上海青草沙水库表层沉积物重金属含量水平及其生态风险评价

朱宜平 李小飞 梁霞

摘要：采集青草沙水库上游水闸、垦区南北水道、库中以及库尾5个代表性区域的30个表层沉积物样品，分析了沉积物中7种重金属（Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As和Hg）含量和赋存形态，并评价了其潜在生态风险。结果显示，青草沙水库中部表层沉积物的重金属含量相对较高，而垦区南北水道附近重金属含量最低。表层沉积物重金属以残渣态为主，可交换态含量低。基于重金属污染的生态风险评价可知，水库表层沉积物的潜在生态风险指数值（ERI）介于55～113，属于低风险或不具潜在生态风险水平，其中上游水闸附近的生态风险相对最高，而南北水道和库尾附近的生态风险最低。

关键词：重金属;沉积物;生态风险;水库;饮用水水源地

中图分类号：X131.3文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.006

ContentandecologicalriskassessmentofheavymetalsinthesurfacesedimentsofQingcaoshaReservoirinShanghai

ZHUYiping1，LIXiaofei2，LIANGXia3

（1.ShanghaiChengtouRawWaterLimitedCompany，Shanghai200125，China;

2.SchoolofGeographicalSciences，FujianNormalUniversity，Fuzhou350007，China;

3.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China）

Abstract：Surfacesedimentswerecollectedfromfiverepresentativeareas—thefloodgateentrance，thenorthandsouthsidesofthereclamationarea，andthecentralanddownstreamsections—ofQingcaoshaReservoir;thepollutioncharacteristicsandpotentialecologicalriskofsevenheavymetals（Cu，Zn，Pb，Cr，Cd，AsandHg）inthesesedimentsweresubsequentlyinvestigated.Resultsshowedthattheheavymetalcontentinthesurfacesedimentsshowedspatialvariations：thecontentwasrelativelyhigherinthecenterofthereservoirandwaslowinthenorthandsouthsidesofthereclamationarea.Heavymetalsinthesurfacesediments，inaddition，weremainlyintheresidualfraction;thecontentofheavymetalsintheexchangeablefractionwasextremelylow.Apotentialecologicalriskassessmentindicatedthatthecomprehensivepotentialecologicalriskindex（ERI）oftheinvestigatedheavymetalsrangedfrom55to113.ThemaximumERIvaluewasobservedaroundthefloodgateofthereservoirentrance，andlowERIvalueswereobservedatthenorthandsouthsidesofthereclamationarea.TheERIwaslowerthanthethresholdforlowecologicalrisk，indicatingthatheavymetalsinthesurfacesedimentsoftheQingcaoshaReservoirhavelowpotentialecologicalrisk.

Keywords：heavymetal;sediment;ecologicalrisk;reservoir;drinkingwatersource

0引言

水庫作为重要的淡水资源，在农业灌溉、区域防洪、饮用水供给以及水电清洁能源等方面都扮演着重要的角色[1-2]。受人类活动影响，近年来水库沉积物重金属污染问题日益突出，对水库生态环境安全提出了挑战。自然水体中的重金属主要源于岩石风化和土壤淋溶流失[3]。然而随着人类工业活动，大量重金属通过废水排放以及大气干湿沉降等方式进入河流、湖泊和水库等水体。这些重金属在悬浮颗粒物表面吸附沉积，并随着水环境改变而经历吸附-解吸、氧化-还原、溶解-沉淀以及颗粒凝聚等一系列过程，沉积物因此成为水体重金属污染的重要来源[4-6]。作为我国重金属污染综合防治“十二五”规划中的重点防控对象，汞（Hg）、铅（Pb）、砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、铜（Cu）和锌（Zn）等重金属在包括太湖、巢湖、辽河、珠江、海河，以及三峡水库、密云水库等在内的重要河湖水库沉积物中富集并引发水体污染，受到了众多研究学者和管理部门的高度关注[6-10]。

