三峡库区水环境中重金属元素的富集与迁移转化

三峡库区水环境中重金属元素的富集与迁移转化

1水体重金属污染三峡是中国著名的节水节水项目，深受世界各国的影响。它具有防洪、发电、交通运输、环境保护、水产养殖等综合效应。三峡水库自蓄水达到设计水位175m后,会形成面积为1084km2的大型水库,其中淹没陆地面积为632km2,受淹耕地面积为237.8km2,耕地受淹面积占受淹陆地面积的37.6%。三峡水库的建设及运行,将会对三峡库区及其流域的生态环境产生广泛而深远的影响。事实上,三峡水库建成后,大量受淹耕地将遭到江水浸泡,积蓄在耕地上的有机污染物、营养物质(N、P)以及重金属元素将通过溶解、交换、扩散而迁移进入到江水中,从而增加水体中污染物的含量,这将可能成为三峡水库水体污染的重要污染源。重金属元素作为一类重要的污染物,它在水体中的浓度水平、空间分布、迁移和转化以及最终的归宿一直是水环境科学研究中的一个重要领域,并受到世界各国政府环境保护、水利、农业以及其他相关部门的广泛地重视。在没有受到人为污染的情况下,水体中的重金属元素主要是来自于自然界中岩石的风化和土壤的本底,基本不会对周围的环境造成危害。但伴随着城市化进程的加快以及工农业生产的快速发展,人类活动产生的大量“三废”物质通过各种途径最终被排放进入水体,使水环境中水体、水体悬浮物以及水体沉积物中的重金属浓度得到明显的升高。事实上,水体中的颗粒物和沉积物在环境因素(如:水体的pH值和Eh)发生变化时,吸附在颗粒物上的重金属元素将可能重新释放进入水体,对水体造成二次污染。三峡水库建成后,库区内水体的流速、泥沙的沉降速度、消落区和淹没区土壤等环境条件发生了显著的变化,这些水文和水环境条件的变化影响着水环境中重金属污染物的形态、分布和行为的变化。另外,三峡库区蓄水后,水库部分水域的水环境条件和水文条件逐渐表现出部分自然湖泊的特征。事实上,目前我国主要的淡水湖泊均受到了不同程度的重金属污染。因此,了解三峡库区蓄水初期水环境中不同介质中重金属元素的含量、空间分布、迁移转化等行为,具有重要的科学意义。另外,研究三峡库区蓄水后水环境中重金属污染对周边生态环境的影响,也能够为正确评价和保护三峡库区水资源安全提供科学依据。2水环境重金属间的迁移转化及对水环境的污染程度以及表面质量的影响程度三峡库区各介质中重金属的含量及存在形态,直接影响着各介质中重金属间的迁移转化以及对库区水环境的污染程度。三峡库区重金属污染现状主要综述了三峡库区不同介质中(水体、沉积物、消落区、淹没区土壤及生活垃圾、生物体中)重金属污染状况。2.1第三,水体重金属含量随水库水位的变化三峡库区蓄水后,干流水质总体较好,库区干流断面月季度达标率均值由蓄水前的62.3%变为蓄水后的78.3%;另外,库区蓄水后,库区干流水样中高锰酸盐指数、总磷以及铅的浓度仍然是丰水期>平水期和枯水期,整体表现为从库尾至库首沿程下降,在丰水期时表现尤为突出。在蓄水达到135m后,蓄水前后水体表层、中层、下层重金属含量总体上无显著差异,同一监测断面各重金属在垂直方向上也无明显差异,三峡库区整体上表现为蓄水后重金属的含量小于蓄水前。三峡水库蓄水156m后,与蓄水前和蓄水135m的历史数据相比较,干流和香溪河库湾溶解态铜、铅和镉的浓度都呈升高趋势,也显著高于长江干流其它水域,这表明水库蓄水已经影响到区域痕量重金属的生物地球化学循环。铅和镉等重金属的主要来源为水上交通设施。水库建成后,大量的轮船聚集在库区,其废气、废水的排放直接进入水体,这可能是造成水体中重金属的浓度升高的重要原因。支流中,香溪河作为三峡坝首的第一条支流,水中重金属的浓度在洪水期要大于枯水期,水中铅、镉、铬和铜的浓度均低于国家一类水标准。在汛期三峡水库低水位运行时,水体中重金属含量较高,而汛后水库首次172m高水位蓄水,由于水环境因素的改变,水体中重金属含量显著降低,土壤淹没对库区水体水质影响小,不构成汛期、汛后水体重金属含量波动的主因。其余支流水体中未表现出明显的重金属浓度的上升趋势。2.2峡水库水体环境格局沉积物作为水环境中重金属污染物的载体和“蓄积库”,其污染特征及分布规律是查明水体中重金属污染状况的重要手段,也是反演该区域水环境中金属污染历史的主要依据。三峡库区表层沉积物重金属元素从形态上来讲,Cu、Zn、Cr、As和Hg元素主要以矿物晶格存在,而Pb和Cd分别主要以铁锰氧化物结合态形式和可交换态形式存在,在水体环境发生变化时,很容易释放到水体中,会对水体造成潜在的环境风险。