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沙潁河表層沉積物中氮與重金屬的分布特征及污染評價

2018-03-28 07:31:00鮑錦磊
水資源保護(hù) 2018年2期
關(guān)鍵詞:沙潁河營養(yǎng)鹽表層

馬 培,鮑錦磊

(河南工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450000)

沉積物作為河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其進(jìn)入水體的大部分物質(zhì)沉積于底泥中,沉積物對污染物的累積作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水體,當(dāng)環(huán)境條件(如DO、氧化還原電位等)發(fā)生改變時,沉積物有可能成為河流重金屬和營養(yǎng)鹽的重要內(nèi)源,嚴(yán)重影響河流水質(zhì)[1-4]。因此研究河流沉積物中不同形態(tài)氮和重金屬的分布及污染狀況,對了解其對水體水質(zhì)的影響具有重要的意義。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大量河流被攔截筑壩,極大地改變了河流原有的生態(tài)系統(tǒng),勢必會對河流沉積物及重金屬等的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生極大影響[5-6]?;春恿饔蜷l壩眾多,人口密集,水污染嚴(yán)重[7],全流域已修建閘壩11 000 多座,總庫容303億m3,占多年平均徑流量的51%[8]。沙潁河作為淮河最大的支流,是淮河眾多支流中閘壩分布最密集、污染最嚴(yán)重的支流[9-10]。本文對沙潁河表層沉積物中氮的賦存形態(tài)及重金屬的分布進(jìn)行研究,探討氮的主要轉(zhuǎn)化機(jī)制及重金屬的來源,并就氮、重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價,以期為閘壩型水體的綜合治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況及評價方法

1.1 研究區(qū)域概況

表1 沉積物有機(jī)指數(shù)和ON評價標(biāo)準(zhǔn)

沙潁河是淮河第一大支流,發(fā)源于豫西伏牛山,跨河南、安徽兩省,流經(jīng)平頂山、漯河、許昌、周口、阜陽等40余市縣,在安徽省潁上縣匯入淮河,總長為624 km,流域面積約為4萬km2[11]。周口市以上為沙潁河上游,周口市至阜陽市為中游,阜陽市以下為下游。沙潁河上游支流眾多,主要的一級支流有沙河、潁河、賈魯河,中下游少有支流匯入[12]。流域內(nèi)有耕地212萬hm2,人口2 400萬人,有豐富的煤炭資源,是我國重要的能源基地。

1.2 樣品的采集及測定

采樣點(diǎn)設(shè)置在沙潁河、新鄭、賈魯河閘、周口、槐店、阜陽5個水文站點(diǎn),采樣點(diǎn)位置見圖1,采樣頻率為每月一次。2015年7—9月分別利用采水器采集表層30 cm處河水樣100 mL,并利用重力采泥器采集河底0~10 cm的表層沉積物。水樣裝于100 mL塑料瓶內(nèi),冷藏保存。沉積物樣品封裝于干凈塑封袋冷凍保存,每個沉積物樣品質(zhì)量均大于500 g。樣品當(dāng)日運(yùn)至室內(nèi)冷凍干燥后經(jīng)過篩分,取粒徑小于100目(0.25 mm)的備用。

圖1 沙潁河采樣點(diǎn)示意圖

1.3 評價方法

1.3.1 營養(yǎng)鹽評價方法

采用有機(jī)指數(shù)法評價沉積物的營養(yǎng)狀況,采用ON來判斷沉積物所受氮污染的程度,計算方法和評價方法如下(評價標(biāo)準(zhǔn)見表1)[15]:

Av=w(OC)w(ON)

(1)

其中

w(OC)=w(OM)/1.724

w(ON)=0.95w(TN)

式中:Av為有機(jī)指數(shù);w(OC)為有機(jī)碳質(zhì)量比;w(ON)為有機(jī)氮質(zhì)量比;w(OM)為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比。

1.3.2 重金屬污染評價方法

采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價沙潁河沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害,其表達(dá)式[16]為

(2)