目前，针对水库沉积物金属污染的研究主要集中在内陆水库，包括三峡水库、丹江口水库及山美水库等在内的表层沉积物都呈现一定程度的Cd、Pb污染，水库处于较高的生态风险等级[1，4，7，11-13]。常用于重金属污染生态风险评价的方法主要有地积累指数法、沉积物富集系数法、潜在生态风险指数法等[13-15]。其中，潜在生态风险指数法从重金属的生物毒性出发，综合考虑了重金属的毒性、浓度及迁移转化规律和区域背景值的影响，不仅反映沉积物中单一重金属元素的环境影响，也反映了多种重金属污染物的综合效应[16]。因此，该方法在我国水体沉积物重金属污染评价中得到广泛应用[2，11]。

青草沙水库位于长江河口南支下段江心岛上海长兴岛的西北侧，是长江河口淡水资源开发的重要饮用水水库，也是我国最大的蓄淡避咸水库。作为上海市重要的饮用水水源地，青草沙水库受陆域排污干扰小，水量丰富、水质优良，是上海难得的优良水源地和城市供水的战略储备。青草沙水库设计有效库容4.35亿m3，设计单日供水规模719万t，可满足上海市50%的日供应量[17]。但是青草沙水库地处长江河口并受到上游来水水质和河口咸潮期咸水倒灌的共同影响，其沉积物重金属污染含量和赋存特征与其他水源地水库有所不同。自2011年水库通水运行以来，已陆续展开了针对水库沉积物的一系列研究，主要集中在库区流态及淤积分布特点、氮磷营养盐释放以及沉积物中痕量有机污染物和部分重金属污染调查等方面[18-23]。然而，目前针对青草沙水库沉积物重金属污染的研究仍相对较少，水库沉积物重金属赋存形态和生态风险评估也相对缺乏。因此，本文以青草沙水库为研究对象，采用野外采样与室内分析相结合的方法，开展沉积物重金属含量和形态分析以及生态风险评估，以期为青草沙水库水环境质量保护与保障饮用水供水安全提供科学依据。

1研究材料与方法

1.1研究区概况与采样设计

青草沙水库（121.47°～121.78°E，31.36°～31.55°N）地处长江口南北港分流口下方、长兴岛北侧和西侧的中央，水域面积约66.26km2，平均水深约8m，最大水深约13m[21]。水库地处典型亚热带气候区，年平均气温约16℃，年平均降水约1030mm。基于对青草沙水库库区面积、不同区域水动力条件和潜在污染源分布特征等因素的综合考虑，于2014年8月和2015年7月采用便携式采泥器对青草沙上游水闸、垦区南北水道、库中区域以及库尾附近5个代表性区域采集30个表层（0～5cm）沉积物样品（见图1和表1）。样品现场封装后低温保存并尽快运输至实验室完成样品分析。现场记录采样点水深、经纬度等相关信息。

1.2沉积物重金属总量和赋存形态含量分析

表层沉积物样品自然风干并研磨100目过筛。随后样品酸化（HNO3-HCl-HF）并于120℃消解16h。采用ICP-MC（XSERIES2，Thermo，美国）测定分析沉积物样品中的Cu、Pb、Zn、Cr、Cd和As含量。沉积物样品中的Hg含量采用H2SO4-HNO3-HCl酸化消解，并采用双光束冷原子吸收测汞仪（SG921-1）进行分析。使用Tessier分级提取法逐步萃取沉积物中的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态重金属组分。采用沉积物标准物质（GBW07436）进行样品质量控制。

1.3生态风险评价

利用潜在生态风险指数法对重金属污染生态风险进行评价[24]，计算公式如下：

式（1）和式（2）中：为某单一重金属潜在生态风险指数;ERI为综合潜在生态风险指数;Tr为该重金属毒性响应系数，反映该重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度;Cr为该重金属实测值;Bref为该重金属的评价参照值，采用上海滨岸沉积物背景值[25]。考虑到不同区域间沉积物背景值的差异性，在参考重金属毒性响应系统和背景值的基础上，本文重新调整了生态风险程度的等级划分标准[26]，具体如表2所示。

