淮南礦區(qū)塌陷水域沉積物營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬現(xiàn)狀調(diào)查與評價

唐鴻達(dá)，高良敏

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001）

1 引言

由于煤炭的大量開采，久而久之使地面下沉形成了地面塌陷，又由于淺層地下水和大量雨水的匯入，形成了面積大小不等的塌陷水域，進(jìn)而形成相應(yīng)的沉積物。沉積物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，底泥不僅可間接反映水體的污染情況、水動力狀態(tài)，且在外界水動力因素制約下向上覆水體釋放營養(yǎng)成分和重金屬，從而影響水質(zhì)［1，2］。目前國內(nèi)對于河流、湖泊、水庫等水體沉積物方面已有大量相關(guān)研究［3～8］。但對于塌陷區(qū)水域這一特定水環(huán)境，其沉積物相關(guān)研究鮮有報道。而塌陷區(qū)水域的綜合治理和利用已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。因此，本文選取潘集楊莊區(qū)這一具有代表性的塌陷水域，對其沉積物營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬進(jìn)行檢測和評價分析。

2 研究區(qū)域概況

潘集楊莊位于安徽省淮南市潘集區(qū)。潘一礦于1983年投產(chǎn)塌陷水域年齡約為23年，水域相對較封閉，附近有農(nóng)田。其2004年塌陷面積為23093畝，到2009年為26538畝，到2010年底為28236畝。潘集楊莊塌陷區(qū)水深約為4.2m，面積約為3km2，塘內(nèi)有漁業(yè)養(yǎng)殖，并有河流穿過。該區(qū)域塌陷前主要是農(nóng)田和河道，其沉積物厚度在17～70cm。

3 材料與方法

3.1 采樣點(diǎn)的布設(shè)和樣品采集、樣品的處理與制備

采樣點(diǎn)的布設(shè)采集和樣品的處理與制備參考國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況制定。

取用荷蘭BWT2－04.23.SB水下沉積物采樣器采取沉積物樣品，采樣深度約為10～15cm。在塌陷水域內(nèi)布設(shè)10個采樣點(diǎn)，具體點(diǎn)位用GPS導(dǎo)航定位，詳見圖1。采集的底泥柱狀樣品按2cm長現(xiàn)場分段，一般分為3～6段。

圖1 潘集楊莊底泥采樣布點(diǎn)

所有樣品用自封袋包裝好帶回實(shí)驗(yàn)室后，置于通風(fēng)、陰涼、干燥的地方自然風(fēng)干。樣品風(fēng)干后，揀去其中的石塊及動植物殘體，用瑪瑙研磨磨碎。磨碎的樣品按實(shí)驗(yàn)分析處理要求分別過2mm、100目和200目尼龍篩網(wǎng)，然后裝入自封袋密封保存，貼標(biāo)簽、編號，以備測定。

3.2 指標(biāo)的監(jiān)測

沉積物主要測定指標(biāo)包括OM、TN、TP及各類重金屬（Cu、Zn、Hg、Ni、Cd、Fe）。其方法和來源見表1。

表1 營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬指標(biāo)的測定方法和來源

4 結(jié)果與討論

4.1 沉積物OM、TN、TP的含量和分析

OM是沉積物中反映有機(jī)營養(yǎng)程度的重要標(biāo)志，也是其重要的自然膠體之一［9］。潘集楊莊塌陷區(qū)水域沉積物的 OM 含量在22.69～86.09g/kg間，平均值為41.05g/kg。TN的含量在663.62～2631.48mg/kg，均值為1188.55mg/kg。TP的含量在204.01～365.84 mg/kg，均值為278.01mg/kg。

研究表明，水體中底泥所含OM，一般來自生活污水和水生生物死亡殘骸長期積累［10］。對比國內(nèi)眾多湖泊、水庫、河流的沉積物，潘集楊莊塌陷區(qū)水域沉積物OM值處于較高水平。這可能與塌陷水域周邊村莊所排污水及該區(qū)域內(nèi)的漁業(yè)養(yǎng)殖有關(guān)。

參考周邊土壤的 OM、TN、TP的均值（分別為30.09g/kg、1056.72mg/kg、267.02mg/kg），發(fā)現(xiàn)潘集楊莊塌陷水域沉積物以上三項(xiàng)指標(biāo)均超過當(dāng)?shù)刂苓呁寥溃f明營養(yǎng)物質(zhì)在該區(qū)沉積物中都有一定程度的累積，可能形成潛在的污染。

在某種程度上值可反映出底泥中有機(jī)質(zhì)的來源［11］。一般高等植物的C/N值介于14～23之間，水生生物的C/N介于2.8～3.4之間，浮游動植物的C/N介于6.0～6.3之間［12］。潘集楊莊塌陷水域沉積物中C/N比在12.23～35.74之間，均值為23.72，說明沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來自陸源輸入。

4.2 沉積物營養(yǎng)評價

目前國內(nèi)對淺水沉積物的污染狀況尚無統(tǒng)一的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)，多用有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評價法［13］。計算方法如：OI＝OC（%）×ON（%）

