楊 勇，張 雷，陳 豪，鄭 軍

(黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003)

小浪底庫區(qū)深層淤積泥沙重金屬污染分析

楊 勇，張 雷，陳 豪，鄭 軍

(黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003)

為掌握小浪底庫區(qū)淤積泥沙重金屬污染情況，采用低擾動柱狀深層取樣設(shè)備，在小浪底庫區(qū)部分?jǐn)嗝骈_展現(xiàn)場取樣試驗，首次獲取了主河槽深層淤積泥沙樣品，分析了樣品中重金屬元素的含量及分布特征。采用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法，分析了小浪底庫區(qū)深層淤積泥沙的重金屬污染程度和潛在風(fēng)險程度。結(jié)果表明，重金屬含量從高到低排列為Cr(鉻)>Pd(鈀)>As(砷)>Cd(鎘)>Hg(汞)，小浪底庫區(qū)淤積泥沙重金屬含量具有隨著深度增加而增大的趨勢，大部分?jǐn)嗝嫣幱跓o污染狀態(tài)，但各監(jiān)測點的風(fēng)險程度多處于中等生態(tài)風(fēng)險。研究成果可為黃河水沙規(guī)律研究、黃河調(diào)水調(diào)沙和機械生態(tài)清淤等工作的開展提供重要基礎(chǔ)資料。

重金屬污染；深層取樣；淤積泥沙；小浪底庫區(qū)

0 引 言

黃河是世界上泥沙含量最高的河流，水少沙多，導(dǎo)致水庫有效庫容逐年減小，水庫使用壽命縮短。黃河干流泥沙主要來自山陜區(qū)間的黃土高原，其植被條件較差，暴雨侵蝕比較嚴(yán)重。當(dāng)黃河在蘭州以上流域發(fā)生洪水時泥沙含量并不大，而在山陜區(qū)間發(fā)生暴雨導(dǎo)致洪水時會攜帶大量泥沙流向下游，同時這也是小浪底庫區(qū)淤積泥沙的主要來源。進(jìn)入河流水體的重金屬污染物主要在水體沉積物(包括懸浮物和淤積泥沙)中富集，并通過水—沉積物交換作用在液相和固相之間遷移轉(zhuǎn)化。水體中的重金屬污染物不易溶解，會被水體中的沉積物所吸附，并隨水流一起運動，當(dāng)水流速度減小或沉積物負(fù)荷超過水流搬運能力時，攜帶重金屬污染物的沉積物會進(jìn)一步發(fā)生沉積，形成具有一定污染的淤積泥沙。當(dāng)淤積泥沙受到擾動或水體特性發(fā)生變化時，極有可能會引起淤積泥沙中重金屬污染物的釋放，形成“二次污染”。因此，只做水質(zhì)分析并不能全面評價庫區(qū)污染程度。特別是黃河每年均進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙試驗，更需要對河流庫區(qū)中的沉積物重金屬污染進(jìn)行深入研究，以全面掌握庫區(qū)污染程度。

近年來，國內(nèi)頻發(fā)河流湖泊水體重金屬污染事件。如2005年北江Cd(鎘)污染事件、2008年相繼發(fā)生了貴州獨山縣、湖南辰溪縣、廣西河池、云南陽宗海、河南大沙河等5起As(砷)污染事件等等；由此可見，重金屬污染已成為影響水體安全的突出問題。而小浪底庫區(qū)的水體作為十分重要的飲用、灌溉水源，其庫區(qū)水質(zhì)情況受到人民群眾以及相關(guān)部門的普遍關(guān)注[1]。目前，小浪底庫區(qū)已開展了廣泛的水體污染研究[2- 5]，但對庫區(qū)淤積泥沙的重金屬污染評價研究較少，特別是缺少針對庫區(qū)主槽深層淤積泥沙重金屬污染情況的研究。這主要是受庫區(qū)水下深層淤積泥沙取樣難度大、缺少深層淤積泥沙取樣設(shè)備等的影響，使得深層淤積泥沙重金屬污染情況的研究比較困難。

