張桂芹王兆軍

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院山東濟南250101;2.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系北京100084;3.濟南市環(huán)境保護科學(xué)研究所山東濟南250014)

濟南地表水淺層沉積物中重金屬污染風(fēng)險評價

張桂芹1,2王兆軍3

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院山東濟南250101;2.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系北京100084;3.濟南市環(huán)境保護科學(xué)研究所山東濟南250014)

本文對2002～2008年濟南市地表水體表層沉積物樣品進行了重金屬元素分析,采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法進行了風(fēng)險評價。結(jié)果表明:砷、鎘和總鉻含量隨時間呈增加趨勢;銅和鉛呈趨于穩(wěn)定的趨勢;富集系數(shù)大小順序為Cd>Cr>As>Pb>Cu,就平均污染程度而言,所有被測重金屬元素富集系數(shù)均超過背景值。重金屬平均污染程度為中等生態(tài)危害。R I順序為:小清河>徒駭河>臥虎山水庫>大明湖>黃河>錦繡川水庫。說明流域內(nèi)工業(yè)和生活污染源的輸入是重金屬污染的重要來源。對強生態(tài)危害的小清河Cd污染應(yīng)引起高度重視,避免污染進一步加劇。

濟南市;地表水體;淺層沉積物;重金屬污染;潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量含重金屬及其化合物的廢棄物排入水中,造成水體重金屬污染。目前,重金屬污染已經(jīng)成為水環(huán)境污染評價的重要內(nèi)容[1]。重金屬元素是對生態(tài)環(huán)境造成極大危害的污染物,具有來源廣、殘毒時間長、易累積、污染后不易被發(fā)現(xiàn)并且難于修復(fù)等特征,對水生生物和人體健康有較大的負面影響,一般不能被生物降解,而往往參與食物鏈循環(huán)并最終在生物體內(nèi)積累,破壞生物體正常生理代謝活動,危害人體的健康[2]。另外,納入水體的重金屬大部分在物理沉淀、化學(xué)吸附等多重作用下可以迅速由水相轉(zhuǎn)入固相,因此水體沉積物成為了水體重金屬的累積庫[3],也是水環(huán)境重金屬污染的指示劑[4],能夠反映水系重金屬污染狀況[5]。所以對沉積物進行分析是追蹤地表水環(huán)境人為污染的一個重要手段。目前,對河流、湖泊等地表水體沉積物長期污染特征及重金屬危害風(fēng)險的研究較少[6]。

為了了解濟南市地表水體沉積物污染狀況,本文在長期、大量實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對濟南市地表水淺層沉積物中的重金屬含量與分布進行了研究,對污染的潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價,為今后合理利用地表水資源、加強污染防治提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集區(qū)域布設(shè)

研究區(qū)域選擇濟南市轄區(qū)內(nèi)6個主要的地表水體,包括黃河、小清河、徒駭河等3條河流,錦繡川水庫、臥虎山水庫等2座水庫以及大明湖,共布設(shè)9個淺層沉積物采樣點,分別為:黃河設(shè)置濼口1個點位,小清河設(shè)置睦里莊、還鄉(xiāng)店、大碼頭、辛豐莊等4個點位,徒駭河設(shè)置展家橋1個點位,錦繡川水庫、臥虎山水庫等2座水庫在庫中心各設(shè)置1個點位,大明湖設(shè)置歷下亭1個點位,這些點位分布于各水體的濟南市出入境口、部分污染源的排污口區(qū)域。

1.2 樣品的采集

2002～2008年,分別在每年的5月份中旬,對這6個水體選取的9個監(jiān)測點位進行沉積物采樣,主要采集0～10 cm的淺層沉積物進行Cr、As、Pb、Cd、Cu五種重金屬分析。

1.3 樣品前處理及分析

將采集到的沉積物樣品風(fēng)干,用玻璃棒壓碎,剔除石礫等雜質(zhì),混合均勻,再用瑪瑙研缽研細,過100目尼龍篩,裝入廣口聚乙烯塑料瓶中保存?zhèn)溆?。稱取2g樣品分成兩份,一份先經(jīng)HFHClO4除硅后,再用MARs5加壓微波消解后,采用美國Ther mo的I CP-MS測定Cu、Cd、Cr等重金屬含量;另一份相同質(zhì)量的樣品用水浴處理后,采用AFS-930儀器測定其As和Pb;所有分析方法同時做空白實驗。所用器皿均用稀HNO3處理,去離子水洗凈后烘干。

