嵩明县上游水库沉积物重金属污染特征及生态风险评估

王燕萍 杨艳 邵智 段玲玲 孙晓能 李昕悦 熊健

收稿日期：2023-07-03

基金项目：长江生态环境保护修复城市（昆明市）驻点跟踪研究项目（NO.2022-LHYJ-02-0511-01）。

作者简介：王燕萍（1990-），女，硕士，工程师，研究方向：环境与健康风险。

通信作者：杨艳（1983-），女，硕士，高级工程师，研究方向：水生态环境监测与风险评估。

摘 要：以嵩明县上游水库沉积物为研究对象，解析水库库尾、库中及闸坝不同区域沉积物 8种重金属（Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、As、Cd、Hg）的空间分布特征，并运用地累积指数法、潜在生态风险指数法、对重金属的污染特征和生态风险等级进行评估。结果表明：①Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pb、Hg在上游水库沉积物中呈现不同程度的积累，平均含量分别是背景值的2.14、1.73、1.41、7.57、3.56、1.06、1.90倍，其中Cd的积累最为严重，主要来源于Cd的地球化学性质及农业活动，Hg、Zn、Cr、Ni具有相同来源的可能性较大，来源既有交通也存在工业；②从空间分布看，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Hg含量分布为库尾＞库中＞闸坝，Cd为库中＞闸坝＞库尾，且Cd在库中和闸坝的含量明显高于库尾；③地累积指数表明，Cd是最主要的污染因子，上游水库沉积物中Cd处于中度-重度污染，Ni为中度污染，Cu、Hg、Zn为轻度-中度污染。从潜在生态风险指数来看，Cd在库中和闸坝表现为较强生态风险，在库尾为强生态风险，Hg在库尾为强生态风险，在库中和闸坝为中度生态风险，Cd对RI的贡献最大，达到65.16%，Hg次之，为22.42%。

关键词：上游水库；沉积物；重金属；污染程度；生态风险指数

中图分类号：X82文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）03-00-06

0 引言

重金属普遍存在于环境中，具有难降解、生物富集、高稳定性以及毒性等特点，对水库中的水生生物产生较大的生态危害性，并且重金属元素通过食物链累积，严重威胁人体健康[1， 2]。水库沉积物作为水环境中重金属的主要富集地，承担着“源—汇转换的功能”，沉积物可以吸附水体中的重金属，降低水质污染程度，当水环境条件发生变化时，沉积物中的重金属元素可能会重新迁移释放出来，导致上覆水体的“二次污染”[3， 4]。

近年来，随着人类活动的不断增强，工业、农业和交通污染物排放量的增加，重金属在水体和沉积物中的污染逐渐加重。李贝等[5]对滇池重金属的潜在健康风险进行了评估，研究表明，自

20世纪70年代以来，滇池沉积物重金属含量增加显著，且多数表层沉积物重金属含量高于当地土壤背景值。刘勇等[6]研究认为滇池流域内工农业发展及污染物输入是造成金属元素含量累积的主要因素。白广一等[7]研究了抚仙湖沉积物重金属累积时空变化与污染，揭示了抚仙湖沉积物重金属的历史变化与人类活动密切相关，且Cd是抚仙湖中最典型的污染元素。蔡艳洁等[8]通过研究阳宗海沉积物重金属污染时空特征及潜在生态风险，结果表明Cd和As是阳宗海中最主要的生态风险贡献因子。姜会敏等[9]收集我国湖泊重金属文献报道，选取了翻阳湖、洞庭湖、巢湖、博斯腾湖、滇池、彭泽胡、洞庭湖为研究对象，综合分析重金属来源及生态风险，研究结果表明，博斯腾湖和青海湖的重金属污染程度最低，滇池污染程度最高，工业和农业的混合污染是湖泊重金属的主要来源，且Cd的单项潜在生态风险指数最高。云南省分布有中国断裂构造典型九大高原湖泊，是重要的生态系统，目前省内对湖泊沉积物重金属的研究较多，但对水库沉积物重金属的相关研究，至今鲜少报道。水库作为一种半自然半人工水体，兼具防洪、供水、发电以及调节环境的作用[10]，水库沉积物重金属污染风险研究对保障水库供水安全具有十分重要的意义。

