in sediments were studied. And the methods of land accumulation index， pollution load index， sediment quality benchmark and potential ecological risk index were used for comprehensive evaluation. The results show that the content of heavy metals in the upper part of sediment is higher and the spatial difference of Cd and Hg is larger. According to the correlation analysis， there is a significant positive correlation between Ni， Cr， As， Pb and Zn and Cd and Hg. The geoaccumulation index value of Cd is higher. According to the classification of PLI， there are 4 none pollution in all sampling points of reservoir and the other 16 samples are of medium pollution. According to sediment quality standard method， Ni and As may have slight adverse effects. In potential ecological risk analysis， the overall risk is between slight risk and medium risk and is mainly affected by Hg and Cd.
Key words： heavy metals; statistical analysis; geoaccumulation index method; pollution load index method; sediment quality standard method; potential ecological risk index method; Suyahu Reservoir;
水庫库底沉积物作为水库水环境中重金属的主要蓄积库，可以反映水体受重金属污染的状况。同时，由于沉积物和水体中的重金属可以发生迁移和转化，因此库底沉积物兼具污染受体与污染源的双重属性[1]。水体中重金属经上游河道进入水库，在相对滞缓的水流条件下随悬浮物沉降进入沉积物;当水体受到扰动或化学环境发生变化时，沉积物中重金属又可以向水体扩散。因此，充分认识沉积物中重金属的污染状况和释放风险可以为水库污染防治提供依据。目前关于水库沉积物的研究主要是对沉积物进行采样并监测其重金属元素含量，进而获得重金属在整个库区范围内或某一位置不同深度处的空间分布特征[2-3]，基于相关性分析、主成分分析或聚类分析等统计分析方法获得各项重金属指标间的内在联系[4-5]，应用地积累指数法、潜在生态风险指数法等进行污染评价[6-7]。
3.2 污染风险评价
对水库沉积物中重金属进行风险评价是了解其污染状况的手段，目前评价方法相对较多，包括地积累指数法、污染负荷指数法、沉积物质量基准法及潜在生态风险指数法等，由于各种方法各有侧重，各具合理性和局限性，因此为更准确、科学和全面地评价宿鸭湖水库库底沉积物污染状况，将以上几种方法相结合进行综合评价[15]。同时，由不同深度处统计分析结果可知，宿鸭湖水库库底沉积物上部重金属含量较中部和下部的更高，且受清淤扩容扰动影响较大，因此主要对宿鸭湖水库库底上部沉积物进行污染风险评价。
3.2.1 地积累指数法
由于缺少宿鸭湖周边区域或驻马店市重金属元素土壤背景值，因此采用河南省重金属元素土壤地球化学背景值进行污染风险评价[16]。根据地积累指数可将重金属污染程度分为7级，其中：Igeo<0为无污染;0≤Igeo<1为无污染到中污染;1≤Igeo<2为中污染;2≤Igeo<3为中污染到重污染;3≤Igeo<4为重污染;4≤Igeo<5为重污染到极重污染;Igeo≥5为极重污染。
宿鸭湖水库库底沉积物上部重金属地积累指数见表3。由表3可以看出：Cr和As的地积累指数最大值小于0，表明宿鸭湖水库库底沉积物中这两种元素皆处于无污染状态;Zn、Pb、Cu、Ni、Hg的情况较为类似，即地积累指数最大值为0～1，而均值均小于0，经统计，20个采样点中，这几种元素地积累指数小于0的采样点分别为19、18、18、18、12个，表明这几种重金属在宿鸭湖库底大多数区域属于无污染，仅少数区域属于无污染到中污染;Cd相对较为特殊，均值达到了0.802，为无污染到中污染，而最大值为1.889，为中污染，经统计，20个采样点中，仅有2个采样点为无污染，因此Cd的污染情况值得关注。
