城市化對中國主要水系沉積物重金屬分布的影響

城市化對中國主要水系沉積物重金屬分布的影響

水系沉積物是水體重金屬的重要目標(biāo)和儲存場所，也是潛在污染的受害者和污染物。大量研究表明,進(jìn)入水體的重金屬污染物絕大部分易于由水相轉(zhuǎn)入固相,隨著懸浮物的沉降進(jìn)入沉積物。但在環(huán)境條件如pH、Eh等發(fā)生變化時,沉積物又可向水中釋放重金屬,造成二次污染。通常情況下,沉積物中的部分重金屬含量要比水中高出許多倍,甚至可達(dá)幾個數(shù)量級。因此,研究水體重金屬污染,沉積物中的重金屬污染物必不可少的密切關(guān)注的對象之一。從沉積物中重金屬的含量可以較好得判斷研究區(qū)受污染的程度,追蹤其污染源并了解其擴(kuò)散范圍。重金屬具有毒性甚至劇毒性、不能被微生物等降解、生物富集和放大作用等地球化學(xué)行為特征,對生態(tài)環(huán)境具有潛在的生態(tài)危害性。近年來,隨著中國七大流域工農(nóng)業(yè)發(fā)展、人口數(shù)量的劇增以及旅游業(yè)興起,越來越多的生活污水和工業(yè)廢水被排入河流等地表水體,水體中的重金屬在沉積物中蓄積下來,對人類健康的構(gòu)成了潛在威脅。對于水環(huán)境重金屬污染的研究,近些年來的研究重點主要為:對懸浮物和沉積物中結(jié)合態(tài)重金屬的研究,對結(jié)合態(tài)重金屬的各種形態(tài)的研究,對水體重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究,應(yīng)用各種方法對重金屬的環(huán)境污染評價和生物毒性的評價等。由于水資源的日益缺乏,尤其是飲用水源的短缺,對現(xiàn)有的水源的保護(hù)和劣質(zhì)水的處理和凈化以及對污染物的擴(kuò)散機(jī)理的研究已經(jīng)提上了日程,所以現(xiàn)有水源的污染類型和污染程度的調(diào)查顯得尤為重要。本文主要通過前人的研究對中國主要水系沉積物重金屬分布特征進(jìn)行簡要的綜述,希望對以后的研究有所了解和幫助。1中國主要水系沉積物中金屬元素濃度的潛在生態(tài)風(fēng)險的評估1.1采樣點和全國背景值的確定收集已經(jīng)正式發(fā)表的不同時期干流沉積物中重金屬含量的文獻(xiàn)[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52],共計34478個采樣點,關(guān)于長江、黃河、淮河、松花江、遼河、海河和珠江中水系沉積物中Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg和Cr的數(shù)據(jù),整理,篩選與七大水系干流有關(guān)的數(shù)據(jù)值,然后通過下面一個公式進(jìn)行簡單的計算,公式如下:匯總有關(guān)數(shù)據(jù),得出中國七大水系,長江、黃河、珠江、淮河、松花江、遼河和海河主要干流沉積物中部分重金屬的含量和相應(yīng)的背景值(表1)。對于全國背景值,本文采用陳靜生等的中國土壤元素背景值及其研究,該研究采用了網(wǎng)格法布點,使采樣點位有適當(dāng)?shù)拿芏群途鶆蛐?。又根?jù)我國東、中、西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異及土壤和地理自然環(huán)境復(fù)雜程度不同,確定了三種不同的布點密度。1.2潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價目前,沉積物中重金屬污染評價方法主要有地質(zhì)累積指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、健康風(fēng)險評價方法、模糊數(shù)學(xué)法和基于GIS地統(tǒng)學(xué)評價方法等。潛在生態(tài)指數(shù)法是瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出的一套應(yīng)用沉積學(xué)原理評價重金屬污染及生態(tài)危害的方法,被國內(nèi)外學(xué)者廣泛的應(yīng)用于研究河流和海域沉積物重金屬污染評價。從環(huán)境學(xué)的意義,地球化學(xué)元素的污染評價主要是評價其污染程度對生態(tài)系統(tǒng)或人類健康的威脅程度,而潛在生態(tài)危害指數(shù)計算加入的毒性因子恰恰能滿足評價需求,因而使用這種方法具有實際的價值。并且潛在生態(tài)危害指數(shù)法可反映下列情況:(1)潛在生態(tài)危害指數(shù)應(yīng)隨污染程度的加大而增大;(2)多種金屬污染的沉積物的潛在生態(tài)危害指數(shù)應(yīng)高于少數(shù)幾種金屬污染的沉積物;(3)毒性高的金屬應(yīng)對潛在生態(tài)指數(shù)的數(shù)字有較大貢獻(xiàn);(4)對金屬污染敏感性大的水體應(yīng)有較高的潛在生態(tài)危害指數(shù)。