北運河干流沉積物重金屬分布特征

北運河干流沉積物重金屬分布特征

0重金屬總量與水環(huán)境質(zhì)量關(guān)系天然水體是受重金屬污染最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。水環(huán)境中重金屬來源廣,不易分解,易于在環(huán)境中累積,加之其在環(huán)境中的化學(xué)行為和生態(tài)效應(yīng)具有復(fù)雜性,被認(rèn)為是環(huán)境中主要的污染物之一。重金屬主要來源于采礦、冶煉、電鍍、化工等工業(yè)廢水,另外,農(nóng)藥化肥、大氣沉降等面源污染也是其來源之一。絕大部分重金屬富集于水體懸浮物顆粒表面,并最終匯集于水體沉積物中。沉積物作為污染物的主要富集介質(zhì)和重要的生物棲息場所,其生物化學(xué)性質(zhì)較水介質(zhì)穩(wěn)定,更能反映水環(huán)境質(zhì)量的變化過程和趨勢。水體沉積物既是各種污染物的“匯”,同時,在適當(dāng)環(huán)境條件下,也是污染物的“源”。當(dāng)環(huán)境條件改變時,沉積物中的重金屬污染物通過孔隙水釋放進(jìn)入上覆水體,如通過擴(kuò)散,底泥再懸浮,或是生物活動導(dǎo)致的擾動,重金屬一經(jīng)擴(kuò)散至泥水界面或遷移至上層水體,就很可能進(jìn)入食物鏈,從而在更大范圍內(nèi)影響水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)。沉積物中重金屬釋放是其風(fēng)險評估的重要方面。自20世紀(jì)70年代以來,基于重金屬總量的風(fēng)險評價方法大量出現(xiàn),其中具有代表性的方法有沉積物富集系數(shù)法潛在生態(tài)危害指數(shù)和沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等。北運河水系是海河流域重要的行洪排澇河道,穿越北京、天津和河北廊坊地區(qū)。由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和水資源高度缺乏的雙重壓力,加之河流補給以城市工業(yè)廢水和生活污水為主,北運河已然成為了海河流域的重污染河流。本文圍繞高污染狀況下的污水補給河流重金屬累積問題,選取北運河中下游不同類型河段(城鎮(zhèn)型、農(nóng)村型河段),并考慮典型支流(風(fēng)港減河)匯入對于干流沉積物污染的影響,采集河流沉積物,分析重金屬沉積的歷史分布狀況與變化特征,評估其污染狀況,以期為中國北方地區(qū)典型污染補給河流的污染控制、治理以及生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。1材料和方法1.1北運河河流水文環(huán)境現(xiàn)狀北運河屬海河水系,是京杭大運河的一部分,位置在潮白河與永定河之間,上源溫榆河,從通州區(qū)北關(guān)閘以下,始稱北運河。北運河干流長143km,流域面積6166km2,其中山區(qū)面積952km2,占16%;平原面積5214km2,占84%。北運河水系屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,流域多年平均降雨量643mm,降雨主要集中在6—9月,約占全年的84%。北運河是海河流域重要的行洪排澇河道。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長,北運河流域的生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重,緩沖能力急劇降低。河流水質(zhì)監(jiān)測表明,北運河干流水污染狀況嚴(yán)重,大部分時間為劣V類水質(zhì)。作為發(fā)源于北京境內(nèi)唯一常年有水的河流,近年的流域天然徑流量為1.8億m3,入河污水和再生水量為11.2億m3,清污比約為1:6,是典型的非常規(guī)水源補給河流。北運河支流鳳港減河是于20世紀(jì)60年代人工開挖的河道,位于通州區(qū)南部,承擔(dān)防洪排污的作用,同時作為兩岸農(nóng)田的灌溉水源。其污染來源主要是上游城鎮(zhèn)的生活污水和沿途的農(nóng)業(yè)灌溉退水,其污染來源和特征在眾多支流中具有較好的代表性。