式中：OC（%）＝OM（%）/1.724；ON（%）＝TN（%）×0.95。

結(jié)合潘集楊莊塌陷水域的實(shí)際情況，并參考相關(guān)湖泊水庫沉積物營養(yǎng)評價分級標(biāo)準(zhǔn)［14］，制定了沉積物營養(yǎng)評價分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 OI和ON評價標(biāo)準(zhǔn)

潘集楊莊塌陷水域沉積物OI在0.10～0.61之間，均值為0.27。根據(jù)表2可知潘集楊莊塌陷水域總體上有機(jī)污染指數(shù)為Ⅲ級，屬于尚清潔。ON在0.063～0.173%，其均值為0.113%。據(jù)表2可知總體水平在Ⅲ級，屬于尚清潔。OI和ON評價結(jié)果一致，個別點(diǎn)位OI和ON值分別超過0.50和0.133，達(dá)到IV級，這可能與臨近村莊排放污染物和漁業(yè)養(yǎng)殖有關(guān)。說明該區(qū)域總體屬于尚清潔范圍，但也有潛在有機(jī)污染威脅。

4.3 沉積物重金屬的含量和分析

潘集楊莊塌陷區(qū)水域沉積物重金屬質(zhì)量濃度測定結(jié)果見表3。除Cu元素外，其余Zn、Pb、Cd、Ni、Hg質(zhì)量濃度均高于淮南市土壤背景值［15］，其值分別為背景值的4.53、1.03、10.59、1.16、4.22倍，可知這5種重金屬元素在潘集楊莊塌陷水域沉積物中有明顯的富集現(xiàn)象。其中Cd元素的富集現(xiàn)象最為嚴(yán)重，其次為Zn和Hg。

表3 沉積物中的重金屬質(zhì)量濃度 mg/kg

4.4 沉積物重金屬污染評價

目前國內(nèi)外常用的水體沉積物重金屬污染的評價方法有污染指數(shù)法、富集因子法、地積累指數(shù)（Igeo）法、Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法及臉譜圖法等。根據(jù)潘集楊莊塌陷水域?qū)嶋H情況，本文采用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法進(jìn)行評價。

4.4.1 地積累指數(shù)Igeo法

地積累指數(shù)法是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Muller在1969年提出的，它是研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，在歐洲被廣泛采用，我國也有學(xué)者采用過［16～18］。其計算公式如下：

式中：Cn為元素n在沉積物中的實(shí)測含量；B為該元素的地球化學(xué)背景值，本文采用淮南市土壤值中元素含量作為背景值；常量1.5是為消除各地差異可能引起背景值的變動轉(zhuǎn)換系數(shù)。

沉積物重金屬地積累指數(shù)分級與污染程度之問的相互關(guān)系列于表4。

表4 地積累指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

潘集楊莊塌陷水域沉積物 Cu、Zn、Pb、Ni、Cd、Hg的地積累指數(shù)分別為－0.69、1.59、－0.54、－0.37、2.82、1.49。由表4可知，沉積物中Cu、Pb和 Ni的Igeo值均小于0，屬于無污染。Zn和Hg的Igeo值在1～2之間，屬于中污染；而Cd的Igeo值在2～3之間，說明Cd元素在潘集楊莊塌陷水域?qū)儆谥形廴荆匚廴痉秶?。由此可知，沉積物中Cd的污染程度最高，Hg和Zn次之。

根據(jù)泥河底泥中的重金屬含量［19］和周邊農(nóng)田土壤的實(shí)地測量可知，兩者本身的Cd、Zn、Hg的含量較高，且當(dāng)?shù)孛喉肥蠧d、Zn、Hg亦屬于較高水平［20］。該區(qū)域塌陷前為泥河河道和農(nóng)田，說明其沉積物中本來的重金屬含量就較高。加之西北面臨靠矸石堆以及周邊的農(nóng)田，使得重金屬污染物在雨水沖刷下帶入到塌陷水域，進(jìn)而沉降富集于沉積物中。

4.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在危害生態(tài)指數(shù)（RI）表征了沉積污染物對生態(tài)環(huán)境的潛在危害，該方法除了考慮重金屬含量，還將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，采用具有可比的、等價屬性指數(shù)分級法進(jìn)行評價［21，22］。其計算公式為：

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險程度評估劃分標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)計算，潘集楊莊塌陷水域沉積物Cd、Hg、Cu、Pb、Zn的值分別為317.60、126.58、4.66、5.15、4.53；RI的值為458.51。由表5可知Cu、Pb、Zn的單因子風(fēng)險程度均為輕微；Hg的污染程度較為嚴(yán)重，其風(fēng)險程度為強(qiáng)，而Cd的污染程度最為嚴(yán)重，其風(fēng)險程度為很強(qiáng)。由于受Hg、Cd高污染程度的影響，該區(qū)域沉積物重金屬總的風(fēng)險程度達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害級別，說明沉積物中最主要的重金屬污染生態(tài)風(fēng)險因子為Cd，其次為Hg。

