深圳河流沉积物重金属含量及污染状况研究

深圳河流沉积物重金属含量及污染状况研究

河流沉积是各种重金属和其他污染物的来源和集合。它不仅含有许多有价值的地质和环境信息，而且还具有更好地显示该地区的污染状况。这是研究地球化学和生态环境质量的基本数据。因此,研究河流沉积物重金属累积水平和质量评价具有重要的现实意义。深圳是我国快速工业化和城市化的典型区域,当地经济的迅速发展对环境造成了巨大压力,其中重金属污染因其持久性、生物富集和放大作用而倍受关注,因此为保持深圳市社会经济的可持续发展和生态环境的良性循环,有必要对深圳城市河流的重金属污染现状和质量水平进行研究和评价。本研究根据1996~2007年12年的深圳河、布吉河、龙岗河和茅洲河底质的环境监测资料,在分析深圳市城市河流沉积物重金属含量时空变化规律的基础上,采用地积累指数、潜在风险危害指数等方法分析和评价沉积物重金属的污染程度及潜在危害,以期为相关科学研究和政府决策提供参考和支持。1材料和方法1.1深合成河流流域本文以深圳河、布吉河、龙岗河和茅洲河为研究对象。深圳河是深圳特区内最大河流,发源于深圳的牛尾岭,汇入深圳湾,河流全长37km,境内流域面积170.47km2。布吉河为深圳河的上游,发源于黄竹沥,上、中段流经布吉街道中心区,下游进入罗湖商业区,在渔民村汇入深圳河。流域面积63.41km2,河长21km,多年平均径流量0.67亿m3。龙岗河发源于梧桐山北麓,流经横岗、龙城、龙岗、坪地、坑梓五街道,在坑梓吓陂附近进入惠阳境内,干流长20.7km,境内流域面积280.0km2,是东江的重要支流。茅洲河位于宝安区境内,属珠江口水系,发源于羊台山,干长31.3km,流域面积336.44km2,流经石岩、公明、光明农场、松岗、沙井五街道办,在沙井民主村注入伶仃洋。1.2种元素的监测数据深圳市环境保护局自20世纪80年代以来,一直对深圳市河流进行水质和底质监测和研究。本文从深圳市环境保护局收集了1996~2007年枯水期深圳河、布吉河、龙岗河和茅洲河沉积物中Cu、Hg、Cd、Cr、As、Zn和Pb等7种元素的监测数据。采样点分别是深圳河砖码头、布吉河人民桥、龙岗河吓陂和茅洲河燕川段。总汞采用冷原子吸收分光光度法测定,检出限为0.002mg/kg,Cr、As、Cu、Zn和Pb采用电感耦合等离子体发射光谱法测定,检出限分别为:3.2、0.8、1.0、0.4和4.0mg/kg,Cd采用电感耦合等离子体质谱法或石墨炉原子吸收分光光度法测定,检出限分别为0.02和0.008mg/kg。1.3沉积物的污染程度评价沉积物中重金属的评价方法很多,各有优缺点和特定的适用范围,加之沉积环境的复杂性,所以用单一的评价方法很难准确的反映沉积物的污染状况及程度。本研究中我们采用常见的地累积指数法(Igeo)、潜在生态风险评价法(RI)对深圳市城市河流表层沉积物重金属的污染水平作初步评价,并对其来源进行初步分析,以期为深圳市河流污染治理提供科学依据。2重金属的分布特征及来源分析2.1重金属污染状况分析深圳河、布吉河、茅洲河和龙岗河沉积物中重金属元素含量大小和均值如表1所示。从表1可以看出,研究的4条河流沉积物中种金属元素的含量水平基本上遵循着:龙岗河>布吉河>深圳河>茅洲河的顺序。特别是龙岗河沉积物中Cu、Zn和Cr3种重金属元素的含量远高于同年份的其他河流,这是因为龙岗河除了接受流域内工业废水和生活污水的排放外,流域内长期以来没有形成完整的排水体系,生活污水和工业废水大部分直接排入河道,造成河水严重污染。而布吉河流域内大量电镀、化工等污染企业污染严重,造成了龙岗河和布吉河重金属污染状况较其他2条河流严重。而茅洲河流域的工业化和城市化程度较低,流域内的重金属污染物主要来自于生活污水。从重金属元素的年际分布规律来看,自1996~2007年其变化趋势较为复杂,但总的来说基本上呈增加的趋势。而对于龙岗河来说,2006和2007两个年度Hg、Zn和Cr的含量显著下降,这与迎接大运会龙岗区政府加大了整治龙岗河的力度不无关系。