因此,本文選擇潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價七大水系沉積物中重金屬的污染程度。根據(jù)這一方法,沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害參數(shù)(Eri)及沉積物中多種重金屬的潛在危害指數(shù)(RI)可分別表示為:式中:Cfi為某一重金屬的污染系數(shù);Csi為沉積物重金屬濃度實測值,mg/kg;Cni為重金屬i的參照值,即背景值;Tri為某一重金屬的毒性相應(yīng)系數(shù),Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、As對應(yīng)的毒性系數(shù)分別為40、30、2、5、1、5、10;Eri為某單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù);RI為沉積物多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(見表2潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分)。依據(jù)瑞典學(xué)者Hakanson的潛在生態(tài)指數(shù)法本論文得出中國水系沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)見表3。2中國主要水系的分布特征和污染中國主要水系沉積物中重金屬(Cd,As,Zn,Pb,Cu,Hg,Cr)平均含量的分布特征如圖1。2.1江南地區(qū)5所長江是中國第一大河,又名揚(yáng)子江,河流長度僅次于尼羅河與亞馬遜河,入海水量僅次于亞馬遜河與剛果河,均居世界第三位。長江發(fā)源于唐古拉山脈主峰格拉丹東雪山西南側(cè),干流經(jīng)青、藏、川、滇、鄂、湘、贛、皖、蘇、滬,支流涉及黔、桂、甘、陜、豫、粵、浙、閩,共計18省、自治區(qū)、直轄市。干流長6300km。干流自江源至宜昌為上游,河長4510km,其中江源至當(dāng)曲長約360km,稱沱沱河;當(dāng)曲至玉樹巴塘河口長約820km,稱通天河;巴塘河口至宜賓長約2300km,稱金沙江;宜賓至宜昌長約1000km,稱川江。川江下段自奉節(jié)至南津關(guān)長209km為著名的三峽。宜昌以下進(jìn)入中下游平原。宜昌至鄱陽湖湖口為中游,長約940km。湖口以下為下游,長約850km。中游河段內(nèi),自湖北枝城至洞庭湖出口城陵磯長約340km,稱荊江。長江干流水系沉積物中重金屬Cd、As、Zn、Pb、Cu、Hg和Cr的含量均超出長江水系沉積物的背景值,只有類金屬As為超出中國水系沉積物的平均含量。金屬Cd、Cu超出國家土壤重金屬質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級含量(土壤重金屬質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表4)。從潛在生態(tài)危害系數(shù)來看,只有Cd的Eri>40,屬于中等污染。其他重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40,呈輕微污染。從沉積物多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看,長江主干流沉積物的RI為206.03,屬于中等污染。結(jié)果表明:長江干流水系沉積物屬于重金屬Hg型污染。在所有的水系沉積物中,長江干流平均水系沉積物中重金屬的污染屬于最輕的。2.2干流重金屬含量分布黃河為中國第二大河,以河水含沙量高和歷史上水災(zāi)頻繁而舉世聞名。黃河流域西起巴顏喀拉山,東臨渤海,南至秦嶺,北抵陰山。黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓,流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東等9省、自治區(qū),在山東墾利縣注入渤海,干流全長約5400km。黃河干流水系沉積物中重金屬Zn、Pb、Cd的平均含量為超過黃土高原的背景值,只有金屬Cd的含量超過了國家土壤一級標(biāo)準(zhǔn)。從潛在生態(tài)危害系數(shù)來看,只有Cd、Hg的Eri>80,潛在生態(tài)風(fēng)險等級為強(qiáng)。其他重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40,呈輕微污染。