針對傳統(tǒng)取樣技術(shù)無法獲取庫區(qū)深層淤積泥沙的問題，黃河水利科學(xué)研究院首次研制出低擾動柱狀深層取樣設(shè)備[6]，該設(shè)備能夠采集到深層淤積泥沙樣品。利用該設(shè)備在小浪底庫區(qū)典型斷面開展了現(xiàn)場試驗，首次獲取了主河槽深層淤積泥沙樣品，通過對樣品的檢測及分析，得到了淤積泥沙中重金屬元素的含量及分布特征，探討了深層淤積泥沙的重金屬污染特性，評價了小浪底庫區(qū)淤積泥沙重金屬污染現(xiàn)狀，可為今后庫區(qū)乃至河道水沙規(guī)律研究提供重要的基礎(chǔ)資料。

1 庫區(qū)深層淤積泥沙樣品采集

1.1 深層取樣技術(shù)原理

借鑒深海沉積物保真取樣原理，改造并研制出基于重力式活塞技術(shù)的低擾動柱狀深層取樣設(shè)備。設(shè)備主要由導(dǎo)流裝置、觸發(fā)裝置、取樣裝置等部分組成。取樣操作過程：當(dāng)取樣船舶行到取樣斷面位置并拋錨固定，利用升降絞車將取樣器勻速放入水中；重錘觸底觸發(fā)釋放機構(gòu)釋放取樣裝置，使取樣裝置在自重作用下插入庫底淤積泥沙中；取樣器完成取樣并自動密封保證樣品完整；回收取樣器至船甲板，取出取樣襯管，并將含有樣品的襯管進(jìn)行密封保存[6]。

1.2 采樣點的分布與采集

小浪底水利樞紐是黃河上已修建的最大的水利樞紐工程，小浪底工程壩址位于黃河干流最后一個峽谷出口處，上距三門峽水利樞紐130 km，下距黃河花園口128 km，控制黃河92.3%的流域面積、90%的水量和近100%的泥沙。據(jù)《2012年黃河泥沙公報》，自1997年10月小浪底水庫截流以來，泥沙淤積主要發(fā)生在黃河38斷面以下的干、支流庫段，其淤積量占庫區(qū)淤積總量的95%。1997年～2012年的15年間，小浪底庫區(qū)共淤積27.625億m3。小浪底水庫在來水小于2 000 m3/s時，一般為蓄水?dāng)r沙運用，控制低壅水，提高排沙能力，攔粗沙排細(xì)沙；在來水大于2 000 m3/s時，一般為低壅水排沙和敞泄排沙，發(fā)揮下游河道大水輸大沙能力；對不利于下游防洪減淤的高含沙洪水，予以調(diào)節(jié)削減[7]。

2013年10月～11月，在小浪底庫區(qū)開展了現(xiàn)場取樣試驗。根據(jù)當(dāng)時水沙特性、水位深淺、船只操作安全等影響因素，選擇小浪底庫區(qū)黃河3～黃河50斷面之間的8個斷面和大峪河口1個斷面作為典型取樣斷面，小浪底庫區(qū)部分取樣斷面布置情況(見圖1)。每個取樣斷面獲取一定深度的淤積泥沙樣品，采樣點編號根據(jù)所取斷面編號進(jìn)行排序。在現(xiàn)場取樣過程中，每個斷面首先開展水下地形測量，分析水下地形現(xiàn)狀；通過分析比選，選擇地形較為平坦、水流變化較為穩(wěn)定的主槽位置作為取樣點，以利于提高取樣效率和成功率。

圖1 小浪底庫區(qū)部分取樣斷面布置

由于各斷面地形狀況、水沙特點等取樣工況不同，取樣管中取得樣品長度范圍在0.6 m～3.0 m之間，根據(jù)每個樣品自身長度(即取樣深度)，沿樣品長度間隔0.5 m取一個測驗點以保證試驗數(shù)據(jù)的代表性，分析淤積泥沙重金屬含量變化情況。

