深圳河流沉積物重金屬含量及污染狀況研究

深圳河流沉積物重金屬含量及污染狀況研究

河流沉積是各種重金屬和其他污染物的來源和集合。它不僅含有許多有價值的地質(zhì)和環(huán)境信息，而且還具有更好地顯示該地區(qū)的污染狀況。這是研究地球化學(xué)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的基本數(shù)據(jù)。因此,研究河流沉積物重金屬累積水平和質(zhì)量評價具有重要的現(xiàn)實意義。深圳是我國快速工業(yè)化和城市化的典型區(qū)域,當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的迅速發(fā)展對環(huán)境造成了巨大壓力,其中重金屬污染因其持久性、生物富集和放大作用而倍受關(guān)注,因此為保持深圳市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán),有必要對深圳城市河流的重金屬污染現(xiàn)狀和質(zhì)量水平進行研究和評價。本研究根據(jù)1996~2007年12年的深圳河、布吉河、龍崗河和茅洲河底質(zhì)的環(huán)境監(jiān)測資料,在分析深圳市城市河流沉積物重金屬含量時空變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,采用地積累指數(shù)、潛在風(fēng)險危害指數(shù)等方法分析和評價沉積物重金屬的污染程度及潛在危害,以期為相關(guān)科學(xué)研究和政府決策提供參考和支持。1材料和方法1.1深合成河流流域本文以深圳河、布吉河、龍崗河和茅洲河為研究對象。深圳河是深圳特區(qū)內(nèi)最大河流,發(fā)源于深圳的牛尾嶺,匯入深圳灣,河流全長37km,境內(nèi)流域面積170.47km2。布吉河為深圳河的上游,發(fā)源于黃竹瀝,上、中段流經(jīng)布吉街道中心區(qū),下游進入羅湖商業(yè)區(qū),在漁民村匯入深圳河。流域面積63.41km2,河長21km,多年平均徑流量0.67億m3。龍崗河發(fā)源于梧桐山北麓,流經(jīng)橫崗、龍城、龍崗、坪地、坑梓五街道,在坑梓嚇陂附近進入惠陽境內(nèi),干流長20.7km,境內(nèi)流域面積280.0km2,是東江的重要支流。茅洲河位于寶安區(qū)境內(nèi),屬珠江口水系,發(fā)源于羊臺山,干長31.3km,流域面積336.44km2,流經(jīng)石巖、公明、光明農(nóng)場、松崗、沙井五街道辦,在沙井民主村注入伶仃洋。1.2種元素的監(jiān)測數(shù)據(jù)深圳市環(huán)境保護局自20世紀(jì)80年代以來,一直對深圳市河流進行水質(zhì)和底質(zhì)監(jiān)測和研究。本文從深圳市環(huán)境保護局收集了1996~2007年枯水期深圳河、布吉河、龍崗河和茅洲河沉積物中Cu、Hg、Cd、Cr、As、Zn和Pb等7種元素的監(jiān)測數(shù)據(jù)。采樣點分別是深圳河磚碼頭、布吉河人民橋、龍崗河嚇陂和茅洲河燕川段?？偣捎美湓游辗止夤舛确y定,檢出限為0.002mg/kg,Cr、As、Cu、Zn和Pb采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定,檢出限分別為:3.2、0.8、1.0、0.4和4.0mg/kg,Cd采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法或石墨爐原子吸收分光光度法測定,檢出限分別為0.02和0.008mg/kg。1.3沉積物的污染程度評價沉積物中重金屬的評價方法很多,各有優(yōu)缺點和特定的適用范圍,加之沉積環(huán)境的復(fù)雜性,所以用單一的評價方法很難準(zhǔn)確的反映沉積物的污染狀況及程度。