其中

式中:IR為沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Eri為第i種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù);Ci為沉積物中第i種重金屬的實(shí)測值;Cni是土壤中第i種重金屬的背景值,本文采用河南省土壤重金屬背景值[16];Tri為第i種重金屬的毒性系數(shù);m為重金屬種類數(shù)。本文中Cd、Cu、Zn和As的毒性系數(shù)分別采用30、5、1和10[17-18],沙潁河沉積物中重金屬的潛在風(fēng)險采用表2所列標(biāo)準(zhǔn)評價。

表2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與污染程度的關(guān)系

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物中氮的形態(tài)分布

圖2 沙潁河表層沉積物氮的賦存形態(tài)

與國內(nèi)主要河湖相比較,沙潁河表層沉積物中TN的均值高于海河、遼河、鄱陽湖、太湖、巢湖、洪澤湖、天鵝湖、洞庭湖[19-26],僅低于長壽湖、天目湖[27-28],與烏梁素海、青海湖相當(dāng)[29-30],由此可見,沙潁河表層沉積物中TN含量處于較高水平。OM的含量與巢湖、洞庭湖相當(dāng)[23,26],處于中等水平,故沙潁河TN、OM的內(nèi)源負(fù)荷不容忽視。

2.2 水體中氮的污染特征

圖3 沙潁河水體中各種形態(tài)氮的分布

表3 水體、沉積物中不同形態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)Pearson相關(guān)性分析

注:*表示在0.05水平(雙尾檢測)上顯著相關(guān),**表示在0.01水平(雙尾檢測)上極顯著相關(guān)。

2.3 沉積物-水體氮的轉(zhuǎn)化機(jī)制分析

2.4 重金屬的空間分布

沙潁河各個采樣點(diǎn)中表層沉積物Zn質(zhì)量比最高,變化范圍148.5~165.5 mg/kg,平均質(zhì)量比為156.4 mg/kg,沉積物中(Zn)空間變化較小,具體見圖4(a)。4種重金屬中Cu的質(zhì)量比僅次于Zn,波動范圍是21.98~64.60 mg/kg,平均值為34.23 mg/kg,質(zhì)量比較Zn低了很多。Cd和As的質(zhì)量比分別為1.583~2.133 mg/kg(均值2.179 mg/kg)、1.527~2.416(均值1.907 mg/kg)。河南省土壤Cd、Cu、Zn和As的背景值分別是0.15 mg/kg、22 mg/kg、61.5 mg/kg和10 mg/kg[17],可以看出沙潁河沉積物中Cd、Cu和Zn的質(zhì)量比均超過了土壤背景值,特別是Cd,質(zhì)量比是背景值的10.56~19.78倍,僅有As的質(zhì)量比均小于土壤背景值。

(a) 表層沉積物

(b) 水體

表4 重金屬及沉積物中OM、TN的Pearson相關(guān)性分析

注:*表示在0.05水平(雙尾檢測)上顯著相關(guān),**表示在0.01水平(雙尾檢測)上極顯著相關(guān)。

沙潁河水體中重金屬的分布見圖4(b),從圖4(b)可知,4種重金屬中As的質(zhì)量濃度最高,波動范圍為0.010 7~0.015 0 mg/L,均值為0.012 9 mg/L,其次是Zn的質(zhì)量濃度,波動范圍是0.004 5~0.025 6 mg/L,均值為0.011 5 mg/L。Cu和Cd的質(zhì)量濃度較低,波動范圍分別為0.000 4~0.002 1 mg/L和0.000 1~0.000 4 mg/L,均值分別為0.001 1 mg/L和0.000 2 mg/L,4種重金屬的平均質(zhì)量濃度低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 沉積物中重金屬來源分析

從表4的Pearson相關(guān)性分析可以看出,水體中Cd和As極顯著相關(guān),Cu和Zn極顯著相關(guān);并且沉積物中Cu和Zn極顯著相關(guān),Cd和As也呈極顯著相關(guān),在土壤中這些元素也常常伴生,沉積物中重金屬的顯著相關(guān)性也一定程度上反映元素污染程度相近或者是同一污染源,這說明Cu和Zn,Cd和As可能有著相同的來源或者地化性質(zhì)[33-35]。