2 庫區(qū)淤積泥沙重金屬含量測定結(jié)果分析

2.1 分析方法

樣品由河南省巖石礦物測試中心分析，每個送檢樣品質(zhì)量不少于1 kg，淤積泥沙樣品經(jīng)自然風(fēng)干。利用淤積泥沙樣品分析的項目為Pd、Cd、Cr、As、Hg。樣品去除砂礫、石塊、草等異物，烘干至恒重，最后粉碎達(dá)200目篩后，在干燥器中存放備用。Pd、Cd、Cr含量用XSERIES2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定；As、Hg含量用AFS- 8330雙道原子熒光光度計測定。檢測依據(jù)為DD2005— 01《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》[8]測試過程中進(jìn)行重復(fù)樣和標(biāo)樣分析。所用的聚乙烯和玻璃容器在14%的硝酸溶液中浸泡24 h以上，并用去離子水沖洗后低溫烘干。

2.2 重金屬測定結(jié)果

小浪底庫區(qū)9個斷面所取淤積泥沙樣品中重金屬含量列于表1。

表1 小浪底庫區(qū)深層淤積泥沙中重金屬含量

樣品編號樣品深度/mPb/10-6g·g-1Cd/10-6g·g-1Cr/10-6g·g-1As/10-6g·g-1Hg/10-9g·g-1黃河3-0.50.520.30.1432.17.6325.47黃河3-1.01.022.50.1437.78.2127.89黃河3-1.51.525.50.1239.811.2024.33黃河3-2.02.024.80.1539.59.0130.10黃河3-2.52.560.80.2957.212.95258.49黃河12-0.50.533.80.1136.69.8164.13黃河12-1.01.031.30.0832.58.7560.34黃河16-0.50.527.90.1636.29.8164.26黃河16-1.01.031.30.0832.58.7560.34黃河23-0.50.519.60.0533.17.1122.16黃河34-0.50.530.00.1687.516.3669.80黃河36-0.50.529.80.1884.716.3269.34黃河38-0.50.545.40.2080.016.22135.87黃河50-0.50.523.90.1634.48.1930.53黃河50-1.01.018.90.1030.27.5624.46大峪河口-0.50.525.90.2238.49.2051.88大峪河口-1.01.029.90.1944.29.2889.53平均值28.80.1453.111.4360.19

注：平均值為黃河3～黃河50斷面深度0.5 m處各重金屬元素含量的平均值。

從表1可以看出，大部分測點間的元素含量相差較小，但是最高值和最低值相差較大。其中，相差最大的是Hg，其最大值是最小值的12倍；相差最小的是As，其最大值是最小值的2倍；其他3種元素的差值在3～6倍之間。從重金屬含量的絕對值來看，含量從高到低排列為Cr>Pd>As>Cd>Hg。同時，隨著深度增加，重金屬含量具有一定程度的增加。如黃河3斷面，但在監(jiān)測斷面12和50則不符合這個規(guī)律。這可能是采樣時間在黃河汛后，汛期易造成淤積泥沙的淤積和沖刷，這些條件為淤積泥沙中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件，特別是淺層淤積泥沙受到這些因素的影響更大；從而造成部分?jǐn)嗝鏈\層泥沙的重金屬含量略大于深層泥沙。

從沿程(上游至下游)來看，著重以0.5 m深度處樣品分析，大部分元素變化比較平緩。黃河38斷面的樣品Hg含量較高值，達(dá)到均值的2倍多。從Cr、As的分布可以看出，黃河34～黃河38斷面之間含量比均值大近2倍。分析其原因可能是此區(qū)間有含該3種元素的廢水排入，或者黃河支流板澗河、澗河的泥沙中Hg、Cr、As的含量較高，它們隨水流進(jìn)入該庫段沉積下來。其余斷面的淤積泥沙重金屬元素含量分布均勻，變化幅度不大(見圖2)。

圖2 黃河3斷面淤積泥沙樣品重金屬含量

從圖2可以看出，同一斷面位置，在所取樣品長度范圍內(nèi)重金屬含量沿深度方向有增大的趨勢，且除重金屬As之外，深度從2.0 m到2.5 m有個明顯增大的趨勢。該現(xiàn)象可能是由于重金屬污染物隨著泥沙的沉積固結(jié)作用、重力作用等，沿著淤積泥沙空隙逐漸往深層泥沙運移的緣故；同時，表層淤積泥沙易受到水流水力特性的影響，如黃河調(diào)水調(diào)沙試驗，從而給淤積泥沙中重金屬污染物的釋放創(chuàng)造了有利條件，也是淺層淤積泥沙中重金屬污染物含量較低的一個原因。從這些研究成果可以看出，研究庫區(qū)深層淤積泥沙的重金屬污染情況，可為對開展黃河調(diào)水調(diào)沙和機械生態(tài)清淤等試驗工作的開展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

