南四湖不同湖区底泥重金属空间分布特征

南四湖不同湖区底泥重金属空间分布特征

湖底泥记录了湖泊环境变化的丰富信息，其中重金属反映了流域工农业生产对湖泊环境的影响。因而通过对湖泊底泥的研究,可以评价人类活动产生的污染物对湖泊环境的影响(Swain,1992)。南四湖位于山东省西南部(34°27′N~35°20′N,116°34′E~117°21′E),为南阳、独山、昭阳和微山四个相互连贯的湖泊总称。湖泊呈西北-东南向延伸,湖西平原广阔,地势平缓,是黄河和废弃黄河间的黄泛地区;湖东平原狭窄,部分地区泰沂山脉已临近湖岸。该湖总面积1266km2,流域面积30453km2,平均水深1.46m。自1960年在湖腰处建成二级湖闸后,把南四湖分成上、下级湖,湖闸北为上级湖,注入河流29条,集流面积26934km2,占总集流面积的88.4%。本文通过对南四湖上级湖中南阳湖、独山湖和昭阳湖3个湖区采取的20个表层底泥样品中的重金属元素分析,结合调查和器测资料,阐述表层底泥中重金属在空间分布上的差异;识别湖区重金属污染的重点区域,分析其可能的污染来源。由此为南水北调东线南四湖段湖区生态环境的整治与改善提供参考。1样本和方法1.1实验样品和测试方法利用重力采样器采集样品。1~4号点位于昭阳湖区,5~13号点位于独山湖区内,14~20号点位于南阳湖区内(图1)。采取底泥表层1cm厚的样品,置于密封的塑料袋中,带回实验室在4℃的冷藏室内冷藏以备分析测试。由于南四湖湖盆本身为洼地被黄河泛滥的泥沙淤塞而成(郭永盛,1990;沈吉,2000),因此在本研究中采用黄河干流沉积物的地球化学基础资料(赵一阳,1992;张朝生,1998)作为研究湖区沉积底泥的环境背景值。1.2微波消解系统用于测定元素的样品在实验室里自然风干后,在55℃的温度下烘干,经磨细<100目,在Berghofmws-3微波消解系统中反应,最后将溶液定容25mL。作为检查化学分析的可靠性,将商检合格的标准参考材料同样品一起测试,分析结果系统地与被鉴定的总值相吻合。以上样品在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊沉积与环境开放实验室用ICP-AES方法测定。Hg和As由中国科学院南京土壤研究所分析测试中心采用HG-AFS原子荧光光谱仪测定。2结果与分析2.1铜、镁、锌、铁的组成中分布表1给出了表层底泥重金属和营养元素的浓度,由表可以看出,表层底泥里不同重金属元素浓度值有一个很宽的范围(4~5个数量级),例如,汞的浓度为0.026~0.563mg/kg,铁的浓度则达到18128~46777mg/kg。对区域环境而言,表层底泥中含1mg/kg的汞,其危害性大于含10000mg/kg的铁。汞、砷、铅、钴可以描述为低浓度元素(0.01~20mg/kg);铬、铜、镍、钒、锌组成中间一组(20~100mg/kg);铁、锰、镁、锶、钛组成浓度相对高的一组(100mg/kg以上)。从总平均值上看,汞、砷、铅、铜、钒、锌、锶的平均值均高于环境背景值,镍的平均含量与环境背景值相近,而铬平均含量则小于环境背景值。尽管与表1中的其它元素相比,汞、砷、铅的浓度较低,但与其背景值(汞0.015mg/kg、砷7.5mg/kg、铅15mg/kg)相比,汞、砷、铅均有相当程度的富集。汞、砷、铅在表层沉积物与环境背景值中浓度比值(富集系数)分别为:1.7,1.1,1.0倍以上(表1),由于汞、砷、铅等是生物毒性显著的元素,其含量的增高,意味着环湖居民生活环境的恶化。