1.2河流沉積物采樣北運河流經(jīng)京津冀三省市,沿途納入涼水河、鳳港減河等支流,流域涉及中心城區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部和農(nóng)村地區(qū),不同河段區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、排污特征和環(huán)境管理水平差異較大。本文選取北運河中下游不同類型河段,即城鎮(zhèn)型河段(S1、S2、S3)和農(nóng)村型河段(S5、S6),以及支流水體風(fēng)港減河(S4)匯入前后河段進(jìn)行河流沉積物采樣。城鎮(zhèn)型河段以生活污水貢獻(xiàn)為主,農(nóng)村型河段以農(nóng)業(yè)面源貢獻(xiàn)為主,支流水體同時受到兩者的影響。具體布點情況見圖1。2009年7月,使用奧地利UWITEC公司設(shè)計生產(chǎn)的重力型柱狀采樣器采集河流沉積物。柱樣采集后,現(xiàn)場以1cm間隔分層并立即放入自封袋中保存后運回實驗室。將沉積物樣品置于通風(fēng)室內(nèi)自然風(fēng)干,除去雜質(zhì),混合均勻后磨碎,過0.15mm尼龍篩,置于自封袋中保存待測。沉積物中重金屬元素全量測定參考Tessier的方法。取沉積物樣品0.15g放入消解管中,加入王水8mL,同時添加2mL氫氟酸,在微波消解爐(MARS,CEM)中密閉消解40min后冷卻趕酸,用超純水定容至50mL后抽濾。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES/MS)進(jìn)行重金屬(Cd、Cr、C、Ni、Pb、Zn)定量測定。使用軟件Origin8.0和SPSS18繪圖及數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。1.3沉積物重金屬污染標(biāo)準(zhǔn)選擇地累積指數(shù)(Igeo)和沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)(SedimentQualityGuidelines,SQGs)兩種方法評價北運河重金屬污染程度。前者主要側(cè)重沉積物中重金屬的累積狀況,后者則側(cè)重沉積物的污染狀況和生態(tài)毒性風(fēng)險。地累積指數(shù)主要利用沉積物中重金屬含量與其天然含量或背景含量的差別,表征因人類活動所造成的重金屬的總富集程度。其計算公式為式中Cn為元素n在沉積物中的實際質(zhì)量比,mg/kg;Bn為該元素的地球化學(xué)背景值,mg/kg,選取北京市土壤背景值作為評價基準(zhǔn)。地累積指數(shù)共分為7級,以表征不同的沉積物重金屬污染水平,標(biāo)準(zhǔn)見表1。沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)(SQGs)可以快速判斷沉積物的污染狀況和生態(tài)毒性風(fēng)險,為沉積物質(zhì)量管理提供重要參考18-19]。該標(biāo)準(zhǔn)有兩個污染濃度閾值,即臨界效應(yīng)濃度(ThresholdEffectLevel,TEL)和必然效應(yīng)濃度(ProbableEffectLevel,PEL)。當(dāng)沉積物中某種重金屬的濃度低于TEL值時,生物毒害作用幾乎不發(fā)生;而濃度高于PEL值時,生物毒害作用將頻繁發(fā)生;當(dāng)重金屬濃度介于二者之間時,生物毒害作用偶爾發(fā)生。Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn的TEL值和PEL值見參考文獻(xiàn)。2結(jié)果和討論2.1城鎮(zhèn)型河段和干流鳳港減河前后重金屬質(zhì)量比比較北運河沉積物中的重金屬存在較大差異,見圖2。如Cd質(zhì)量比在0.03～0.80mg/kg,平均值為0.35mg/kg;Zn質(zhì)量比在23.68～224.12mg/kg,平均值為103.09mg/kg。重金屬質(zhì)量比的差異主要體現(xiàn)在空間差異和垂直分布差異。城鎮(zhèn)型河段的重金屬質(zhì)量比較下游農(nóng)村型(支流匯入前)的質(zhì)量比高。