3 污染程度評價

目前，國內(nèi)國內(nèi)外關(guān)于評價河流底泥中重金屬污染的方法有很多，主要包括：地質(zhì)累積指數(shù)法(index of geo-accumulation)[9]、污染負(fù)荷指數(shù)法(the pollution load index)[10]、潛在生態(tài)危害系數(shù)法(potential ecological index)[11]及臉譜圖集法(face-graph)[12]等。其中，地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法是目前使用較多且較成熟的重金屬污染評價方法。本文采用這兩種方法對淤積泥沙重金屬的污染程度和潛在風(fēng)險情況進(jìn)行了評價。

3.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)Igeo是一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)，是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所Muller教授提出的，已在歐洲廣泛應(yīng)用[9]。其公式為

Igeo=log2(Cn/1.5Bn)

(1)

式中，Cn是指元素n在沉積物中的實測含量；Bn是元素n在沉積巖中的地球化學(xué)背景值；1.5是表征成巖作用與背景值相互關(guān)系的常量。地質(zhì)累積指數(shù)分為7級，即0～6級[13]，表示污染程度由無至極強，具體情況見表2。

表2 地質(zhì)累積指數(shù)法污染程度分類等級情況

污染程度沉積物Igeo/g·g-1Igeo分級極強>56強-極強4～55強3～44中-強2～33中1～22無-中0～11無<00

注：背景值的選擇是計算Igeo值的關(guān)鍵，不同的背景值會對計算結(jié)果造成較大的差異。本研究中采用黃河流域河南段土壤元素背景值作為計算所需的背景值[14]，即：Pb為25.73g/g；Cd為0.17g/g；Cr為69.03g/g；As為11.32g/g；Hg為0.061g/g。

3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

1980年，瑞典科學(xué)家Hakanson提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法。該方法不僅考慮了重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起[11]。具體如下：

(2)

(3)

(4)

3.3 淤積泥沙重金屬污染程度及潛在風(fēng)險評價

根據(jù)小浪底庫區(qū)淤積泥沙中重金屬的含量(見表1)，結(jié)合式(1)～式(4)及3.1中的背景值以及重金屬污染程度分類等級和潛在生態(tài)風(fēng)險參數(shù)分類等級，對各斷面各重金屬元素的污染程度和潛在風(fēng)險程度進(jìn)行評價，具體評價結(jié)果見表3。

表3 小浪底庫區(qū)各監(jiān)測斷面淤積泥沙重金屬污染程度及
潛在風(fēng)險評價結(jié)果

樣品編號樣品深度/mIgeo評價污染等級PbCdCrAsHg潛在風(fēng)險評價結(jié)果RI黃河3-0.50.50000053黃河3-1.01.00000056黃河3-1.51.50000053黃河3-2.02.00000060黃河3-2.52.511002246黃河12-0.50.50000078黃河12-1.01.00000068黃河16-0.50.50000086黃河16-1.01.00000068黃河23-0.50.50000034黃河34-0.50.50000097黃河36-0.50.500000100黃河38-0.50.510001150黃河50-0.50.50000061黃河50-1.01.00000045大峪河口-0.50.50000087大峪河口-1.01.000000108