2结果与分析

2.1重金属含量

青草沙水库表层沉积物7种重金属含量介于183～345mg·kg–1，平均含量约为250mg·kg–1，并且各金属含量之间呈现时空差异（见表3）。库区中部表层沉积物中3种重金属（Zn、Pb、Cr）的单一含量以及7种重金属总含量均高于水库其他区域，而青草沙垦区南北水道的表层沉积物重金属含量最低。但垦区南部水道7种重金属和下游库尾除Cr和Cd外的5种重金属含量都呈现逐年增加的趋势，其年均增幅分别可达16.79%和35.22%，而其他区域重金属含量都在逐年下降，尤其是垦区北部水道降幅最大，可达60%左右。相比较而言，水库上游水闸处的表层沉积物重金属含量基本无年际变化。

2.2不同形态重金属特征

对青草沙水库表层沉积物重金属不同形态和含量特征分析后可知，表层沉积物中的重金属主要以残渣态为主，平均占比约48%，而可交换态含量最低，仅占总量的约3.5%（见图2）。不同金属形态之间存在时空差异：库中区域表层沉积物可交换态Cd含量占比相对较高，而碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Pb在上游水闸、库区中部和库尾都呈现较高含量，且可交换态Cd和铁锰氧化物结合态Pb在这些区域都呈现出逐年增加的趋势（见图3）。相对而言，水库各区域表层沉积物中的残渣态Cr和As占比最高。

2.3生态风险评价

沉积物重金属单项和综合潜在生态风险指数结果见表4.水库表层沉积物中的Cd、As和Hg污染指数值相对最高，但除上游水闸附近表层沉积物的Hg污染指数达到中等风险水平外，其余重金属均属于低风险等级。青草沙水库表层沉积物的综合潜在生态风险指数（ERI）值介于55～113，属于低风险或无潜在生态风险水平。其中，上游水闸附近的风险指数值最高，而南北水道及库尾区域生态风险则相对较低。

3讨论

近年来，包括饮用水水源地水库在内的一系列水库沉积物污染及其生态风险评价已引起人们的广泛关注[4，7，11]。但目前的研究主要集中在内陆地区，针对河口区域的研究相对较少。河口水库受上游来水水质和海水咸潮入侵等的共同控制，其表层沉积物污染物富集和迁移转化等与内陆水库有所不同。本研究对青草沙水库表层沉积物中的7种重金属污染进行调查，并参照长江河口沉积物重金属背景值开展生态风险评价。结果表明，在青草沙水库表层沉积物中，除As外的6种重金属含量均接近于长江口沉积物背景值（見表5）。虽然水库As含量略高于长江三角洲表层沉积物的平均范围，但其存在形态主要以残渣态为主（见图3），因此其对水体的生态风险影响仍相对较低[27]。重金属Cd、Hg和Pb是上海水源地水库以及长江三角洲水体沉积物中重点关注的污染物，但青草沙水库沉积物Cd、Hg含量均低于区域沉积物背景值（见表5），说明青草沙水库目前还未受到周边污染水体的影响。此外，与我国主要饮用水水库相比，青草沙水库表层沉积物重金属含量也处于较低水平[11，28]，其中Cr、Zn和58华东师范大学学报（自然科学版）2021年Cu含量甚至低于长江上游的三峡水库[29]，说明青草沙水库受上游来水重金属污染输入影响也较小。一般来说，水库沉积物中的重金属主要源于原状土壤以及周边岩石风化输入[1-2，11，29]。青草沙水库表层沉积物累积主要来自上游悬浮泥沙输入，但长江丰富的淡水输入稀释水体和悬浮泥沙中的重金属，由此减少了水库表层沉积物中的重金属的富集[6]。值得注意的是，青草沙水库中部的表层沉积物重金属含量高于该水库的其他区域（见图3），这可能受到水库水文过程的影响。青草沙水库中部的水流速度较之南北水道明显下降[18]，造成表层沉积物与上覆水体之间的物质交换通量减弱，由此加剧了水库中部表层沉积物重金属的富集[22]。