2.2考虑对各重金属元素的影响沉积物重金属元素与有机质有着密切的关系,有机质通过吸附、络合对沉积物中重金属的生态毒性、环境迁移行为起决定性作用。重金属元素与有机质的相关性可以较直观地反映该地区元素的人为输入情况,有助于更好地了解该地区自然过程和人类活动对重金属元素的影响。利用SPSS软件,计算了各污染物之间以及它们与重金属的相关系数,如表2所示。从表2可以看出,有机质与各重金属元素均呈一定的正相关关系,这表明有机质的地球化学循环过程对重金属元素的转换和迁移过程有着重要的影响,表明它们有共同的来源。与TOC相关的化学元素越多,说明来自同一相对稳定外源污染的可能性越大并且污染物分布类型越接近。研究的4条河流沉积物各重金属元素之间也基本上呈较显著的相关关系,尤其是Cu与Zn(r=0.94),Cu与Cr(r=0.95)Zn与Cr(r=0.88)的相关性更为显著,说明这些金属元素之间共生共存的地球化学特性,迁移过程具有相似的运动规律。3重金属环境质量评价3.1深圳城市河流沉积物污染程度评价地质积累指数是德国科学家Müller提出的一种研究环境沉积物中重金属污染的定量指标,近年来被国内外的学者专家广泛用于人为活动产生的重金属对沉积物污染的评价。地积累指数既反映了重金属分布的自然变化特征,又可以判别人为活动对环境的影响,是区分人为活动影响的重要参数。其公式为:式中:Cn是指元素n在沉积物中的含量(指质量比,实测值);Bn是粘质沉积岩(即普通页岩)中该元素的地球化学背景值;k为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取值为1.5)。各种重金属评价结果不但取决于样品的测定浓度,而且与地球化学背景值的选择有密切关系。本文采用深圳市土壤元素的背景值评价深圳城市河流沉积物污染情况。表3给出的是深圳市土壤元素的背景值。表4是Müller给出的沉积物地积累指数分级标准与污染程度之间的相互关系,地积累指数共分为7级,即0~6级,表示污染程度由无至极强。深圳城市河流沉积物中重金属的地累积指数如表5所示。从各重金属元素的地累积指数的计算结果来看,河流各元素的地累积指数大小顺序均为:龙岗河>布吉河>深圳河>茅洲河。对于各河段来说,茅洲河各元素的地累积指数的大小Cu>Cr>Zn>Cd>Hg>As>Pb,各元素除Cu大致为中-强度污染外,其他元素基本上为污染或者没有污染,龙岗河:Cu>Cr>Zn>Cr>Pb>Hg>As,龙岗河的重金属元素除As、Pb和Hg为轻度污染外,其他元素均为强度到极强度污染,重金属污染状况较为严重;布吉河:Cu>Cd>Zn>Cr>Hg>Pb>As,除As和Pb没有污染外,各元素的污染程度基本上是中度污染到强度度污染;深圳河:Cu>Cd>Zn>Hg>Cr>Pb>As,除As没有污染外,深圳河沉积物中的重金属元素污染程度大都在1级到3级污染范围内。结果还表明,4条河流污染程度最重的4种金属元素为Cu、Cd、Zn和Cr,其中Cu的污染最为严重,龙岗河多年平均地累积指数为6.36,已达强度污染,As和Pb的污染最轻,基本上没有污染。从地累积指数的年际变化情况来看,其波动较大,变化趋势较为复杂,但基本上也呈逐年增加的趋势。3.2重金属生态危害评价指标及方法地累积指数法以全球沉积页岩的平均含量为标准制定污染等级,侧重单一金属,既未引入生物有效性和相对贡献比例,也没有充分考虑金属形态分布和地理空间异质性的影响。而潜在生态危害指数则考虑了这一点。潜在生态危害指数法综合考虑了重金属的毒性、在沉积物中的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性,以及重金属区域背景值的差异,消除了区域差异和异源污染的影响,并给出了潜在生态危害程度的定量划分方法,成为国内外沉积物质量评价中应用最为广泛的方法之一。瑞典科学家Hakanson提出的沉积物中重金属潜在生态危害评价的数学表达式为:式中RI为潜在生态危害指数;Eri为某一污染物潜在生态危害指数;Tri为污染物毒性响应参数;Cfi为某一污染物的单因子污染指数;Ci为沉积物中某一污染物的实测浓度;Cni为沉积物中相应污染物的背景值。