從沉積物多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看,黃河主干流沉積物的RI為441.04,屬于強(qiáng)污染。最終結(jié)果顯示,黃河干流水系沉積物屬于重金屬Cd、Hg的混合污染。在所有的水系沉積物中,黃河干流平均水系沉積物中Cu、Zn、Cr重金屬的污染屬于最輕的。2.3主干流水系沉積物重金屬污染嚴(yán)重,實踐污染多元珠江由西江、北江、東江及珠江三角洲諸河四個水系組成,分布于中國的云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西六個省(自治區(qū))及越南社會主義共和國的東北部。珠江的主流是西江,發(fā)源于云南省境內(nèi)的馬雄山,在廣東省珠海市的磨刀門注入南海,全長2214km。珠江流域地處亞熱帶,氣候溫和,水資源豐富,多年平均年徑流量3360億立方米,僅次于長江,居中國第二位。珠江流域主干流水系沉積物中重金屬Cd平均含量是國家三級標(biāo)準(zhǔn)的2.34倍,其余重金屬的平均含量處在國家土壤標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn),污染較為嚴(yán)重。從潛在生態(tài)危害系數(shù)來看,重金屬Cd的Eri為1755.00,超出最高生態(tài)風(fēng)險等級5倍之多,重金屬Cd的污染最為顯著。其次重金屬Hg潛在生態(tài)危害系數(shù)為180,屬于中等污染。但是重金屬Hg污染可以看出具有全國普遍性,應(yīng)該引起有關(guān)環(huán)保專家的警惕。其他重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40,呈輕微污染,但是與全國其他流域相比還是污染最嚴(yán)重的地方。從沉積物多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看,珠江主干流沉積物的RI為2021.21,屬于強(qiáng)污染,是沉積物多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最高等級指數(shù)的3倍多,在中國七大水系中污染最嚴(yán)重。綜上所述,珠江干流水系沉積物屬于重金屬Cd、Hg的混合污染。2.4水系沉積物重金屬cd、hg的主要污染源海河流域位于中國華北地區(qū),是中國開發(fā)較早的流域之一。海河流域范圍包括北京、天津兩市和河北省大部分,山西、山東、河南、遼寧四省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的一部分。海河流域習(xí)慣上包括海河和灤河兩水系。海河水系由漳衛(wèi)河、子牙河、大清河、永定河、潮白河、北運(yùn)河、薊運(yùn)河等組成,還包括徒駭河、馬頰河等平原排澇河道;灤河水系包括灤河和冀東諸河。1949年前,除灤河水系和薊運(yùn)河、徒駭河、馬頰河單獨入海外,其余各河均匯集天津流入渤海。天津以下河道稱海河,干流長73km。海河流域主干流水系沉積物中重金屬Cd平均含量是國家三級標(biāo)準(zhǔn)的3.11倍,是中國主要水系沉積物中Cd污染最嚴(yán)重的一個。除重金屬Cr的平均含量在國家土壤一級標(biāo)準(zhǔn)左右,其余重金屬的平均含量處在國家土壤標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn),污染較為嚴(yán)重。從潛在生態(tài)危害系數(shù)來看,重金屬Cd、Hg的Eri超出最高生態(tài)風(fēng)險等級,海河干流水系沉積物屬于重金屬Cd、Hg的混合污染。從沉積物多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看,海河主干流沉積物的RI為1110.25,屬于強(qiáng)污染,在中國七大水系中污染僅次于珠江。2.5重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價淮河位于長江、黃河之間。水系淮河干流發(fā)源于河南省桐柏山,由西向東流入洪澤湖。出洪澤湖后分為兩支。干流全長約1000km?；春痈闪魉党练e物中重金屬Zn、Pb、Cd的平均含量為超過黃土高原的背景值,只有金屬Cd的含量超過了國家土壤一級標(biāo)準(zhǔn)。從潛在生態(tài)危害系數(shù)來看,只有Cd、Hg的Eri>80,但重金屬Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險等級為很強(qiáng),重金屬Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險等級為強(qiáng)。其他重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)均小于40,呈輕微污染。