5 結(jié)論

通過對潘集楊莊塌陷區(qū)水土沉積物營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬分析可以得出以下結(jié)論。

（1）沉積物的OM、TN、TP均超過當(dāng)?shù)刂苓呁寥?，說明營養(yǎng)物質(zhì)在該區(qū)沉積物中都有一定程度的累積。C/N比在12.23～35.74之間，均值為23.72，表明沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來自陸源輸入。

（2）沉積物營養(yǎng)評價等級為Ⅲ，個別點(diǎn)位達(dá)到Ⅳ，說明該區(qū)域總體屬于尚清潔范圍，但也有潛在有機(jī)污染威脅。

（3）應(yīng)用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對沉積物重金屬污染進(jìn)行評價，其結(jié)果基本一致。通過Igeo和的計算結(jié)果，表明Cd為當(dāng)?shù)刈钪饕闹亟饘傥廴驹?，Hg次之。而RI的值表明，該區(qū)域重金屬總潛在風(fēng)險程度屬于強(qiáng)生態(tài)危害。

［1］朱元容，張潤宇，吳豐昌.滇池沉積物中氮的地球化學(xué)特征及其對水環(huán)境的影響［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（6）：978～983.

［2］程 杰，李學(xué)德 ，花日茂 ，等.巢湖水體沉積物重金屬的分布及生態(tài)風(fēng)險評價［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，27（4）：1403～1408.

［3］葉宏萌，袁旭音，徐荊棘.南京近城市河流沉積物營養(yǎng)水平與磷形態(tài)的空間分布［J］.長江流域資源與環(huán)境，2011，22（10）：1262～1267.

［4］魏榮菲，莊舜堯，戎 靜，等.蘇州河網(wǎng)區(qū)河道上覆水與底泥中氮素形態(tài)分布特征塌陷區(qū)沉積物［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（12）：1432～1439.

［5］隋桂榮.太湖表層沉積物中OM、TN、TP的現(xiàn)狀與評價［J］.湖泊科學(xué)，1996，8（4）：319～324.

［6］楊 卓，王殿武，李貴寶，等.白洋淀底泥重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查及評價研究［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，28（5）：20～26.

［7］蔡金傍，李文奇，劉 娜，等.洋河水庫底泥污染特性研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（3）：886～893.

［8］周真明，沈春花，張佳發(fā)，等.山美水庫流域沉積物中重金屬污染現(xiàn)狀評價［J］.華僑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，30（4）：454～457.

［9］余 輝，張文斌，盧少勇.洪澤湖表層底質(zhì)營養(yǎng)鹽的形態(tài)分布特征與評價［J］.環(huán)境科學(xué)，2010，31（4）：961～968.

［10］王 佩，盧少勇，王殿武，等.太湖湖濱帶底泥氮、磷、有機(jī)質(zhì)分布與污染評價［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2012，32（4）：703～709.

［11］李風(fēng)彬，戴 禮.洋河水庫底泥對富營養(yǎng)化影響的研究［J］.水資源保護(hù)，2003（3）：31～34.

［12］朱松泉，竇鴻身.洪澤湖［M］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993.

［13］陳如海，詹良通，陳云敏，等.西溪濕地底泥氮磷和有機(jī)質(zhì)含量豎向分布規(guī)律［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2010，30（4）：493～490.

［14］盧少勇，許夢爽，金相燦，等.長壽湖表層沉積物氮磷和有機(jī)質(zhì)污染特征及評價［J］.環(huán)境科學(xué)，2012，33（2）：393～398.

［15］安徽省計劃委員會及安徽地質(zhì)礦產(chǎn)局，安徽省國土資源遙感應(yīng)用研究［M］.北京：地質(zhì)出版社，1996.

［16］LOSK A K M.Contamination of farming soil saffected by industry［J］.Environment International，2004，30（2）：159～165.

［17］柴世偉，溫琰茂，張亞雷，等.地積累指數(shù)法在土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，34（12）：1658～1660.

［18］弓曉峰，陳春麗，周文斌，等.鄱陽湖底泥中重金屬污染現(xiàn)狀評價［J］.環(huán)境科學(xué)，2006，27（4）：732～736.

［19］何 燦，高良敏，劉玉玲，等.淮南泥河沉積物中重金屬總量及形態(tài)分析［J］.環(huán)境化學(xué)，2010，29（4）：766～767.

［20］蔡 峰，劉澤功，林柏泉，等.淮南礦區(qū)煤矸石中微量元素的研究［J］.煤炭學(xué)報，2008，33（8）892～897.

［21］唐銀健.Hakanson指數(shù)法評價水體沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險的應(yīng)用進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2008，27（3）：66～68.

［22］黃靜高，高良敏，馮娜娜，等.煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬分布特征與質(zhì)量評價［J］.環(huán)境污染與防治，2012，32（2）：68～71.

［23］吳坤杰，楊東耀，李 睿，等.南灣水庫表層沉積物重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險評價［J］.河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，41（3）：79～81.