由于各形态重金属的生物毒性和生物有效性不同，因此不同重金属各形态间的生态风险也存在差异[1]。一般来说，可交换态、碳酸盐结合态（弱酸溶解态）和铁锰氧化物结合态（可还原态）均可被生物所吸收利用[38]。但是可交换态重金属可溶于水并能被Ca2+、Mg2+、NH4+等阳离子进一步交换并释放到水中被生物所利用[1]。因此，可交换态是沉积物中活性最高、毒性最强的重金属组分，是潜在生态风险评估重点关注的对象[27]。碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态也是重金属组成中生物活性较高的部分，其释放过程受pH、溶氧以及盐度影响控制[28]。相对上述形态，残渣态重金属性质十分稳定，因此其潜在生态风险最低。青草沙水库表层沉积物的重金属以残渣态为主，碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态重金属占比不高，分别介于3.3%～37.61%和3.9%～29.6%。但是，沉积物中的可交换态Cd和铁锰氧化物结合态Pb的含量高于长江口水体及部分内陆水库[12]，并且占比呈现逐年增加趋势。水体盐度变化对于可溶态Cd和Pb的解吸与吸附具有显著影响。盐度上升能夠促进沉积物中Cd的解吸[39]，而河口咸淡水混合尤其当长江冲淡水渗入高盐度海水时，悬浮沉积物对Pb的吸附速率将急剧下降[40]。考虑到青草沙水库取水口面临着上游北支倒灌和北港下游外海盐水入侵的威胁[41]，并由此可能导致水体Cd、Pb浓度增加，因此在后期管理中需要对咸潮期水库中的这两类重金属保持关注。

利用潜在生态风险评估指数，将沉积物重金属含量与区域背景值进行比较，可以较为客观地反映水库沉积物的生态风险水平[11]。相较于陈行水库、黄浦江水源地、长江口滩涂、长江三角洲水体以及我国主要的内陆水库系统，青草沙水库目前总体保持在低生态风险等级（见表6）。其中，Cd、Hg和Pb是青草沙水库中生态风险指数较高的3种重金属，但水库表层沉积物中Cd和Hg的实际含量低于长江口沉积物背景值，其生态风险指数值也远低于长江口及我国内陆水库水体。青草沙水库中Pb的生态风险指数值略高于长江口以及内陆水库，但较之长江三角洲近岸及经济区水体仍保持在较低水平。因此，总体来看，本研究关注的7种代表性重金属并未对青草沙水库生态安全造成影响。尽管如此，考虑到表层沉积物中非残渣态Cd、Pb占比相对较高，而这部分重金属在咸潮期又具有二次释放的风险，因此在后期工作中应加强其环境风险监控。最后，需要注意的是，本研究虽然与国内其他几个水库的重金属潜在生态风险进行比较，但所选取的代表性重金属有限，无法全面评估重金属的生态风险效应。在今后的工作中应加强青草沙水库重金属生态风险的系统研究，以期得到更为全面准确的评价结果。

4结论

青草沙水库表层沉积物的重金属含量和赋存形态均表现出较大的空间差异性。其中，库中区域表层沉积物重金属含量较高，而青草沙垦区南北水道附近的重金属含量则相对最低。水库表层沉积物以残渣态重金属为主，可交换态重金属含量低。单项和综合潜在生态风险指数评价结果表明，青草沙水第2期朱宜平，等：上海青草沙水库表层沉积物重金属含量水平及其生态风险评价61库表层沉积物重金属污染属于低生态风险水平。作为饮用水水源地，目前表层沉积物中重金属的赋存与累积量不会影响水库的供水安全。

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（责任编辑：李万会）