3.2.2 污染负荷指数法
污染负荷指数法可以了解重金属在各采样点及整个水库的污染水平。经计算，库底沉积物上部重金属PLI为0.74～1.75。对照PLI的污染分级标准可知，20个采样点中有4个采样点为无污染，剩余16个采样点为中等污染，水库总体污染负荷指数为1.18，因此宿鸭湖水库总体为中等污染。水库范围内污染负荷指数的空间分布见图2。由图2可以看出，重金属污染负荷指数在整个库区范围内呈从近岸至湖心逐渐增大趋势，这与张鹏岩等[17]对宿鸭湖沉积物重金属空间分布的研究结果一致。
3.2.3 沉积物质量基准法
为研究宿鸭湖水库库底沉积物中重金属对水生态系统的影响，可将重金属含量与底泥质量标准进行比较，其主要包括ERL、ERM两个指标。ERL为重金属有害影响可能性很小的限值，即当重金属含量低于ERL时，产生有害影响的可能性低于10%。ERM为重金属有害影响的中效应范围，当重金属含量介于ERL与ERM之间时，产生有害影响的可能性为20%～30%;当重金属含量大于ERM时，产生有害影响的可能性增至60%～90%。
各重金属元素的ERL和ERM限值见表4。由表4各重金属质量基准值并结合本次采样实测数据可知：Zn、Pb、Cd和Hg含量的最大值皆小于对应的ERL限值，表明库区范围内这4种重金属元素产生危害的可能性很小;Cu和Cr这2种重金属元素含量分别为22.208、58.445 mg/kg，各自均值皆小于对应的ERL限值，在20个采样点中仅有1个采样点的含量略大于ERL，表明这2种元素产生的危害也相对较小;Ni和As含量分别达到了28.669、10.496 mg/kg，皆大于对应的ERL限值，而在20个采样点中分别有19、15个采样点的值介于ERL、ERM之间，表明Ni和As有可能对水体产生不利影响。
在此基础上，可计算m-ERM-Q值以了解多种重金属元素的混合生物毒性，其结果可分为4个等级：m-ERM-Q≤0.1时，多种元素混合生物毒害可能性为9%;0.1
3.2.4 潜在生态风险指数法
采用潜在生态风险指数法对宿鸭湖水库库底沉积物中重金属进行风险评价，结果见表5。Cu、Cr、Zn、Pb、As、Ni等6项重金属元素的潜在生态风险指数最大值均小于40，潜在生态风险程度属于轻微风险。Hg潜在生态风险指数的均值为56.60，为中等风险，在20个采样点中：5个采样点的潜在生态风险指数小于40，为轻微风险程度;13个采样点的潜在生态风险指数为40～80，为中等风险程度;2个采样点的潜在生态风险指数大于80，为较强风险程度。Cd潜在生态风险指数均值为85.31，为较强风险程度，经统计，仅2个采样点的潜在生态风险指数小于40，为轻微风险程度;有7个采样点为中等风险程度;有10个采样点为较强风险程度;有1个采样点的潜在生态风险指数为166.67，达到了很强风险程度。
从多种重金属综合潜在生态风险指数RI来看，其均值为170.88，最小值与最大值分别为86.13和295.52，宿鸭湖水库库底沉积物重金属潜在生态风险总体处于轻微风险至中等风险之间，采样点中共有9个采样点为轻微风险程度，11个采样点为中等风险程度。
4 结 论
（1）将宿鸭湖水库库底沉积物分为上部、中部和下部3层，对各层重金属含量进行统计分析，结果表明，Cd和Hg的变异系数大于35%，属高度变异，这两种元素在空间分布上差异较大;在不同深度上，重金属含量呈现上部>中部>下部的趋势，同时由于清淤扩容过程中对沉积物表层扰动较大，因此库底沉积物上部为进一步关注的重点。
（2）由相关性分析可知，8种重金属指标可分为3类，其中Ni、Cr、As、Pb、Zn这5种重金属元素关系极为密切，Cd和Hg这两种重金属元素间的关系也较为密切，Cu与其他元素间相关关系均较弱，在清淤过程中可以此为依据选择代表性指标进行实时监测。
（3）根据地积累指数法，Cd与其他重金属元素相比较地积累指数值较高，大多数采样点属于无污染至中污染。
（4）根据污染负荷指数法污染分级标准，宿鸭湖水库所有采样点中有4个采样点为无污染，剩余16个采样点为中等污染，总体上区域污染负荷指数为1.18，属于中等污染。
（5）根据沉积物质量基准法，单项重金属元素的毒性分析表明，Ni和As各有19个和15个采样点的含量介于ERL和ERM之间，可能对生物产生不利影响。对于反映多种重金属元素混合生物毒性的m-ERM-Q值，采样点计算结果均大于0.1而小于0.5，具有21%的毒害可能性。
（6）从潜在生态风险指数法结果来看，宿鸭湖水库库底沉积物重金属潜在生态风险总体处于轻微风险至中等风险之间，采样点中共有9个采样点为轻微风险程度，11个采样点为中等风险程度，且主要受Hg和Cd的影响，其中Hg为中等风险程度，而Cd为较强风险程度。
综上所述，宿鸭湖水库库底沉积物重金属污染程度相对较轻，仅Hg和Cd两种重金属元素的生态风险等级分别达到中等风险和较强风险，且这两种元素的空间分布差异相对较大，因此在清淤扩容过程中需重点监测。
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【责任编辑 吕艳梅】
