向家坝库区沉积物中重金属的形态分布特征

2023-02-21文帅

山西化工 2023年1期

文帅

（河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056038）

随着人类社会文明的不断进步与发展，工业活动开始大规模的进行，其产生的重金属大量输入到环境中，并在环境中不断累积，不仅对环境造成了危害，而且同时通过生物富集和食物链进入人体后对人类身体健康造成严重危害[1]。

金沙江处于长江上游，为长江输送了大量的营养盐，同时具备节约能源，保护生态环境，并兼顾防洪、拦沙、灌溉与航运作用。本文以金沙江以及其支流为研究对象，探究向家坝水电站建成后，库区沉积物重金属的分布情况，分析沉积物中各类重金属对污染指数的贡献度。为向家坝库区的生态管理提供基本数据依据，对库区的生态环境保护有着一定参考作用。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

向家坝库区是金沙江流域周边部分市、县的水源地或备用水源地，属生态环境敏感区域，国家在向家坝坝轴下1.8 km 处，设立了游珍稀特有鱼类国家级自然保护区。向家坝库区水质将直接影响到金沙江下游流域的生活、生产用水安全和自然保护区水域生态环境[2]。

建设向家坝水电站的技术经济指标十分优越，工程总投资较低。向家坝水电站发电容量总和略大于三峡，且由于水库移民投资所占的比例小，两座电站单位千瓦投资和造价同国内在建和今后拟建的大型水电工程项目相比，经济指标优越。因此，向家坝水电站将成为“西电东送”中路通道的骨干电源项目[3]。

1.2 样品采集

依照金沙江河流的位置以及其特征与污染状况，考虑到金沙江上下游、干流和支流的交汇情况来分析污染源的分布状况，在金沙江流域布设了13 个采样点（见图1）。于2021 年4 月采集金沙江表面沉积物。采用抓斗式采泥器在各个监测点进行断面采集，低温运回实验室并进行预处理。

图1 向家坝库区采样点分布图

1.3 样品处理及分析方法

样品中重金属的形态采用BCR 法分级提取，具体步骤如下：

弱酸提取态：准确称取1 g 样品，加入20 mL 0.11 mol/L 的醋酸溶液，在室温下振荡16 h；离心分离20 min（3 000 r/min），取上清液用于测定土壤中重金属弱酸提取态的浓度。

可还原态：向上一级(弱酸提取态)提取后的剩余物中加入20 mL 0.5 mol/L 的盐酸羟胺，用硝酸将pH 值调至1.5，在室温下振荡16 h；离心分离20 min（3 000 r/min），取上清液用于测定土壤中重金属可还原态的浓度。

可氧化态：向上一级（可还原态）提取剩余物中加入5 mL 双氧水（pH 值为2～3），于室温条件下静置1 h，然后再加热到85 ℃±2 ℃，静置1 h，再加入5 mL 双氧水，温度继续维持在85 ℃±2 ℃，再静置1 h，加入1 mol/L 乙酸（pH 值为2）溶液25 mL，置于振荡器上振荡16 h，离心分离20 min（3 000 r/min），取上清液用于测定土壤中重金属可氧化态的浓度。

残渣态：重金属残渣态的含量由测得的土壤中重金属的全量减去以上3 种形态（弱酸提取态+可还原态+可氧化态）的重金属含量计算得出[4]。

2 结果与讨论

表层沉积物分布特征如图2：

图2 各断面重金属形态分布情况

1）在整个向家坝库区的13 个断面中。Cd 的形态分布在空间上呈相似性，Cd 的4 种形态含量关系为醋酸可提取态（平均值0.199 mg/kg〉碳酸盐结合态（平均值0.095 mg/kg）〉Fe-Mn 氧化物结合态（平均值0.092 mg/kg）〉残渣态（平均值0.059 mg/kg）。Cd 的主要赋存形态为醋酸可提取态，平均含量占总量的44.74%，其次为碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态，占比分别为21.44%和20.62%，残渣态仅为13.2%。由于镉的化学性质较为活泼且易溶于酸，与环境有着多种吸附和结合的方式。所以，Cd 的可提取态占比重较大，而残渣态占的比重较小。可提取态的重金属对环境条件变化敏感，容易释放到环境中，因此可提取态具有较强的生物有效性和毒性。因此Cd 在各采样点具有较强的迁移转化能力及生态危害性，在向家坝库区沉积物中有着较大的生物风险[5]。

2）由于Cu 的性质，使其容易与环境中的碳酸盐矿物相结合。Cu 的赋存形态主要以碳酸盐结合态为主，其平均含量为15.18 mg/kg，平均为44.42%。其次为铁锰氧化物结合态以及残渣态，分别占比25.37%和25.49%。从空间上来看，JS04 断面各形态的Cu 含量均较小，可能是因为，JS04 处于金沙江干流的末端，在其下游，正处于支流与干流交汇处，该断面水深较深，流速较快，出残渣态以外，其余形态的重金属Cu难以在该断面产生富集的现象，因此，JS04 断面的重金属Cu 的含量不高。在西宁河的三个断面上，Cu 的赋存形态主要为铁锰氧化态，可能是由于西宁河为金沙江支流，河宽较窄，水深不深，水流速度较低，水中存在浓度较高的有机物以及黏砂黏土，这些成分与重金属Cu 发生了各种反应，导致大量的转换出结合态的Cu。结合态的Cu 对PH 较为敏感，会在相应的环境条件下，转化为活泼状态，重新释放并被水中动植物重新吸收，Cu 相对于其他重金属，整体上存在一定生物危害[6]。

3）Pb 的4 种形态含量的关系为残渣态（平均值5.343mg/kg）〉Fe-Mn 氧化物结合态（平均值3.808mg/kg）〉碳酸盐结合态（平均值3.547 mg/kg）〉醋酸可提取态（平均值1.929 mg/kg）。Pb 的主要形态以残渣态为主，平均占比为40.08%，其次是Fe-Mn 氧化物结合态，平均值占比为21.40%，但是在ZD02 断面，XN01断面，XN02断面，XN03断面。Fe-Mn 氧化物结合态的含量均超过了残渣态，与铜的情况类似，占比分别为69.20%、61.38%、50.11%、44.69%。由于中都河以及西宁河均属于金沙江支流，河宽相对较窄，受到人类开发的程度较大，水体中有较多含量的沙粒与有机物，影响了中都河以及西宁河重金属形态的分布。总的来说，向家坝库区重金属Pb 的主要形态为残渣态，形态稳定，不易释放以及被植物吸收，具有较小的生物有效性，但不排除个别支流断面，存在潜在的生物有效性[7]。

4）从空间分布上来看，整个库区13 个断面中的Ni 形态分布较为相似，可氧化态占比最高，比例在21.62%～54.43%。Ni 常在有机反应中作催化剂，能与多种有机物发生螯合反应，这种性质可能是导致Ni形态分布的主要因素。说明库区沉积物中，有机物和部分黏粒对部分重金属Ni 有一定的吸附作用。也说明了向家坝库区各整体存在一定的有机污染物，可能是动植物排泄物及其代谢残体所导致的，一般而言此部分重金属一般来说较为稳定，不易释放，有着较小的生物有效性[8]。

5）Zn 和Cr 的主要形态为残渣态占比分别为58.48%和75.87%，这种形态的重金属大部分被束缚在硅酸盐矿物晶格中，这些重金属有着较弱的生物有效性和生物毒性，对环境污染的影响较小[9]。