本研究重金属的背景值采用的是深圳市土壤元素的背景值。用于评价潜在生态危害的重金属包括Hg、Cd、Pb等生物体非必需的、毒性强的痕量元素,还包括生物体必需的但过量则有害的Zn、Cu、Cr、As和Ni等元素。本研究选择沉积物中的Hg、Cu、Cr、Zn、As、Pb和Cd等7种元素作为评价因子。本项研究中的7种重金属Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn的毒性系数分别为40、30、10、5、5、2和1,结合重金属生态危害程度的划分标准(见表6)对深圳近海海域沉积物进行评价。深圳市城市河流沉积物中重金属的Eri和RI值列于表7。与地累积指数类似,研究区域各年份沉积物中重金属潜在生态危害参数Eri、潜在生态危害指数RI的大小也基本上遵循着:龙岗河>布吉河>深圳河>茅洲河的顺序。其中龙岗河和布吉河基本上达到了严重的生态危害程度,其潜在的生态危害指数多年平均值分别2333.2和757.6;深圳河则是重度生态危害(RI多年平均值为558.6),茅洲河潜在的生态危害指数多年平均值为274.10,为中度水平。这种空间方面的差异与河段所在区域的工业化程度和污染治理水平有着十分重要的关系,龙岗河和布吉河位于深圳特区外,工厂林立,特别是电镀、印染和皮革企业较多,大量的工业废水和生活污水未经处理便排放到河道内,造成了龙岗河和布吉河的污染十分严重。而对于实施了河流整治和底泥疏浚等工程的深圳河,其水质有所好转,但由于这一地区工业化和城市化水平较高,其潜在的生态危害程度依然很高。而茅洲河流域的工业化和城市化程度很低,其潜在的生态危害程度较低。另外,对于龙岗河来说,对其潜在的生态危害程度贡献最大的3种重金属元素分别为Cu、Cd和Hg,布吉河和深圳河贡献最大的是Cd、Hg和Cu3种元素,潜在生态危害程度最轻的茅洲河贡献最大的是Cd和Hg,处于中等或者强的程度,其余的基本上都处在轻度的危害程度。对于各重金属元素来说,潜在的生态危害最大的是Cd,多年平均值的结果表明,深圳城市河流Cd的潜在生态危害程度处于严重的等级,其次是Cu和Hg,大致是重度的危害程度。从其年际变化情况来看,其变化趋势较为复杂,但大致呈走强的趋势。用地累积指数表征的深圳城市河流沉积物中重金属元素的污染程度与其潜在生态危害程度顺序存在一定的不一致性,表明只有把重金属在沉积环境中的污染程度与其对河流生态系统的潜在生态危害程度相结合,才能全面反映沉积物中重金属的污染状况。从采用的评价方法来看,重金属地积累指数法反映的沉积物中重金属污染状况虽有出入,但总体趋势一致,但它更侧重反映单一金属的污染效应,而且未引入生物有效性和相对贡献比例,也没有充分考虑金属形态分布和地理空间异质性的影响。而RI比较简明,并体现了对化学分析、数据加和、生物毒性以及指数灵敏度的要求,涵盖了环境化学、生物毒理学和生态学内容,同时顾及了背景值的地域分异性,因此更能说明重金属对近海海域底质影响。但RI也存在某些不足,如确定毒性加权系数带有主观性等,因此在对沉积物环境质量进行评价时,需要与地累积指数和综合污染指数相互借鉴,以对底质生态环境做出准确的评价。4研究时段内重金属污染情况的调查与分析通过对1996~2007年深圳河、布吉河、龙岗河和茅洲河4条深圳城市河流沉积物中重金属含量的调查和评价,得到如下结论:(1)研究的4条深圳城市河流底质已经受到了重金属元素一定程度的污染,各重金属元素含量大小顺序基本上为:龙岗河>布吉河>深圳河>茅洲河。其中污染程度最为严重的是Cd、Cu、Zn和Cr元素。各河段重金属元素含量的年际变化波动较大,但基本上呈逐年增加的趋势;研究河段的沉积物中重金属与有机质含量大都呈正相关关系,说明有机质的地球化学循环过程对重金属元素的转换和迁移过程有着重要的影响。(2)地累积指数的研究结果表明,龙岗河的重金属元素除Hg为轻度污染外,其他元素均为中度到强度污染,重金属污染状况较为严重。布吉河各元素的污染程度基本上是轻度污染到中度污染。深圳河沉积物中的重金属元素污染程度大都在中度到强度污染范围内。茅洲河各元素除Cd为中度污染外,