徐小清等研究表明:在控制沉积物粒径与成分影响的条件下,三峡库区江段的沉积物普遍受到汞污染。王健康等研究发现,虽然从总体上讲三峡水库蓄水运用期沉积物中重金属元素Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr、As和Hg的平均含量高于长江沉积物背景值,但是重金属污染评价结果表明库区沉积物仍处于轻微生态危害等级,并未受到明显的重金属污染。另外,王岚等和王业春等研究也表明库区蓄水初期沉积物及消落带中土壤均受到汞的污染;吉芳英等人研究了三峡库区消落区水体-沉积物重金属迁移转化特征,发现消落区重金属迁移行为尚不足以对库区水质造成重大影响,总体上,消落区金属迁移呈“缓释”特征,三峡水库的反季节调度模式有利于缓解消落区重金属迁移诱导的生态风险,库区水体重金属含量处于较低水平。支流中,库区大宁河与磨刀溪沉积物中受汞污染较弱。香溪河库湾下游沉积物具有较中上游高得多的重金属含量,沉积物中重金属的污染程度为无污染到轻度污染,且轻度污染出现于下游至干流。2.3重金属分布特征及潜在生态危害评价三峡库区蓄水后,形成大面积的水库消落区。因此,消落区土壤及生活垃圾中的重金属将有可能会通过地表径流等方式进入库区水体,从而增加水体中的重金属浓度。王图锦等结合三峡水库调度模式,对淹没区土壤重金属Cu、Pb、Cd、Cr四种重金属各形态含量及水体重金属含量变化特征进行分析。结果表明:不同重金属在库区土壤中存在形态不同,Cu和Cr(以Cr6+为主)主要以残渣态存在,而Pb和Cd可提取态较高,具有较高的生态风险。汛后淹没土壤重金属形态、含量变化不明显,消落区土壤重金属含量较低且显著低于消落带沉积物中重金属的含量,其中Zn、Hg、Cd的含量有从上游至下游沿程减少的趋势,且重要的污染物为Cd,不同水位高程下,土壤重金属的含量无明显差异。从重金属潜在生态危害评价表明,库区淹没区土壤重金属潜在生态危害处于轻微状态,但土壤总的质量为尚清洁但已经迫近警戒线。三峡库区生活垃圾中重金属元素的含量分布差异很大,并且重金属的含量随堆放时间有不同的变化趋势,总As的含量随堆埋时间增加而增加,而总Cr的含量随堆埋时间呈下降趋势,主要原因是As不易释放而在垃圾中有积累现象,而Cd易于释放且随堆放时间而含量下降。2.4重金属元素及水文水库鱼类是水体中重金属元素的直接受纳体,研究鱼体内重金属的含量,能够间接反映出水体中的重金属的污染状况。王文义和祈俊生等研究表明:库区重庆段鱼体肌肉、内脏重金属质量比的分布规律为内脏明显高于肌肉,对照食品卫生标准,鱼体内脏中Pb和Cd均超标3.4倍。综合污染指数评价表明库区重庆段3个江段的鱼体肌肉均受到不同程度重金属污染。其重金属元素的含量是底泥>鱼体(生物体)>水体,在鱼体中重金属元素的分布特征是鱼内脏>鱼肌肉>鱼骨。该结论与靳立军等的研究一致。有学者指出水库成库后可能出现鱼类汞浓度水平明显增高的“水库效应”,以及可能会对水库生物地球化学循环造成的影响。徐小清等系统研究了长江流域同一水系河流与水库鱼类群体汞含量的特征,证实水库中的鲤鱼汞含量大于河流鲤鱼汞含量,提出了水库汞活化效应指数的概念,以此为依据,徐小清等预测三峡水库蓄水运行后,库区的鱼类汞浓度会有不同程度的升高。其中,支流受到的影响更为明显,鱼体汞含量增长幅度超过干流。然而,余杨等人最近的研究发现,与库区蓄水前的调查结果相比,蓄水后库区鱼类肌肉总汞水平并未出现明显增加。不过底层鱼类汞的生活累计强度明显高于上层鱼类,这也暗示水库底栖过程中存在“汞活化”效应且汞在食物链的传递过程中具有一定的放大作用。另外,与库区外其他水域相比,三峡水库中鲤鱼体内重金属含量总体处于较低水平,且在蓄水后未发生显著变化。3研究水体重金属污染的局限性(1)目前,国内对三峡库区水体的研究主要停留在水体的富营养化上,却对水体中的动植物体内重金属的转移作用以及沉积物中重金属的释放过程研究较少。而水体动植物通过生物链与人类紧密相连,特别是汞元素在生物食物链中具有一定的放大作用,但其在水体动植物体内的迁移转化机理,成为研究者今后需要解决的问题。(2)我国对沉积物中重金属污染评价多采用国外的相关标准,我国沉积物质量标准的研究较少,到目前为止,我国目前还未建立湖库以及河流沉积物重金属质量标准,这对科学准确的评价水体沉积物中的重金属污染带来了困难。水体沉积物中重金属污染评价的标准化和定量化问题是未