本研究中我們采用常見的地累積指數(shù)法(Igeo)、潛在生態(tài)風(fēng)險評價法(RI)對深圳市城市河流表層沉積物重金屬的污染水平作初步評價,并對其來源進行初步分析,以期為深圳市河流污染治理提供科學(xué)依據(jù)。2重金屬的分布特征及來源分析2.1重金屬污染狀況分析深圳河、布吉河、茅洲河和龍崗河沉積物中重金屬元素含量大小和均值如表1所示。從表1可以看出,研究的4條河流沉積物中種金屬元素的含量水平基本上遵循著:龍崗河>布吉河>深圳河>茅洲河的順序。特別是龍崗河沉積物中Cu、Zn和Cr3種重金屬元素的含量遠高于同年份的其他河流,這是因為龍崗河除了接受流域內(nèi)工業(yè)廢水和生活污水的排放外,流域內(nèi)長期以來沒有形成完整的排水體系,生活污水和工業(yè)廢水大部分直接排入河道,造成河水嚴(yán)重污染。而布吉河流域內(nèi)大量電鍍、化工等污染企業(yè)污染嚴(yán)重,造成了龍崗河和布吉河重金屬污染狀況較其他2條河流嚴(yán)重。而茅洲河流域的工業(yè)化和城市化程度較低,流域內(nèi)的重金屬污染物主要來自于生活污水。從重金屬元素的年際分布規(guī)律來看,自1996~2007年其變化趨勢較為復(fù)雜,但總的來說基本上呈增加的趨勢。而對于龍崗河來說,2006和2007兩個年度Hg、Zn和Cr的含量顯著下降,這與迎接大運會龍崗區(qū)政府加大了整治龍崗河的力度不無關(guān)系。2.2考慮對各重金屬元素的影響沉積物重金屬元素與有機質(zhì)有著密切的關(guān)系,有機質(zhì)通過吸附、絡(luò)合對沉積物中重金屬的生態(tài)毒性、環(huán)境遷移行為起決定性作用。重金屬元素與有機質(zhì)的相關(guān)性可以較直觀地反映該地區(qū)元素的人為輸入情況,有助于更好地了解該地區(qū)自然過程和人類活動對重金屬元素的影響。利用SPSS軟件,計算了各污染物之間以及它們與重金屬的相關(guān)系數(shù),如表2所示。從表2可以看出,有機質(zhì)與各重金屬元素均呈一定的正相關(guān)關(guān)系,這表明有機質(zhì)的地球化學(xué)循環(huán)過程對重金屬元素的轉(zhuǎn)換和遷移過程有著重要的影響,表明它們有共同的來源。與TOC相關(guān)的化學(xué)元素越多,說明來自同一相對穩(wěn)定外源污染的可能性越大并且污染物分布類型越接近。研究的4條河流沉積物各重金屬元素之間也基本上呈較顯著的相關(guān)關(guān)系,尤其是Cu與Zn(r=0.94),Cu與Cr(r=0.95)Zn與Cr(r=0.88)的相關(guān)性更為顯著,說明這些金屬元素之間共生共存的地球化學(xué)特性,遷移過程具有相似的運動規(guī)律。3重金屬環(huán)境質(zhì)量評價3.1深圳城市河流沉積物污染程度評價地質(zhì)積累指數(shù)是德國科學(xué)家Müller提出的一種研究環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo),近年來被國內(nèi)外的學(xué)者專家廣泛用于人為活動產(chǎn)生的重金屬對沉積物污染的評價。地積累指數(shù)既反映了重金屬分布的自然變化特征,又可以判別人為活動對環(huán)境的影響,是區(qū)分人為活動影響的重要參數(shù)。其公式為:式中:Cn是指元素n在沉積物中的含量(指質(zhì)量比,實測值);Bn是粘質(zhì)沉積巖(即普通頁巖)中該元素的地球化學(xué)背景值;k為考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)(一般取值為1.5)。各種重金屬評價結(jié)果不但取決于樣品的測定濃度,而且與地球化學(xué)背景值的選擇有密切關(guān)系。本文采用深圳市土壤元素的背景值評價深圳城市河流沉積物污染情況。表3給出的是深圳市土壤元素的背景值。表4是Müller給出的沉積物地積累指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度之間的相互關(guān)系,地積累指數(shù)共分為7級,即0~6級,表示污染程度由無至極強。