巢湖西半湖浅层沉积物元素调查分析

许 毅

（安徽省建设工程测试研究院有限责任公司，安徽 合肥 230051）

巢湖是我国五大淡水湖泊之一，其中西半湖约占全湖总面积的三分之一，是合肥市五大城市过境河流南淝河、十五里河、派河、杭埠河和塘西河的入湖之处。其中南淝河是最主要的过境河流，多年来污染严重。对重金属污染的研究一直是环保界的关注点。重金属可通过地表径流、迁移、沉降并以相应物理、化学、生物过程释放到水体中，直接或间接对生物产生致毒致害作用，并通过生物富集、食物链放大等影响人类健康[1]。而水环境中的重金属离子绝大部分均结合于颗粒物中，通过各种物理化学过程由水相转为固相，并逐步转移至沉积物，沉积物中的重金属会释放到水体中，造成水体的二次污染，因此研究水体浅层沉积物中的重金属尤为重要，也更具有客观性。本文利用波长色散-X射线荧光仪和电感耦合等离子发射质谱仪对巢湖西半湖浅层沉积物的元素成分进行分析[2]，判断沉积物中的主要元素成分，根据HJ780-2015等标准方法对流入巢湖西半湖的五条河流汇入点的样品定量检测，比较不同点位元素含量差异，分析污染物空间分布情况。

1 实验部分

1.1 研究区域

在巢湖西半湖湖区布设W1、W2、W3、W4、W5、W6六个点位，见表1。

表1 巢湖西半湖采样点位图

如表1所示，将五条入湖河流的汇入口及湖心位置作为巢湖西半湖湖区的浅表层沉积物的采样分析点。将南淝河上游董铺水库点设为对照点。

1.2 样品采集和检测分析

采用柱状采泥器采集沉积物样品放入聚四氟乙烯密封袋中低温保存转运至实验室，样品经过真空冷冻干燥仪进行冷冻干燥后，用玛瑙球磨机进行磨碎并过筛，四分法取样，待分析的样品经压片机压片成型后依据环保行业检测标准HJ 780-2015，参照仪器操作程序建立测量方法。a定性分析：采用F-U检测范围，对样品进行定性分析；b定量分析：校准标线建立，将1.2中列出的标准物质进行压片，在仪器最佳工作条件下，依次上机测定分析，记录X射线荧光强度，以强度对应各元素（或氧化物）的含量建立校准曲线。待测样品按照与校准曲线相同的条件进行检测，根据相应的荧光强度和校正方程，计算出待测元素的含量。

2 结果与讨论

2.1 巢湖西半湖浅层沉积物元素的定性分析

通过四分法在每个点位取一定量的样品进行混合作为西半湖的综合样品，对样品进行F-U扫描定性分析，得出西半湖沉积物的元素成分含量高于0.5%的元素10个，其中Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg是地壳中富含元素，反映不出其污染状况。定量分析在大于0.5%含量水平上对Ti、Mn、Ru进行分析。低于0.5%的元素共检出16种，其中非金属元素3种，为P、S、Cl。因而确定进行定量分析的元素为27种：Cl、S、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、P、Cu、Zn、Ga、As、Br、Pb、Th、Rb、Sr、Y、Zr、Ce、Hf、La、Sc、Hg、Cd。

2.2 巢湖西半湖浅层沉积物元素的定量分析

对以上目标元素检测结果进行统计得出定量分析元素的描述统计量。

2.2.1 含量变化大的元素分布特点

运用SPSS软件对相对标准差作四分分位分析，得出百分位数节点为：25%：10.8，50%：18.6，75%：23.8。根据四分位节点确定变化最大的一类元素为Br、Cl、Zr、Hg、Mn，表明此类元素在巢湖西半湖区呈区域性分布，迁移速率较慢。确定变化最小的一类元素为Ti、Ce、S、Zn、Sr、Ba、Cu，此类元素分布均匀。

将变化最大的一类元素的含量除以对照点的含量得出超背景点倍数，作点位分布柱状图可知：南淝河入河区Cl、Br显著高于其他点位，表明该区域受卤素元素污染严重，南淝河是卤素元素主要输入口，主要是由大量生活污水和工业有机废水导致，据统计，南淝河接纳了合肥市85%以上的工业废水和生活污水。

2.2.2 污染物金属元素分布

将一类和二类污染金属元素的含量除以对照点的含量得出超背景点的倍数，做各点位一类和二类污染物金属元素分布柱状图，如图1。

图1 一类和二类污染物金属元素点位分布图

从图2可知：与对照点相比，一类金属污染元素在西半湖湖区各个采样点位均有明显分布，Ni在W1、W2点位；Hg在W2点位低于对照点，其余元素均超对照点2倍以上，Pb最为严重，超对照点6倍以上，Cr、As、Cd超对照点4倍以上。点位W1各一类污染物金属元素均明显低于其他点位。近年来合肥对南淝河采取了一系列的环境保护措施，如清淤底泥和生态补水等并取得了很好的生态效果。二类金属元素污染物在各点位上有明显的分布，均高出对照点二倍以上。其中Zn最为严重，各点位均超8倍以上。Mn在W1上明显低于其他点位。