嵩明县上游水库既是嵩明县以防洪、灌溉为主的综合利用型水库，也是嵩明县的饮用水备用水源，水库于1958年投入运行至今已有65年，水库底泥长时间的沉积，存在重金属污染的潜在风险。目前，尚无关于上游水库水体和沉积物重金属方面的研究，因此，本文以嵩明县上游水库沉积物柱状样品为研究对象，分析Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、As、Cd、Hg 8种重金属元素的污染特征，运用地累积指数、潜在生态风险指数对其生态风险进行评估，以期为上游水库水体及沉积物中重金属污染防治提供理论依据，为水库环境保护及合理开发利用提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 上游水库概况

嵩明县上游水库（简称“上游水库”）位于昆明市嵩明县东北部，牛栏江—滇池补水水源保护区内，坐落于牛栏江一级支流果马河上，主要拦蓄果马河水而成。地处东经103°05′28″，北纬25°23′44″，于1957年11月动工兴建，1958年

4月投入运行，是一座以防洪、灌溉为主的中型水库[11]。上游水库控制流域面积213.5 km2，总库容2912万m3，是嵩明县饮用水备用水源。

1.2 沉积物采集与重金属分析

本研究在上游水库库尾、库中、闸坝布设了3个采样点，并于2022年5月利用柱状采样器在

3个采样点进行了样品采集（采样点位见图1）。采集的样品带回实验室处理后，用原子荧光光度计（AFS-933）测定Hg 、As元素，火焰原子吸收分光光度计（SP-3530AA）测定Pb元素，石墨炉原子吸收分光光度计（SP-3887ZAA）测定Cd元素，火焰原子吸收分光光度计（SP-3530AA）测定Cu、Zn、Ni、Cr元素的含量。重金属元素在测定过程中，为了质量控制，进行了空白、平行样及加标回收率的测试，测试结果满足质量控制要求。

1.3 沉积物重金属污染评价方法

1.3.1 地累积指数法（Igeo）

地累积指数法（Igeo）是由Muller[12]提出用于评价重金属污染累积程度的方法。计算公式见式（1）。

（1）

式中：Ci—沉积物样品中重金属i的实测含量；K—不同地区岩石地质差异而取的修正系数，一般取值为1.5；Bi—重金属i的环境背景值（云南土壤重金属背景值[13]

为：Zn=89.7 mg/kg，Cu=46.3 mg/kg、Cr=65.2 mg/kg、

Ni=12.5 mg/kg、Pb=40.6 mg/kg、As=18.4 mg/kg、

Cd=0.218 mg/kg、Hg=0.058 mg/kg）。

1.3.2 潜在生态风险指数（PERI）

1980年，由瑞典学者Hakanson[14]提出的潜在生态风险指数（PERI），对沉积物中重金属的含量、种类、毒性水平以及区域受重金属污染的敏感性进行了综合考虑。计算公式见式（2）、（3）。

（2）

（3）

式中：Eir—重金属i的潜在生态风险系数；T ir—重金属i的毒性系数（其中：Zn=1，Cu=5、Cr=2、Ni=5、Pb=5、As=10、Cd=30、Hg=40）；C ir—重金属i的污染系数；C iS—重金属i的实测值；C in—重金属i的背景值；RI—综合潜在生态危害指数。

2 结果与讨论

2.1 沉积物重金属含量及空间分布特征

表3为上游水库不同采样区域沉积物重金属含量及均值。重金属含量平均值由大到小依次为：Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞As＞Cd＞Hg。各种重金属平均含量与云南省土壤背景值相比，重金属As的含量低于背景值，其它7种重金属（Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pb、Hg）的平均含量高于其背景值，分别为背景值的2.14、1.73、1.41、7.57、3.56、1.06、1.90倍。表明这7种重金属在水库沉积物中均呈现一定的积累，其中重金属Cd的平均含量为1.65 mg/kg，是背景值的7.57倍，显著高于云南省土壤背景值，说明Cd的积累最为严重。

从重金属含量空间分布上显示，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Hg 6种重金属的含量分布趋势基本一致，均显示为库尾含量最高、库中次之，闸坝处最低，其中Zn和Cr库尾的含量远高于库中和闸坝。上游水库主要拦蓄果马河水而成，河水经库尾汇入，沉积物随果马河水进入水库，并在库尾淤积，少部分沉积物随水体的流动进入库中和闸坝，因此沉积物中Zn和Cr由上游河道汇入的可能性较大。As在不同空间区域沉积物中的含量差别较小。Cd含量为库中（2.23 mg/kg）＞闸坝

