宿鸭湖水库沉积物重金属含量分析与评价

　　摘 要：为了解宿鸭湖水库库底沉积物中重金属污染水平，对沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg等8种重金属含量进行了研究，并采用地积累指数法、污染负荷指数法、沉积物质量基准法及潜在生态风险指数法进行了综合评价，结果表明：重金属在沉积物上部含量较高，且Cd、Hg在空间分布上差异较大;根据相关性分析，Ni、Cr、As、Pb、Zn之间以及Cd、Hg之间关系密切;Cd的地积累指数值较高，属于无污染到中污染;根据污染负荷指数法污染分级标准，所有采样点中有4个采样点为无污染，16个采样点为中等污染;根据沉积物质量基准法，Ni和As可能对水体产生不利影响;根据潜在生态风险指数法，宿鸭湖水库库底沉积物重金属整体处于轻微风险至中等风险，且主要受Hg和Cd的影响。

　　关键词：重金属;统计分析;地积累指数法;污染负荷指数法;沉积物质量基准法;潜在生态风险指数法;宿鸭湖水库

　　水庫库底沉积物作为水库水环境中重金属的主要蓄积库，可以反映水体受重金属污染的状况。同时，由于沉积物和水体中的重金属可以发生迁移和转化，因此库底沉积物兼具污染受体与污染源的双重属性[1]。水体中重金属经上游河道进入水库，在相对滞缓的水流条件下随悬浮物沉降进入沉积物;当水体受到扰动或化学环境发生变化时，沉积物中重金属又可以向水体扩散。因此，充分认识沉积物中重金属的污染状况和释放风险可以为水库污染防治提供依据。目前关于水库沉积物的研究主要是对沉积物进行采样并监测其重金属元素含量，进而获得重金属在整个库区范围内或某一位置不同深度处的空间分布特征[2-3]，基于相关性分析、主成分分析或聚类分析等统计分析方法获得各项重金属指标间的内在联系[4-5]，应用地积累指数法、潜在生态风险指数法等进行污染评价[6-7]。

　　宿鸭湖位于河南省驻马店市汝南县境内汝河干流，是一座以防洪为主，兼具灌溉、发电、养殖、旅游等功能的大(1)型平原水库。由于水库水面面积大、库床比降小等，因此水库库底泥沙淤积较为严重[8-9]。为充分发挥水库效益，改善水体环境，宿鸭湖水库清淤扩容工程已逐步展开，并作为河南省“四水同治”的十大水利工程之一。目前对宿鸭湖水库淤积方面的研究主要集中在淤积量估算以及淤积影响等方面，而对库底沉积物中重金属的研究相对较少。因此笔者以宿鸭湖水库库底沉积物中重金属为研究对象，对As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg等重金属含量进行分析，并采用地积累指数法、污染负荷指数法、沉积物质量基准法及潜在生态风险指数法等对其污染程度和潜在生态风险进行综合评价，以期为清淤过程中重金属的环境监测以及清出沉积物的合理利用提供指导。

　　1 样品采集与分析

　　宿鸭湖采样自北向南共选取5个断面，在每个断面上选取4个采样点，共计20个采样点，采样点位置见图1。根据前期勘察，宿鸭湖水库库底沉积物由浅至深包括3层：上层主要为淤泥，多含腐殖质和贝壳碎片等;中层主要为淤泥质粉质黏土，多呈软可塑状;下层主要为粉质黏土，多为灰黄色可塑状。因此，每个采样点分上、中、下3层分别进行取样。采用柱状采样器对沉积物进行采样，样品密封于聚乙烯袋中，低温保存运回实验室待测。As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等7种重金属含量采用ICP-MS(安捷伦，7700X型)测定，Hg含量采用全自动测汞仪(利曼，Hydra-c型)测定。

　　2 评价方法

　　2.1 地积累指数法

　　地积累指数法是德国学者Müller提出的一种定量评价沉积物中重金属污染程度的方法，该方法将实测重金属浓度与该重金属的区域土壤地球化学背景值进行对比，不仅考虑了重金属元素外界输入的影响，还考虑了其最初的背景值含量。地积累指数法计算公式[10]：

　　Igeo=lbCm1.5Bm(1)

