南四湖不同湖區(qū)底泥重金屬空間分布特征

南四湖不同湖區(qū)底泥重金屬空間分布特征

湖底泥記錄了湖泊環(huán)境變化的豐富信息，其中重金屬反映了流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對湖泊環(huán)境的影響。因而通過對湖泊底泥的研究,可以評價人類活動產(chǎn)生的污染物對湖泊環(huán)境的影響(Swain,1992)。南四湖位于山東省西南部(34°27′N~35°20′N,116°34′E~117°21′E),為南陽、獨山、昭陽和微山四個相互連貫的湖泊總稱。湖泊呈西北-東南向延伸,湖西平原廣闊,地勢平緩,是黃河和廢棄黃河間的黃泛地區(qū);湖東平原狹窄,部分地區(qū)泰沂山脈已臨近湖岸。該湖總面積1266km2,流域面積30453km2,平均水深1.46m。自1960年在湖腰處建成二級湖閘后,把南四湖分成上、下級湖,湖閘北為上級湖,注入河流29條,集流面積26934km2,占總集流面積的88.4%。本文通過對南四湖上級湖中南陽湖、獨山湖和昭陽湖3個湖區(qū)采取的20個表層底泥樣品中的重金屬元素分析,結(jié)合調(diào)查和器測資料,闡述表層底泥中重金屬在空間分布上的差異;識別湖區(qū)重金屬污染的重點區(qū)域,分析其可能的污染來源。由此為南水北調(diào)東線南四湖段湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的整治與改善提供參考。1樣本和方法1.1實驗樣品和測試方法利用重力采樣器采集樣品。1~4號點位于昭陽湖區(qū),5~13號點位于獨山湖區(qū)內(nèi),14~20號點位于南陽湖區(qū)內(nèi)(圖1)。采取底泥表層1cm厚的樣品,置于密封的塑料袋中,帶回實驗室在4℃的冷藏室內(nèi)冷藏以備分析測試。由于南四湖湖盆本身為洼地被黃河泛濫的泥沙淤塞而成(郭永盛,1990;沈吉,2000),因此在本研究中采用黃河干流沉積物的地球化學基礎(chǔ)資料(趙一陽,1992;張朝生,1998)作為研究湖區(qū)沉積底泥的環(huán)境背景值。1.2微波消解系統(tǒng)用于測定元素的樣品在實驗室里自然風干后,在55℃的溫度下烘干,經(jīng)磨細<100目,在Berghofmws-3微波消解系統(tǒng)中反應(yīng),最后將溶液定容25mL。作為檢查化學分析的可靠性,將商檢合格的標準參考材料同樣品一起測試,分析結(jié)果系統(tǒng)地與被鑒定的總值相吻合。以上樣品在中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊沉積與環(huán)境開放實驗室用ICP-AES方法測定。Hg和As由中國科學院南京土壤研究所分析測試中心采用HG-AFS原子熒光光譜儀測定。2結(jié)果與分析2.1銅、鎂、鋅、鐵的組成中分布表1給出了表層底泥重金屬和營養(yǎng)元素的濃度,由表可以看出,表層底泥里不同重金屬元素濃度值有一個很寬的范圍(4~5個數(shù)量級),例如,汞的濃度為0.026~0.563mg/kg,鐵的濃度則達到18128~46777mg/kg。對區(qū)域環(huán)境而言,表層底泥中含1mg/kg的汞,其危害性大于含10000mg/kg的鐵。汞、砷、鉛、鈷可以描述為低濃度元素(0.01~20mg/kg);鉻、銅、鎳、釩、鋅組成中間一組(20~100mg/kg);鐵、錳、鎂、鍶、鈦組成濃度相對高的一組(100mg/kg以上)。從總平均值上看,汞、砷、鉛、銅、釩、鋅、鍶的平均值均高于環(huán)境背景值,鎳的平均含量與環(huán)境背景值相近,而鉻平均含量則小于環(huán)境背景值。盡管與表1中的其它元素相比,汞、砷、鉛的濃度較低,但與其背景值(汞0.015mg/kg、砷7.5mg/kg、鉛15mg/kg)相比,汞、砷、鉛均有相當程度的富集。汞、砷、鉛在表層沉積物與環(huán)境背景值中濃度比值(富集系數(shù))分別為:1.7,1.1,1.0倍以上(表1),由于汞、砷、鉛等是生物毒性顯著的元素,其含量的增高,意味著環(huán)湖居民生活環(huán)境的惡化。