從表3中可以看出，根據(jù)Igeo評價結(jié)果，只有黃河3- 2.5處的Pb、Cd、Hg和黃河38- 0.5處的Pb、Hg存在的一定的污染。其中，黃河3- 2.5處的Hg的污染程度最大，為中污染程度，其余各監(jiān)測點均為無污染。根據(jù)潛在風(fēng)險危害指數(shù)法評價結(jié)果可知，各監(jiān)測點的風(fēng)險程度為低生態(tài)風(fēng)險～較高生態(tài)風(fēng)險，其中大部分監(jiān)測點處于中等風(fēng)險程度，潛在風(fēng)險評價結(jié)果最大值出現(xiàn)在黃河3- 2.5監(jiān)測點，為246，處于較高生態(tài)風(fēng)險程度；黃河38斷面的重金屬元素Pb和Hg的污染程度較高。其原因可能是，該斷面的上游有較多的礦石冶煉廠、金屬加工廠等企業(yè)，在生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生一定量的重金屬元素，而部分重金屬元素會通過面源或點源的形式進(jìn)入黃河，造成該斷面的污染程度較大。同時，從表3中可以看出，隨著深度增加重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險程度具有一定程度的增加，如黃河3斷面；但在監(jiān)測斷面12、16和50的生態(tài)風(fēng)險程度則不符合該規(guī)律，需進(jìn)一步開展相應(yīng)的重金屬遷移轉(zhuǎn)化機理研究。總之，小浪底庫區(qū)大部分典型斷面處于無污染狀態(tài)，但是具有一定的生態(tài)風(fēng)險，特別是深層淤積泥沙具有更大的污染程度和生態(tài)風(fēng)險程度，在機械清淤或生態(tài)清淤時則需要考慮淤積泥沙重金屬元素對生態(tài)環(huán)境的影響。

4 結(jié) 語

本次試驗利用低擾動柱狀深層取樣設(shè)備，在小浪底庫區(qū)首次獲取了主河槽深層淤積泥沙樣品，克服了傳統(tǒng)的取樣方式取樣深度淺、擾動大的缺點，取樣樣品長度可達(dá)3 m以上；在監(jiān)測各監(jiān)測點重金屬含量的基礎(chǔ)上，運用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對其污染和生態(tài)風(fēng)險程度進(jìn)行了評價。根據(jù)試驗監(jiān)測結(jié)果和評價分析結(jié)果可知：①檢測的各重金屬含量從高到低排列為Cr>Pd>As>Cd>Hg；②取樣深度范圍內(nèi)，隨著深度增加重金屬含量具有一定程度的增加；③小浪底庫區(qū)大部分典型斷面處于無污染狀態(tài)，而黃河3- 2.5取樣點的Hg元素污染程度最大，為中污染程度；④淤積泥沙重金屬污染物具有一定的生態(tài)風(fēng)險，其中最大的生態(tài)風(fēng)險程度出現(xiàn)在黃河3- 2.5取樣點；⑤部分?jǐn)嗝娴闹亟饘俸坎惶弦话阋?guī)律，需進(jìn)一步開展相應(yīng)的取樣試驗和重金屬遷移轉(zhuǎn)化機理研究。研究成果可為黃河水沙規(guī)律研究、黃河調(diào)水調(diào)沙和機械生態(tài)清淤等試驗工作的開展提供重要基礎(chǔ)資料。

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(責(zé)任編輯陳 萍)

Heavy Metal Pollution of Deep Sediment in Xiaolangdi Reservoir

YANG Yong, ZHANG Lei, CHEN Hao, ZHENG Jun

(Yellow River Institute of Hydraulic Research, YRCC, Zhengzhou 450003, Henan, China)

In order to understand the heavy metal pollution of sediment in Xiaolangdi Reservoir, the field samplings are carried out in the typical sections by using low disturbance columnar deep sampling equipment, and the deep sediment samples in main channel are obtained for the first time. The content of heavy metal elements and their distribution characteristics are analyzed. In order to analyze the heavy metal pollution degree and potential risk degree, the geological accumulation index method and potential ecological harm index method are used. The results show that the content of each tested metal occurred from high to low in the order of Cr > Pd > As > Cd > Hg and the heavy metal contents of sediment are increased with the increase of depth, and most sections are in the condition of non-pollution, but the level of risk for most monitoring point is in the moderate ecological risk. The research results will provide important basic data for water and sediment research and regulation and mechanical ecological dredging experiment in Yellow River．

heavy metal pollution; deep sampling; sediment; Xiaolangdi Reservoir

2014- 11- 25

水利部公益性行業(yè)科研專項(201301024)；中國保護黃河基金會資助項目(CYRF2013- 003)；科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(2013EG136205)

楊勇(1972—)，男，河南鶴壁人，教授級高工，博士，研究方向為水利量測及泥沙資源利用．

X524

A

0559- 9342(2015)12- 0005- 05