從沉積物多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看,淮河主干流沉積物的RI為444.57,屬于強(qiáng)污染。研究結(jié)果顯示,淮河干流沉積物屬于重金屬Cd型污染。在所有的水系沉積物中,淮河干流平均水系沉積物中重金屬的污染在中國主要水系干流沉積物中綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)位于第四位。2.6潛在生態(tài)風(fēng)險等級松花江是中國東北地區(qū)的主要江河,流經(jīng)哈爾濱佳木斯,在同江附近注入黑龍江,干流全長939km。松花江主干流水系沉積物中重金屬Cd、As、Zn和Cr的平均含量均略低于國家土壤一級標(biāo)準(zhǔn)。從潛在生態(tài)危害系數(shù)來講,沉積物中重金屬Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險等級為極強(qiáng),沉積物中重金屬Hg的平均含量僅次于珠江水系沉積物中的平均含量。沉積物中Cd的潛在風(fēng)險危害系數(shù)Eri為80.50,潛在生態(tài)風(fēng)險等級為強(qiáng)。除Hg和Cd外,松花江干流水系沉積物中其他重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險等級為輕微?？傮w而言,松花江干流沉積物也為重金屬Hg和Cd的復(fù)合型污染。2.7遼河下游水系沉積物重金屬含量分布遼河位于中國東北地區(qū)西南部,源于河北省,流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、遼寧省,注入渤海。全流域由兩個水系組成:一為東、西遼河,于福德店匯流后為遼河干流,經(jīng)雙臺子河由盤山入海,干流長516km;另一為渾河、太子河于三岔河匯合后經(jīng)大遼河由營口入海,大遼河長94km。遼河干流來水原在六間房附近分流經(jīng)外遼河匯入大遼河。遼河主干流水系沉積物中重金屬Cd、As、Zn、Pb和Cr的平均含量均略低于國家土壤一級標(biāo)準(zhǔn)。從潛在生態(tài)危害系數(shù)來講,沉積物中重金屬Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eri為41.25,是所有水系沉積物中的最低值,潛在生態(tài)風(fēng)險等級剛好處在中等污染界限旁。Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險等級為很強(qiáng),沉積物中重金屬Hg的平均含量僅次于珠江和海河水系沉積物中的平均含量。除Hg和Cd外,遼河干流水系沉積物中其他重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險等級為輕微?？傮w而言,遼河干流沉積物為重金屬Hg污染型。3重金屬污染特性環(huán)境中的重金屬根據(jù)是否為人類的參與而分為自然來源和人為來源兩大類。各種地質(zhì)、地球化學(xué)作用,如地質(zhì)構(gòu)造活動、巖石風(fēng)化、侵蝕及水動力作用等自然過程作用的結(jié)果,形成了重金屬元素的自然豐度和分布狀態(tài),即構(gòu)成了其環(huán)境本底值(也稱為背景值或環(huán)境基線值)。在沒有人為污染的情況下,水體中重金屬的含量值一般很低,相應(yīng)的生物有效性也低,不會對水體生態(tài)環(huán)境造成危害。一般來說,環(huán)境中重金屬的人為污染源主要有:采礦廢水、工業(yè)廢水、生活廢水和城市地表徑流和農(nóng)業(yè)廢水。對于重金屬的污染來源,沈敏等對研究表明自然釋放和人為活動是長江下游表層沉積物中的重金屬的主要來源。李忠如等研究顯示企業(yè)排污和生活污水是十五里河沉積物重金屬的最主要的來源。武倩倩等研究表明黃河口近海域沉積物中重金屬主要來源于工業(yè)和生活污水的排放。姚樹春等近代沉積物中金屬鉛來源人類活動。劉恩峰等探討研究表層沉積物中重金屬元素的來源表明,從自然來源向人為污染逐漸轉(zhuǎn)化。吳艷宏等研究表明人類活動是導(dǎo)致沉積物中元素濃度變化的一個主要原因。綜合分析,發(fā)現(xiàn)綜合污染指數(shù)可反映水系沉積物重金屬相對富集狀況。通過對上述沉積物中各重金屬污染物進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)其相對富集指數(shù)順序分別是:Pb、As工業(yè)污染中的燃煤貢獻(xiàn);Cd、Hg工業(yè)中的化學(xué)工業(yè);Cr主要代表自然風(fēng)化來源;Cu、Zn主要代表交通和農(nóng)業(yè)來源。通過對七大水系體系綜合分析,可以看出,黃河、松花江、海河和珠江污染主要是Cd和Hg