1.4 評價方法

采用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[7]進行重金屬生態(tài)危害評價。該方法是基于元素豐度和釋放能力的原則而提出的。計算公式為:

表1 沉積物中重金屬的參考值和毒性系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 淺層沉積物中重金屬的污染特征

(1)總量污染特征

2002～2008年濟南市地表水體淺層沉積物中重金屬平均含量及富集系數(shù)見表3。

由表3可以看出,濟南市地表水體5種重金屬元素含量的變化范圍均較大,其最大值和最小值之比分別為133.7、2405.4、41.3、320.0和30.9,其中As元素最為明顯,該比值達到了2405.4。變異系數(shù)(Cv)反映了采樣總體中各個采樣點之間的平均變異程度[8],除銅外,其余重金屬元素變異系數(shù)均超過0.5,特別是砷的變異系數(shù)超過1.0,Cr、As、Pb、Cd屬于強變異類型,表明濟南市地表水體表層沉積物中這4種元素含量的空間分布極不均勻,離散性相對較大。銅的空間變異系數(shù)相對較小,空間分布較均勻,在區(qū)域上的波動程度相對較小。富集系數(shù)大小順序為Cd>Cr>As>Pb>Cu,就平均污染程度而言,所有被測重金屬元素富集系數(shù)均超過背景值,Cd的污染程度最大,其平均值高出背景值4.78倍,最高值是背景值的21.27倍,其環(huán)境效應(yīng)不容忽視。

表2 潛在生態(tài)危害系(指)數(shù)評價等級表

表3 濟南市地表水體淺層沉積物中重金屬含量及富集系數(shù)

圖1 濟南市地表水體表層沉積物中重金屬元素空間分布

(2)沉積物中重金屬的空間分布特征

濟南市地表水淺層沉積物中的5種重金屬2002～2008年的平均濃度值如圖1所示。

由圖1可知,被測重金屬元素在濟南市不同地表水體淺層沉積物中含量不同。除As外,其他4種重金屬元素在空間分布上有著明顯的相似性,各重金屬元素的最高值均出現(xiàn)在小清河點位,As的高值主要出現(xiàn)在臥虎山水庫和小清河。原因是小清河受到濟南城區(qū)生活污水或工業(yè)廢水的影響較大。

(3)沉積物中重金屬的時間分布特征

2002～2008年濟南市地表水體淺層沉積物中重金屬分布具有明顯的時間差異性,見圖2。

由圖2可知,2002～2008年濟南市地表水體表層沉積物中重金屬元素含量隨時間變化趨勢不同:砷和鎘含量隨時間變化先增加后降低,然后再增加,從整體上來看,呈增加趨勢;銅和鉛變化趨勢基本一致,呈先增加后降低,最后趨于穩(wěn)定的趨勢;總鉻呈緩慢增加趨勢。

2.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

圖2 2002～2008年濟南市地表水體表層沉積物中重金屬元素時間分布

表4 濟南市地表水淺層沉積物中重金屬元素生態(tài)危害評價

依據(jù)Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[8]對濟南市各地表水體淺層沉積物中的重金屬進行生態(tài)危害評價,結(jié)果見表4。由表4可知,除鎘外,其余各種單體重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)均遠小于40,屬于輕微生態(tài)危害范疇。而潛在生態(tài)危害指數(shù)R I錦繡川水庫小于150,屬于低度生態(tài)風(fēng)險,小清河的R I大于300,屬于強生態(tài)風(fēng)險,其余水體R I介于150～300之間,屬于中等生態(tài)風(fēng)險。從平均生態(tài)危害程度來說,濟南市各地表水體淺層沉積物中重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)平均生態(tài)危害程度為中等生態(tài)危害,5種重金屬危害系數(shù)順序為:Cd

>As>Cu>Pb>Cr。而平均富集系數(shù)為Cd>Cr

>Cu>Pb>As,潛在生態(tài)危害系數(shù)大小順序與各重金屬的富集系數(shù)的排序不一致。從上述分析可以看出,不論是以單個重金屬的生態(tài)危害系數(shù)看,還是從多個重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)看,污染最嚴重的是小清河表層沉積物,主要重金屬污染物是Cd,因此對強生態(tài)危害的小清河Cd污染應(yīng)引起高度重視,避免污染進一步加劇。