水體和沉積物之間,w(Cd)和ρ(Cd)極顯著相關(guān);w(Cu)和ρ(Cu)、ρ(Zn)極顯著相關(guān),w(Zn)和ρ(Cu)、ρ(TN)極顯著相關(guān),w(As)和ρ(Cd)、ρ(As)極顯著相關(guān)。沉積物與水體之間中重金屬的顯著相關(guān)性,表明沙潁河水體和沉積物之間物質(zhì)交換頻繁。兩者中Cd極顯著相關(guān),表明沉積物中Cd的一個重要來源是上覆水體Cd的沉積;沉積物中Zn和TN顯著相關(guān),表明沙潁河水體在受到Zn污染的過程中伴隨著氮污染的發(fā)生。

2.6 表層沉積物污染現(xiàn)狀評價

圖5展示了沙潁河沉積物的有機(jī)指數(shù)和ON質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。有機(jī)指數(shù)波動范圍是0.096 0~0.387 2,均值是0.242 1,可以看出沙潁河沉積物有機(jī)碳污染水平大部分采樣點(diǎn)處于Ⅱ級,新鄭污染水平則屬于Ⅲ級水平,有機(jī)質(zhì)污染處于尚清潔的程度。ON質(zhì)量百分?jǐn)?shù)波動范圍是0.103 1%~0.236 4%,均值為0.177 8%,除了阜陽外,其余采樣點(diǎn)的表層沉積物中ON污染水平處于Ⅳ級水平,污染較重。故沙潁河沉積物內(nèi)源氮對河流水質(zhì)存在潛在危害,控制沙潁河氮污染不僅要注意控制外源的輸入,內(nèi)源釋放也不容忽視。

圖5 沙潁河表層沉積物有機(jī)污染評價

表5給出了沙潁河表層沉積物4種重金屬潛在危害評價結(jié)果。由表5可見,沙潁河表層沉積物中Cd的污染最重,Eri大部分采樣點(diǎn)大于320,屬于極強(qiáng)污染,只有阜陽處于160~320,屬于很強(qiáng)污染。4個采樣點(diǎn)的Cu、Zn和As的Eri均小于40,屬于輕度污染的水平,各種金屬的生態(tài)風(fēng)險由大至小依次為Cd、Cu、Zn、As。從生態(tài)風(fēng)險指數(shù)IR來看,沙潁河4個采樣點(diǎn)的沉積物重金屬都處于強(qiáng)污染水平。其中周口水文站的IR大于600,屬于很強(qiáng)污染,其他站點(diǎn)的IR均大于300,屬于強(qiáng)污染。綜合來看,沙潁河表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險主要是由于Cd污染嚴(yán)重造成的,Cd對IR的貢獻(xiàn)率平均為97.22%。

表5 沙潁河表層沉積物重金屬潛在危害評價

注:*強(qiáng)污染;**極強(qiáng)污染。

3 結(jié) 論

b. 沉積物中Cd、Cu、Zn和As質(zhì)量比分別為1.583~3.533 mg/kg、21.98~64.60 mg/kg、148.5~165.5 mg/kg和1.527~2.416 mg/kg,除As外,Cd、Cu和Zn的質(zhì)量比均超過了背景值,特別是Cd,質(zhì)量比是背景值的10.56~19.78倍。

d. 沙潁河有機(jī)指數(shù)波動范圍是0.096 0~0.387 2,大部分采樣點(diǎn)處于Ⅱ級,有機(jī)質(zhì)污染較輕。有機(jī)氮波動范圍是0.103 1%~0.236 4%,大部分站點(diǎn)沉積物中ON污染水平處于Ⅳ級水平,有機(jī)氮的污染較重。

e. 潛在生態(tài)評價中重金屬Cd已經(jīng)達(dá)到了很強(qiáng)到極強(qiáng)的污染程度,其余重金屬污染污染較輕,重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(IR)表明沙潁河沉積物重金屬潛在風(fēng)險已經(jīng)到了很強(qiáng)到極強(qiáng)的水平,其中Cd對IR的貢獻(xiàn)最大,貢獻(xiàn)率達(dá)97.22%。

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