深圳城市河流沉積物中重金屬的地累積指數(shù)如表5所示。從各重金屬元素的地累積指數(shù)的計算結(jié)果來看,河流各元素的地累積指數(shù)大小順序均為:龍崗河>布吉河>深圳河>茅洲河。對于各河段來說,茅洲河各元素的地累積指數(shù)的大小Cu>Cr>Zn>Cd>Hg>As>Pb,各元素除Cu大致為中-強度污染外,其他元素基本上為污染或者沒有污染,龍崗河:Cu>Cr>Zn>Cr>Pb>Hg>As,龍崗河的重金屬元素除As、Pb和Hg為輕度污染外,其他元素均為強度到極強度污染,重金屬污染狀況較為嚴(yán)重;布吉河:Cu>Cd>Zn>Cr>Hg>Pb>As,除As和Pb沒有污染外,各元素的污染程度基本上是中度污染到強度度污染;深圳河:Cu>Cd>Zn>Hg>Cr>Pb>As,除As沒有污染外,深圳河沉積物中的重金屬元素污染程度大都在1級到3級污染范圍內(nèi)。結(jié)果還表明,4條河流污染程度最重的4種金屬元素為Cu、Cd、Zn和Cr,其中Cu的污染最為嚴(yán)重,龍崗河多年平均地累積指數(shù)為6.36,已達強度污染,As和Pb的污染最輕,基本上沒有污染。從地累積指數(shù)的年際變化情況來看,其波動較大,變化趨勢較為復(fù)雜,但基本上也呈逐年增加的趨勢。3.2重金屬生態(tài)危害評價指標(biāo)及方法地累積指數(shù)法以全球沉積頁巖的平均含量為標(biāo)準(zhǔn)制定污染等級,側(cè)重單一金屬,既未引入生物有效性和相對貢獻比例,也沒有充分考慮金屬形態(tài)分布和地理空間異質(zhì)性的影響。而潛在生態(tài)危害指數(shù)則考慮了這一點。潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了重金屬的毒性、在沉積物中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?以及重金屬區(qū)域背景值的差異,消除了區(qū)域差異和異源污染的影響,并給出了潛在生態(tài)危害程度的定量劃分方法,成為國內(nèi)外沉積物質(zhì)量評價中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。瑞典科學(xué)家Hakanson提出的沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害評價的數(shù)學(xué)表達式為:式中RI為潛在生態(tài)危害指數(shù);Eri為某一污染物潛在生態(tài)危害指數(shù);Tri為污染物毒性響應(yīng)參數(shù);Cfi為某一污染物的單因子污染指數(shù);Ci為沉積物中某一污染物的實測濃度;Cni為沉積物中相應(yīng)污染物的背景值。本研究重金屬的背景值采用的是深圳市土壤元素的背景值。用于評價潛在生態(tài)危害的重金屬包括Hg、Cd、Pb等生物體非必需的、毒性強的痕量元素,還包括生物體必需的但過量則有害的Zn、Cu、Cr、As和Ni等元素。本研究選擇沉積物中的Hg、Cu、Cr、Zn、As、Pb和Cd等7種元素作為評價因子。本項研究中的7種重金屬Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn的毒性系數(shù)分別為40、30、10、5、5、2和1,結(jié)合重金屬生態(tài)危害程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表6)對深圳近海海域沉積物進行評價。深圳市城市河流沉積物中重金屬的Eri和RI值列于表7。與地累積指數(shù)類似,研究區(qū)域各年份沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害參數(shù)Eri、潛在生態(tài)危害指數(shù)RI的大小也基本上遵循著:龍崗河>布吉河>深圳河>茅洲河的順序。