3 結(jié)論

(1)2002～2008年,濟南市地表水體表層沉積物的重金屬元素含量的變化范圍較大,其中As元素含量最大值和最小值之比高達2405.4。除銅外,Cr、As、Pb、Cd元素變異系數(shù)均超過0.5,特別是砷的變異系數(shù)超過1.0,屬于強變異類型,表明濟南市地表水體表層沉積物中這4種元素含量的空間分布極不均勻,離散性相對較大。銅的空間變異系數(shù)相對較小,在區(qū)域上的波動程度相對較小。被測重金屬元素在濟南市不同地表水體淺層沉積物中含量不同,除As外,其他4種重金屬元素的最高值均出現(xiàn)在小清河點位,As的高值主要出現(xiàn)在臥虎山水庫和小清河。原因是小清河受到濟南城區(qū)生活污水或工業(yè)廢水的影響較大。濟南市地表水體表層沉積物中重金屬元素含量隨時間變化趨勢不同:砷、鎘和總鉻含量隨時間呈增加趨勢;銅和鉛呈趨于穩(wěn)定的趨勢。

(2)濟南市地表水體表層沉積物中重金屬元素富集系數(shù)大小順序為Cd>Cr>As>Pb>Cu,就平均污染程度而言,所有被測重金屬元素富集系數(shù)均超過背景值,Cd的污染程度最大,其平均值高出背景值4.78倍,最高值是背景值的21.27倍,其環(huán)境效應(yīng)不容忽視。

(3)濟南市各地表水淺層沉積物中重金屬平均污染程度為中等生態(tài)危害。5種重金屬元素生態(tài)危害系數(shù)順序為:Cd>As>Cu>Pb>Cr,Cd的污染危害程度最大,總鉻的污染危害程度最小,與各重金屬的平均富集系數(shù)排序不一致。濟南市地表水體重金屬R I順序為:小清河>徒駭河>臥虎山水庫>大明湖>黃河>錦繡川水庫。說明流域內(nèi)工業(yè)和生活污染源的輸入是重金屬污染的重要來源。因此強生態(tài)危害的小清河Cd污染應(yīng)引起高度重視,避免污染進一步加劇。

(4)建議對相應(yīng)采樣點位的上覆水中重金屬元素的污染特征進行深入調(diào)查和研究。

[1]李軍,張原,龔香宜等.福建省興化灣表層沉積物中重金屬污染與評價[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008(1):125～128.

[2]Tang DG,KentWW,Peter HS.Distribution and partitioning of tracemetals(Cd,Cu,Ni,Pb,Zn)in Galveston Baywaters[J].Marine Chemistry,2002,78(5):29～45.

[3]劉紅磊,尹澄清.城市湖泊表層沉積物中的重金屬污染現(xiàn)狀及其穩(wěn)定度分析-以武漢墨水湖為例[J].生態(tài)毒理學(xué)報,2007,2(2):214～219.

[4]Wojciech Tylmann.Lithological and geochemical record of anthropogenic changes in recent sediments of a s mall and shallowlake(Lake Pusty Staw,northern Poland)[J].Journalof Paleolimnology,2005,33:313～325.

[5]簡敏菲,游海,倪才英.鄱陽湖饒河段重金屬污染水平與遷移特性[J].湖泊科學(xué),2006,18(2):127～133.

[6]Yalcinm G,Narin I,Soylak M.Multivariate analysis of heavy metal contents of sediments from gumusler creek,nigde,turkey[J].Environ.Geology,2008,54(9):1155～1163.

[7]HakansonL.Anecological risk index for aquatic pollution control a sedimentological approach[J].Water Research,1980,14:975～1001.

[8]彭士濤,胡焱弟,白志鵬等.渤海灣底質(zhì)重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險評價[J].水道河口,2009(2):57～60.

X52

A

1673-288X(2010)05-0040-05

山東省自然科學(xué)基金項目(Z2008E04);山東建筑大學(xué)博士基金項目(XNBS0920)。

張桂芹(1969—),女,山東肥城人,博士后,主要研究方向為環(huán)境生態(tài)與環(huán)境污染治理。