（2.12 mg/kg）＞库尾（0.61 mg/kg），Cd在库中和闸坝处的含量明显高于库尾，说明上游水库沉积物中的重金属Cd与Zn、Cr很可能存在不同的来源。

与国内其它湖库沉积物重金属含量相比（表4），本研究中Cu、Cr、Cd和Ni 的平均含量偏高，其中Cu与阳宗海（97.6 mg/kg）相近，小于滇池外海（197 mg/kg），但高于其它水库，Cr低于高州水库（96.63 mg/kg）和阳宗海（145.8 mg/kg），高于其它湖库，Ni含量与长寿湖水库（43.79 mg/kg）

相当，低于阳宗海（55.1 mg/kg），高于其它水库，Cd平均含量高于其它湖库；Zn、Pb、Hg、As含量处于中等水平，其中，Zn、Pb、Hg、As的含量分别介于73.18～306.98 mg/kg、26.02～166.31 mg/kg、

0.05～0.21 mg/kg、7.96～48.15 mg/kg。通过对比可以得出，上游水库沉积物中重金属Cd存在积累现象。

2.2 沉积物重金属污染程度及生态风险水平

2.2.1 重金属污染程度分析

运用地累积指数法（Igeo）对上游水库沉积物中重金属污染程度进行评估。从整体上看（图2），上游水库沉积物中8种重金属平均Igeo值依次为：Cd＞Ni＞Cu＞Hg＞Zn＞Cr＞Pb＞As。其中Cu、Zn、Cd、Ni、Hg平均Igeo值＞0，说明上游水库整体受到Cd、Ni、Cu、Hg、Zn 5种重金属的污染，其中Cd的污染程度最高、达到了中度—重度污染，Ni污染次之，表现为中度污染，Cu、Hg、Zn为轻度-中度污染，表明水库沉积物中Cd的污染最为严重。Cr、Pb、As的Igeo值＜0，表明并未受到污染。

上游水库沉积物重金属含量空间分布Igeo值显示（图2），库尾Ni呈现中度污染水平，Cu、Zn、Cr、Hg为轻度-中度污染水平，Pb和As未受到污染；Cd在库中为中度-重度污染，Ni为中度污染，Cu、Zn、Hg为轻度-中度污染，Cr、Pb、As均未受到污染；闸坝处Cd为中度-重度污染，Cu、Zn、Ni为轻度-中度污染，Cr、Pb、Hg、As未受到污染。

2.2.2 重金属生态风险评估

通过潜在生态风险指数（PERI）对上游水库沉积物重金属生态风险进行评估，由图3可知，重金属Cd在库中和闸坝表现出较强的生态风险，在库尾显示强生态风险，Hg在库尾为强生态风险，在库中和闸坝表现为中度风险，其余6种重金属均显示轻度生态风险。因此在本研究中，Cd是最主要的生态风险贡献因子，Hg次之，这与Cd和Hg的毒性系数较高有关，也可能存在人为原因。

上游水库RI均值为348.48，处于强生态风险水平，不同采样点RI值分别为249.37（库尾）、412.40（库中）、383.66（闸坝），闸坝和库中表现为强风险水平，库尾为中度风险水平。根据对上游水库库尾、库中、闸坝不同区域沉积物重金属潜在生态风险数据进行统计分析，得到不同金属元素对各区域RI的贡献率，如图4所示，闸坝、库中RI中重金属Cd为主要贡献因子，占比分别为75.86%、74.34%，库尾RI中主要贡献因子为重金属Hg，占比为46.74%，Cd次之，占比为33.52%，三个区域贡献值最低为Zn，分别为0.42%、0.40%、0.77%。

重金属污染程度与潜在生态风险之间整体表现为正反馈效应[20]，本研究中Igeo值显示Cd的污染程度最高，达到了中度-重度污染，Hg为轻度-中度污染，而PERI评估表明Cd是最主要的生态风险贡献因子，其对RI的贡献值达到65.16%，Hg是仅次Cd的生态风险贡献因子，其对RI的贡献值达到22.42%。通过污染负荷评价沉积物重金属污染程度与潜在生态风险程度基本一致。

2.3 沉积物重金属来源分析

相关性分析能够衡量变量之间的密切程度，如果重金属含量之间存在显著相关性，则说明重金属之间可能存在相同的来源[15]。利用SPSS19.0计算上游水库沉积物重金属pearson相关性（表5），

结果表明，Hg与Zn、Cr、Ni极显著正相关，说明它们具有相同来源的可能性较大，Cd与Zn、Cr、Ni、Hg呈极显著负相关，与Pb呈显著负相关，说明Cd与这5种重金属可能具有不同的来源。