其中龍崗河和布吉河基本上達到了嚴(yán)重的生態(tài)危害程度,其潛在的生態(tài)危害指數(shù)多年平均值分別2333.2和757.6;深圳河則是重度生態(tài)危害(RI多年平均值為558.6),茅洲河潛在的生態(tài)危害指數(shù)多年平均值為274.10,為中度水平。這種空間方面的差異與河段所在區(qū)域的工業(yè)化程度和污染治理水平有著十分重要的關(guān)系,龍崗河和布吉河位于深圳特區(qū)外,工廠林立,特別是電鍍、印染和皮革企業(yè)較多,大量的工業(yè)廢水和生活污水未經(jīng)處理便排放到河道內(nèi),造成了龍崗河和布吉河的污染十分嚴(yán)重。而對于實施了河流整治和底泥疏浚等工程的深圳河,其水質(zhì)有所好轉(zhuǎn),但由于這一地區(qū)工業(yè)化和城市化水平較高,其潛在的生態(tài)危害程度依然很高。而茅洲河流域的工業(yè)化和城市化程度很低,其潛在的生態(tài)危害程度較低。另外,對于龍崗河來說,對其潛在的生態(tài)危害程度貢獻最大的3種重金屬元素分別為Cu、Cd和Hg,布吉河和深圳河貢獻最大的是Cd、Hg和Cu3種元素,潛在生態(tài)危害程度最輕的茅洲河貢獻最大的是Cd和Hg,處于中等或者強的程度,其余的基本上都處在輕度的危害程度。對于各重金屬元素來說,潛在的生態(tài)危害最大的是Cd,多年平均值的結(jié)果表明,深圳城市河流Cd的潛在生態(tài)危害程度處于嚴(yán)重的等級,其次是Cu和Hg,大致是重度的危害程度。從其年際變化情況來看,其變化趨勢較為復(fù)雜,但大致呈走強的趨勢。用地累積指數(shù)表征的深圳城市河流沉積物中重金屬元素的污染程度與其潛在生態(tài)危害程度順序存在一定的不一致性,表明只有把重金屬在沉積環(huán)境中的污染程度與其對河流生態(tài)系統(tǒng)的潛在生態(tài)危害程度相結(jié)合,才能全面反映沉積物中重金屬的污染狀況。從采用的評價方法來看,重金屬地積累指數(shù)法反映的沉積物中重金屬污染狀況雖有出入,但總體趨勢一致,但它更側(cè)重反映單一金屬的污染效應(yīng),而且未引入生物有效性和相對貢獻比例,也沒有充分考慮金屬形態(tài)分布和地理空間異質(zhì)性的影響。而RI比較簡明,并體現(xiàn)了對化學(xué)分析、數(shù)據(jù)加和、生物毒性以及指數(shù)靈敏度的要求,涵蓋了環(huán)境化學(xué)、生物毒理學(xué)和生態(tài)學(xué)內(nèi)容,同時顧及了背景值的地域分異性,因此更能說明重金屬對近海海域底質(zhì)影響。但RI也存在某些不足,如確定毒性加權(quán)系數(shù)帶有主觀性等,因此在對沉積物環(huán)境質(zhì)量進行評價時,需要與地累積指數(shù)和綜合污染指數(shù)相互借鑒,以對底質(zhì)生態(tài)環(huán)境做出準(zhǔn)確的評價。4研究時段內(nèi)重金屬污染情況的調(diào)查與分析通過對1996~2007年深圳河、布吉河、龍崗河和茅洲河4條深圳城市河流沉積物中重金屬含量的調(diào)查和評價,得到如下結(jié)論:(1)研究的4條深圳城市河流底質(zhì)已經(jīng)受到了重金屬元素一定程度的污染,各重金屬元素含量大小順序基本上為:龍崗河>布吉河>深圳河>茅洲河。其中污染程度最為嚴(yán)重的是Cd、Cu、Zn和Cr元素。各河段重金屬元素含量的年際變化波動較大,但基本上呈逐年增加的趨勢;研究河段的沉積物中重金屬與有機質(zhì)含量大都呈正相關(guān)關(guān)系,說明有機質(zhì)的地球化學(xué)循環(huán)過程對重金屬元素的轉(zhuǎn)換和遷移過程有著重要的影響。(2)地累積指數(shù)的研究結(jié)果表明,龍崗河的重金屬元素除Hg為輕度污染外,其他元素均為中度到強度污染,重金屬污染狀況較為嚴(yán)重。布吉河各元素的污染程度基本上是輕度污染到中度污染。深圳河沉積物中的重金屬元素污染程度大都在中度到強度污染范圍內(nèi)。茅洲河各元素除Cd為中度污染外,