特别是南阳湖中汞的含量特别高,平均值为0.121mg/kg,高出环境背景值近8倍,最大值高出11倍;汞在独山湖中的平均值为0.074mg/kg,高出环境背景值近5倍,在昭阳湖中的浓度最低,平均值为0.043mg/kg,高出环境背景值约3倍。砷在独山湖中的含量最高,为14.1mg/kg,在南阳湖中的含量最低,为9.8mg/kg,稍高出环境背景值(7.5mg/kg)。铅含量与砷相似。铬与其背景值(60mg/kg)相比没有明显的变化,其富集系数为1.0左右。铜、镍、钴、钒、锌等为毒性一般的元素,它们都是在昭阳湖、南阳湖中含量较高,污染较重,而在独山湖中的含量较低。2.2镁和私家车湖的含量分布重金属元素的空间区域分布如图2所示。从图中可以看出Co,Fe,Cr,Cu,Ni,Ti,V,Zn,Al和Mg的分布图相似,都是从二级坝附近开始含量上升,在昭阳湖与独山湖交界处(3~5号点),升至最高值,然后呈下降趋势;到了独山湖和南阳湖交界处(14号点),又开始呈上升趋势,并在南阳湖维持高含量水平。其中,镁的变化稍有不同,镁在3~8号点之间维持较高含量,在9号点下降后一直维持在低含量水平上。Ca,Sr的水平分布变化趋势相似,大体表现为中间高,两边低,也就是独山湖的含量较高,而昭阳湖和南阳湖的含量相对较低。Ca与Sr在独山湖含量较高,可能与独山湖东岸由碳酸岩组成的山地有关,该山地的风化侵蚀物为独山湖提供了丰富的Ca,Sr来源。Hg含量是南阳湖最高,由南阳湖、独山湖到昭阳湖逐渐降低,这与南四湖Hg的污染来源是一致的。据污染源调查结果显示,济宁市的工业废水是南四湖上级湖Hg的重要来源。As,Pb和Mn的变化趋势是独山湖含量较高,而昭阳湖和南阳湖含量较低。显然独山湖是As,Pb和Mn的污染聚集地。2.3污水和废水排放入湖,废水来源较多自改革开放以来,南四湖区域经济快速发展,湖区周围城镇城市化速度加快,这改善了湖区周围居民的生活,但同时也给南四湖湖区及周边生态环境带来极大压力。长期监测资料表明,区内主要13条入湖河流均呈程度不等的有机类型污染。据主要污染河流监测剖面资料,化学耗氧量超标率达92.3%,生化耗氧量超标率为83.3%(济宁市环境质量年报,1990~1995)。1994年济宁排放的污水总量为14.705×104万吨,其中工业废水为9.338×104万吨;枣庄排放的污水总量为10.152×104万吨,其中工业废水为7.409×104万吨;菏泽排放的污水总量为3.922×104万吨,其中工业废水为1.977×104万吨(张祖陆,1999)。这些废水大多未经处理直接排入河流最终汇入南四湖上级湖,这是导致上级湖水体整体恶化的重要原因(杨丽原,2003)。济宁市的城市生活污水和工业废水排放进入南阳湖,是南四湖汞和TP污染的主要来源。由于当地煤炭消耗量巨大,兖州煤中汞含量为0.188mg/kg(任建莉,2002),汞由燃烧过程迁移、转化进入湖区已经成为区域污染的重要原因。南四湖东部地区是华东最重要的煤田能源基地,无论电厂发电,还是民用燃料,燃烧一吨煤,排放到大气中的铅约为其含铅量的2/3(雒昆利,2002),流域中大气沉降的铅由于雨水冲刷,汇入河流最终进入南四湖,成为水体中铅的主要来源。过去含铅汽油的使用,也是湖区铅的重要来源。据调查,济宁市的医药、化肥、纺织、和印染等行业产生的含砷废水及燃煤企业向大气排放的砷,是底泥砷的重要来源。相对南阳湖和独山湖而言,昭阳湖具有较低的重金属污染。这与南四湖湖水是由南阳湖