　　式中：Igeo为地积累指数;Cm为淤积物中重金属m(m为重金属编号)的测定值;Bm为重金属m在该区域的土壤地球化学背景值。

　　2.2 污染负荷指数法

　　污染负荷指数(PLI)法是由Tomlinson提出的一種综合分析沉积物中重金属污染程度的计算方法，其计算公式为[11]

　　PLI=nCF1CF2…CFn(2)

　　式中：CFm(m=1，2，…，n;n为测定重金属的种类数量)为重金属m的污染指数，CFm=Cm/Bm。

　　污染负荷指数法污染分级标准：PLI<1属于无污染，13属于极强污染。

　　2.3 沉积物质量基准法

　　沉积物质量基准(简称SQG)用以评估重金属对水生生物的潜在生物毒性，常用指标包括效应低值(ERL)和效应中值(ERM)。沉积物质量基准法可以用来衡量多种重金属元素的混合生物毒性，计算公式[12]：

　　m-ERM-Q=∑Cm/ERMmn(3)

　　式中：m-ERM-Q为平均沉积物质量基准商;ERMm为重金属m的影响范围中值。

　　2.4 潜在生态风险指数法

　　潜在生态风险指数法于1980年由瑞典学者Hakanson提出，可以定量评估沉积物中重金属的潜在生态风险。潜在生态风险指数由实测重金属含量、重金属在研究区的土壤地球化学背景值以及毒理指数求得，该指标不仅可以反映单项重金属指标的毒理性质，还可以综合反映多种重金属指标的协同效应，其计算公式[13]：

　　RI=∑Erm=∑CFmTm=∑CmBmTm(4)

　　式中：RI为多种重金属综合潜在生态风险指数;Erm为单项重金属m的潜在生态风险指数;Tm为重金属m的生态毒性，根据已有研究，Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni所对应的生态毒性分别为5、2、1、5、30、10、40、5。

　　对于单项重金属m，Erm的潜在生态风险程度分级标准：Erm≤40属于轻微风险，40320属于极强风险。对于多种重金属的综合潜在生态风险指数RI，其分级标准：RI≤150属于轻微风险，1501 200属于极强风险。

　　3 结果与讨论

　　3.1 统计分析结果

　　为总体了解各重金属元素在库底不同深度的含量，计算其均值与变异系数，见表1，其中：均值是反映样本集中趋势的一项指标，而变异系数则可以反映其离散程度。

　　从上、中、下各部位重金属含量的平均值来看，除下部Pb、As含量略大于其中部含量外，其余各重金属含量皆为上部>中部>下部，因此主要对上部沉积物中的重金属指标进行分析。

　　变异系数可以反映数据的离散程度，当变异系数小于15%时为弱变异，当变异系数介于15%与35%之间时为中度变异，变异系数大于35%时为高度变异[14]。对比上、中、下各部位重金属的变异系数可知，中部Pb的变异系数小于15%，为弱变异;上部、下部Pb，以及上、中、下部Zn、Cu、Cr、Ni、As的变异系数均大于15%，为中度变异;Cd、Hg的变异系数均大于35%，为高度变异，说明Cd、Hg在库区范围内分布不均衡，不同部位含量差异相对较大。

　　由表1可知，上部沉积物中各重金属元素含量相对较高，同时在清淤扩容过程中，对该部位扰动也相对较大，为监测清淤扩容过程中沉积物中重金属向水体的扩散迁移情况，需对该层重金属指标进行重点监测并进行污染风险评价。重金属指标包括Cu、Cr、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni，为研究各重金属指标之间的联系并选择代表性的重金属元素进行评价，对其进行相关性分析，若重金属含量间相关性显著，则说明可能存在相同的来源。沉积物上部重金属元素间相关关系见表2，由表2可以看出，8种重金属指标可以分为3类：Ni、Cr、As、Pb和Zn这5项指标相关关系极为密切，其相关系数皆达到了0.9，其中Ni、Cr、As之间以及Zn、Pb之间更是达到了0.97，因此清淤扩容过程中，可选取其中的Ni或Cr等作为该类的代表性元素进行重点监测;Cd、Hg之间的相关关系也较为密切，其相关系数为0.804，因此污染风险评价中可二者择其一作为代表性指标重点关注;Cu与其他元素间相关关系皆较弱，相关系数均在0.65以下，因此该项指标需单独作为一类进行监测。

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