2.2.3 各点位间聚类分析

依据各点位的检测结果，除以对照点的数据作归一化处理。再使用SPSS数据统计软件进行聚类分析，得出结果如图2。

图2 巢湖西半湖湖区各采样点位聚类分析树状图

从图2可知：巢湖西半湖湖区的6个采样点可分成三类，第一类为W1，第二类为W2、W4，第三类为W3、W5、W6。W1与其他采样点有显著差异，这与近几年合肥市加大河道整治有关。

2.3 重金属元素的潜在生态效应

各重金属元素的生物毒性是不同的，即使具有相同含量的Cu、Zn Hg、Cd、Pb、Cr、As，它们的生物毒性也有差别。利用重金属元素污染的潜在环境生态风险评价，要比直接评价土壤重金属元素超标倍数能更好地说明重金属元素的危害。Hankanson从沉积学角度提出土壤或沉积物中重金属污染评价的方法，将重金属生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，其计算公式为：

从图3可知，西半湖浅层沉积物潜在生态环境危害最大的元素是Hg和Cd，Hg、Cd处于大于80小于160的区间，潜在生态危害等级为强。Cr、Cu、Zn、As、Pb处在20以下，潜在生态危害轻微，危害程度排序为Cd＞Hg＞As＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr。从图3可知西半湖湖区各点位的综合潜在生态危害指数均大于150，低于300，潜在生态危害等级为中等。各点位差异性不大，均处在250附近，平均各点位指数为235.2，巢湖西半湖湖区受到重金属潜在生态危害程度为中等。

图3 单元素潜在生态危害指数与综合潜在生态危害指数分布图

2.4 重金属的生物效应

生物效应数据库法是目前国际上最为被广泛接受的制定水体沉积物重金属质量基准的方法[4]。该方法通过分析大量的水体沉积物重金属含量及其生物效应数据，以确定沉积物中引起生物毒性与其他负面生物效应的重金属浓度阈值。称为临界效应的浓度（TEL）和必然效应的浓度（PEL），均指表层沉积物中某种重金属的总浓度，并以干重形式表达（mg/kg）。沉积物中某一重金属浓度低于其TEL值，负面生物效应几乎不会发生；高于PEL值，负面生物效应经常发生；介于两者之间，负面生物效应偶尔发生。由于国内这方面数据较少，本文采用加拿大利用生物效应数据库法制定的沉积物质量基准，依据二年的检测结果，按点统计制作条件格式表。超PEL用*表示，低于TEL用***表示，介于二者之间用**表示，见表2。从表3可知：巢湖西半湖湖区浅层沉积物中的8种重金属对生物产生负面影响。Cr、Ni、Zn、As、Pb在90%的点位含量水平高于PEL值，对生物的负面影响概率很大。从对照点看Cr的含量已超过了TEL值，Ni的含量超过PEL值。推断Cr、Ni是由本底造成的并非由于人类污染。根据生物数据库沉积物基准原则，巢湖西半湖湖区浅层沉积物中Zn、As、Pb重金属会对生物产生负面影响。

表2 各点位与沉积物金属元素质量基准值的比较值

3 结论

（1）巢湖西半湖湖区的元素分布可分为三类：第一类为南淝河入湖区点位，第二类为十五里河入湖区、派河入湖区，第三类为塘西河入湖区、新河入湖区、西半湖湖心区。南淝河入湖区点位与其他点位有显著差异。含量变化最大的一类元素为Br、Cl、Zr、Hg、Mn，其中Br、Cl在南淝河入湖区有很大的集贮。

（2）相对于董铺水库对照点，西半湖采样点位均高于对照点，所测元素最高的点位为对照点的33倍。一类污染物的金属元素中Pb最为严重，超对照点6倍以上，Cr、As、Cd次之，超对照点4倍以上；二类污染物金属元素中Zn最为严重，各点位均超8倍以上，西半湖湖区浅层沉积物中受金属元素污染较为严重。（3）巢湖西半湖浅层沉积物潜在生态环境危害最大的元素是Hg和Cd，潜在生态危害等级为强。其他元素Cr、Cu、Zn、As、Pb潜在生态危害轻微，危害程度排序为Cd＞Hg＞As＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr。在综合潜在生态危害生态效应方面，各点位综合潜在生态危害等级为中等。在重金属、类金属的生物效应上，Zn、Pb重金属和类金属As对生物可能会产生很大的负面影响。