上游水库沉积物中Cd的含量是云南省土壤背景值的7.57倍，积累较为严重。Cd在上游水库沉积物中的富集有人为原因也有自然因素。国内外均有研究表明，耕地有机肥、农药、农家肥的大量施用会带来土壤Cd污染风险[21-23]，此外，嵩明县境内地质以碳酸盐岩层为主，碳酸盐对Cd具有较强的吸附能力，碳酸盐岩风化成土以及Cd的地球化学性质（Cd与Ca有相似的离子半径，因此Cd易于碳酸盐形成沉淀），很容易导致Cd的相对富集[2， 24-27]，

并随地表径流等自然搬运过程进入湖库。上游水库上部多属山地，下部多为农田，上游水库流域降水丰沛，属于暴雨中心地带[11]，因此，雨水的冲刷容易使山地和农田中富集的Cd进入水库。

上游水库周边交通便捷，分布有高速公路、国道以及乡镇道路，汽车磨损、尾气排放以及汽车润滑油腐蚀会带来大量的Zn、Cr、Ni[28]，此外，果马河上游寻甸县有工业分布，工业锅炉会产生Hg、Cr及其化合物。因此，上游水库沉积物重金属Zn、Cr、Ni、Hg的污染既有交通源，也存在工业源。

3 结论

（1）上游水库沉积物重金属呈现不同程度的积累，8种重金属中有7种（Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pb、Hg）的平均含量高于背景值，分别是背景值的2.14、1.73、1.41、7.57、3.56、1.06、1.90倍，其中Cd的积累最为严重。

（2）从空间分布看，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Hg从库尾至库中到闸坝呈现逐渐下降的趋势，且Zn和Cr库尾的含量远高于库中和闸坝，

Cd为库中最高，闸坝次之，库尾最低，Cd在库中和闸坝处的含量明显高于库尾。

（3）上游水库Zn、Cu、Ni、Cd、Hg均存在不同程度的污染，其中Cd表现为中度-重度污染，Ni为中度污染，Cu、Hg、Zn为轻度-中度污染。潜在生态风险等级主要为，Cd在库中和闸坝为较强生态风险，在库尾为强生态风险，Hg在库尾为强生态风险，在库中和闸坝为中度生态风险，其余6种重金属均为轻度生态风险。Cd对RI的贡献最大，达到65.16%，Hg次之，为22.42%。

（4）Hg、Zn、Cr、Ni存在极显著相关性，具有相同来源的可能性较大，污染来源既有交通也存在工业，Cd与其它重金属呈极显著负相关，可能存在不同的来源，主要来源于Cd的地球化学性质及农业活动中有机肥、农药、农家肥的施用。

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Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in the Sediments of Shangyou Reservoir in Songming County

WANG Yan-ping， YANG Yan， SHAO Zhi， DUAN Ling-ling， SUN Xiao-neng， LI Xin-yue， XIONG Jian

（Kunming Research Academy of Eco-Environmental Sciences， Kunming Yunnan 650032，China）

Abstract： Taking the sediments of Shangyou reservoir of Songming County as the research object， the spatial distribution characteristics of eight heavy metals （Zn， Cu， Cr， Ni， Pb， As， Cd， Hg） in different areas of the reservoir tail， reservoir and lock dam were analyzed， and the pollution characteristics and ecological risk level of heavy metals were evaluated using the ground accumulation index method and potential ecological risk index method. The results showed that： Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pband Hg indicated different degrees of accumulation in the reservoir sediments， and the average content were 2.14， 1.73， 1.41， 7.57， 3.56， 1.06 and 1.90 times of the background value， respectively， among which the accumulation of Cd was the most serious， mainly from the geochemical properties of Cd and agricultural activities， and Hg， Zn， Cr and Ni were more likely to have the same source， and the sources were both from transportation and industry. From the spatial distribution， the content distribution of Cu， Zn， Cr， Ni， Pb and Hg was the reservoir tail > the reservoir > dam， Cd was the reservoir > lock dam > reservoir tail， and the content of Cd in the reservoir and lock dam was significantly higher than that in the reservoir and lock dam. The ground accumulation index showed that Cd was the most important pollution factor， and Cd was moderate-severely polluted in the sediments， Ni was moderately polluted， and Cu， Hg and Zn were mild-moderate pollution. From the perspective of potential ecological risk index， Cd showed strong ecological risk in reservoir and lock dam， strong ecological risk in reservoir tail， strong ecological risk in reservoir and dam， and moderate ecological risk in reservoir and lock dam， Cd contributed the most to RI， reaching 65.16%， followed by Hg with 22.42%.

Key words： Shangyou reservoir; sediment; heavy metal; the degree of contamination; ecological risk index