從垂直分布上看,Cu、Pb和Zn分布呈現(xiàn)由沉積物底層向表層逐漸增加的趨勢,這表明北運河中這幾類重金屬質(zhì)量比逐年增加,并在沉積物中累積;而Cd、Cr和Ni在不同類型河段沉積物中的質(zhì)量比變化不大,說明其輸入來源較為穩(wěn)定。從不同類型河段沉積物重金屬分布看,城鎮(zhèn)型河段的重金屬質(zhì)量比普遍高于農(nóng)村型河道(支流匯入前)。支流污染匯入前后,沉積物中重金屬差異較大,表明支流重金屬的污染不可忽視。鳳港減河是于20世紀(jì)60年代人工開挖的河道,位于通州區(qū)南部,自西向東流過,沿程納入鳳河、涼水河及北排河,下段由丁莊經(jīng)西黃垡向東注入北運河,全長41km,流域面積223km2,承擔(dān)防洪排污的作用,同時作為兩岸農(nóng)田的灌溉水源。從圖2可以看出,支流鳳港減河沉積物中重金屬質(zhì)量比高于匯入前的農(nóng)村型河道,在支流匯入后,北運河沉積物中重金屬質(zhì)量比明顯增加。利用方差分析的S-N-K多重比較方法,檢驗不同類型河段,以及支流匯入前后沉積物重金屬質(zhì)量比間的差異性(表2)。結(jié)果顯示,在0.05的顯著性水平下,4個采樣區(qū)域可以分成同質(zhì)的兩個組:第1組包括農(nóng)村型河段的兩個區(qū)域;第2組包括城鎮(zhèn)型河段、支流鳳港減河和農(nóng)村型河段(支流匯入后)3個區(qū)域。這說明農(nóng)村型河道(支流匯入前)與城鎮(zhèn)型河段和支流鳳港減河的重金屬質(zhì)量比存在明顯差異;而農(nóng)村型河道(支流匯入后)與農(nóng)村型河道(支流匯入前)及支流鳳港減河、城鎮(zhèn)型河段之間的差異均不顯著,其與后兩個區(qū)域的差異更小。農(nóng)村型河段與城鎮(zhèn)型河段的重金屬污染狀況存在明顯差異,但支流的匯入使這一差異變小,排污型支流對農(nóng)村型河道的貢獻(xiàn)不可忽略。2.2農(nóng)村型河段和干流水體重金屬污染狀況利用地累積指數(shù)(Igeo)評價不同類型河段和支流匯入前后沉積物中6類重金屬元素污染程度,見圖3。由于河段類型以及受支流影響的因素,各區(qū)域重金屬污染呈現(xiàn)不同的特征。城鎮(zhèn)型河段偏中度Cd污染,而Pb、Cu、Cr和Zn的污染程度較輕,基本處于清潔或輕度污染;農(nóng)村型河段沉積物中偏中度Cr污染,并伴隨輕度的Ni和Cu污染;支流水體鳳港減河沉積物中,偏中度Cr和Cd污染,近年來也逐漸發(fā)展為偏中度Cu污染;支流水體匯合后的下游地區(qū),偏中度Cd和Cr污染。從污染指數(shù)的垂直分布看,城市區(qū)河段、支流水體鳳港減河沉積物中,Igeo指數(shù)呈現(xiàn)隨沉積物深度增加而遞減的趨勢。這表明這兩段河流的重金屬污染逐年加重,沉積物中重金屬存在明顯的累積特征。農(nóng)村型河段表層沉積物中Igeo明顯低于底層,表明農(nóng)村型的重金屬污染狀況有所改善,這可能與化肥等的使用狀況變化有關(guān)。從總體上看,在城鎮(zhèn)型河段、農(nóng)村型河段以及支流水體,在20cm左右沉積深度附近,Igeo分布出現(xiàn)一個明顯的變化節(jié)點,推斷此點對應(yīng)的時間應(yīng)該是周邊地區(qū)工業(yè)污染的高峰期。這可能是由于歷史上所產(chǎn)生的大量污染排放所導(dǎo)致。2.3流沉積物的生物毒性作用利用各重金屬元素的臨界效應(yīng)濃度(ThresholdEffectLevel,TEL)和必然效應(yīng)濃度(ProbableEffectLevel,PEL),可以判斷沉積物的生態(tài)毒性風(fēng)險。從圖2可以看出,北運河及其支流沉積物中Cr質(zhì)量比大多在TEL(36mg/kg)和PEL(90mg/kg)之間,部分點位超過了PEL值,尤其是農(nóng)村型河段中Cr質(zhì)量比幾乎都在PEL閾值以上,表明沉積物的Cr生物毒害作用存在頻繁發(fā)生的可能;Ni與Cr類似,其質(zhì)量比大多在TEL(18mg/kg)和PEL(36mg/kg)之間,部分點位超過了PEL值,表明沉積物的生物毒害作用將部分發(fā)生;而Cu、Pb和Zn的質(zhì)量比在部分河段超過了各自TEL值,分別為36mg/kg、35mg/kg和123mg/kg,這意味著其生物毒害作用不發(fā)生或者偶爾發(fā)生;在不同類型河段和支流水體沉積物中,Cd的質(zhì)量比幾乎都在TEL(0.6mg/kg)閾值以下,表明Cd的生物毒害作用幾乎不發(fā)生。3主要河段沉積物偏重度c