特別是南陽湖中汞的含量特別高,平均值為0.121mg/kg,高出環(huán)境背景值近8倍,最大值高出11倍;汞在獨山湖中的平均值為0.074mg/kg,高出環(huán)境背景值近5倍,在昭陽湖中的濃度最低,平均值為0.043mg/kg,高出環(huán)境背景值約3倍。砷在獨山湖中的含量最高,為14.1mg/kg,在南陽湖中的含量最低,為9.8mg/kg,稍高出環(huán)境背景值(7.5mg/kg)。鉛含量與砷相似。鉻與其背景值(60mg/kg)相比沒有明顯的變化,其富集系數(shù)為1.0左右。銅、鎳、鈷、釩、鋅等為毒性一般的元素,它們都是在昭陽湖、南陽湖中含量較高,污染較重,而在獨山湖中的含量較低。2.2鎂和私家車湖的含量分布重金屬元素的空間區(qū)域分布如圖2所示。從圖中可以看出Co,Fe,Cr,Cu,Ni,Ti,V,Zn,Al和Mg的分布圖相似,都是從二級壩附近開始含量上升,在昭陽湖與獨山湖交界處(3~5號點),升至最高值,然后呈下降趨勢;到了獨山湖和南陽湖交界處(14號點),又開始呈上升趨勢,并在南陽湖維持高含量水平。其中,鎂的變化稍有不同,鎂在3~8號點之間維持較高含量,在9號點下降后一直維持在低含量水平上。Ca,Sr的水平分布變化趨勢相似,大體表現(xiàn)為中間高,兩邊低,也就是獨山湖的含量較高,而昭陽湖和南陽湖的含量相對較低。Ca與Sr在獨山湖含量較高,可能與獨山湖東岸由碳酸巖組成的山地有關(guān),該山地的風化侵蝕物為獨山湖提供了豐富的Ca,Sr來源。Hg含量是南陽湖最高,由南陽湖、獨山湖到昭陽湖逐漸降低,這與南四湖Hg的污染來源是一致的。據(jù)污染源調(diào)查結(jié)果顯示,濟寧市的工業(yè)廢水是南四湖上級湖Hg的重要來源。As,Pb和Mn的變化趨勢是獨山湖含量較高,而昭陽湖和南陽湖含量較低。顯然獨山湖是As,Pb和Mn的污染聚集地。2.3污水和廢水排放入湖,廢水來源較多自改革開放以來,南四湖區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展,湖區(qū)周圍城鎮(zhèn)城市化速度加快,這改善了湖區(qū)周圍居民的生活,但同時也給南四湖湖區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境帶來極大壓力。長期監(jiān)測資料表明,區(qū)內(nèi)主要13條入湖河流均呈程度不等的有機類型污染。據(jù)主要污染河流監(jiān)測剖面資料,化學耗氧量超標率達92.3%,生化耗氧量超標率為83.3%(濟寧市環(huán)境質(zhì)量年報,1990~1995)。1994年濟寧排放的污水總量為14.705×104萬噸,其中工業(yè)廢水為9.338×104萬噸;棗莊排放的污水總量為10.152×104萬噸,其中工業(yè)廢水為7.409×104萬噸;菏澤排放的污水總量為3.922×104萬噸,其中工業(yè)廢水為1.977×104萬噸(張祖陸,1999)。這些廢水大多未經(jīng)處理直接排入河流最終匯入南四湖上級湖,這是導致上級湖水體整體惡化的重要原因(楊麗原,2003)。濟寧市的城市生活污水和工業(yè)廢水排放進入南陽湖,是南四湖汞和TP污染的主要來源。由于當?shù)孛禾肯牧烤薮?兗州煤中汞含量為0.188mg/kg(任建莉,2002),汞由燃燒過程遷移、轉(zhuǎn)化進入湖區(qū)已經(jīng)成為區(qū)域污染的重要原因。南四湖東部地區(qū)是華東最重要的煤田能源基地,無論電廠發(fā)電,還是民用燃料,燃燒一噸煤,排放到大氣中的鉛約為其含鉛量的2/3(雒昆利,2002),流域中大氣沉降的鉛由于雨水沖刷,匯入河流最終進入南四湖,成為水體中鉛的主要來源。過去含鉛汽油的使用,也是湖區(qū)鉛的重要來源。據(jù)調(diào)查,濟寧市的醫(yī)藥、化肥、紡織、和印染等行業(yè)產(chǎn)生的含砷廢水及燃煤企業(yè)向大氣排放的砷,是底泥砷的重要來源。相對南陽湖和獨山湖而言,昭陽湖具有較低的重金屬污染。這與南四湖湖水是由南陽湖