天津主要水体表层沉积物中重金属污染特征.pdf

第3 7 卷第2 期中国矿业大学学报v 0 1 ．3 7N o ．2 2 0 0 8 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yM a r ．2 0 0 8 天津主要水体表层沉积物中重金属污染特征 吴光红1 ’2 ，苏睿先2 ，李万庆3 ，郑洪起3 1 ．天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津3 0 0 3 8 7 ； 2 ．天津师范大学城市与环境科学学院，天津3 0 0 3 8 7 } 3 ．天津市环境保护局，天津3 0 0 1 9 1 摘要以天津主要水体 于桥水库、团泊洼水库、海河干流、大沽排污河和渤海湾天津近岸海域 为研究对象，测定了表层沉积物中重金属C d ，Z n ，C u ，N i ，P b ，C r ，M n 和F e 的含量，采用潜在生 态风险指数 R I 、相对富集系数 R E F 和相关分析等方法，研究了沉积物中重金属的污染水平、 富集规律和可能来源．结果表明各水体表层沉积物均以C d 和Z n 污染较重，P b ，M n 和C r 污染 较轻，污染程度为C d Z n C u N i P b M n C r ．C d 和Z n 富集相当严重，R E F 分别在 1 2 ．6 8 ～4 3 ．0 0 和2 ．4 8 ～1 4 ．0 2 之间，M n 和N i 的R E F 均小于4 ．不同水体的污染程度存在较大 差异，大沽排污河、海河干流属于严重污染，具有严重生态风险 R I 9 2 6 ；团泊洼水库和于桥水 库属于重度污染，具有重度生态风险 R J 一5 0 8 ～6 2 1 ；天津近岸海域属于中度污染，具有中度生 态风险 R I 2 4 0 ．相关分析的结果反映了C d ，Z n ，C r 和P b 等重金属来自人类活动的污染，M n 和N i 则以自然来源为主． 关键词重金属；沉积物；相对富集系数；水体；天津市 中图分类号X1 3 1 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 0 2 5 9 0 6 P o l l u t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fH e a v yM e t a l s i nS u r f a c eS e d i m e n t si nT i a n ji n W UG u a n g - h o n 9 1 ”，S UR u i x i a n 2 ，L IW a n q i n 9 3 ，Z H E N GH o n g q i 3 1 ．T i a n j i nK e yL a b o r a t o r yo fW a t e rE n v i r o n m e n ta n dW a t e rR e s o u r c e 。T i a n j i nN o r m a lU n i v e r s i t y ．T i a n j i n 3 0 0 3 8 7 ，C h i n a2 ．C o l l e g eo fU r b a na n dE n v i r o n m e n tS c i e n c e ，T i a n j i nN o r m a lU n i v e r s i t y ，T i a n j i n3 0 0 3 8 7 ，C h i n a ； 3 ．T i a n j i nE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nB u r e a u ，T i a n j i n3 0 0 1 9 1 ，C h i n a A b s t r a c t C o n c e n t r a t i o n so fc a d m i u m ，z i n c ，c o p p e r ，n i c k e l ，l e a d ，c h r o m i u m ，m a n g a n e s ea n di r o nw e r ea n a l y z e di ns u r f a c es e d i m e n ts a m p l e sf r o mt h eY u q i a oa n dT u a n b o w aR e s e r v o i r s ，t h e H a i h eR i v e r ，t h eD a g uS e w a g eD i s c h a r g eC h a n n e la n dB o h a iB a yi nT i a n ji n ，C h i n a ．U s i n ga p o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s ki n d e x RD ，ar e l a t i v ee n r i c h m e n tf a c t o r R E F a n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，t h ep o l l u t i o na n da c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l si ns u r f a c es e d i m e n t sw e r es t u d i e d ．T h er e s u i t ss h o wt h a tC da n dZ na r et h em a j o rp o l l u t a n t sa n dP b ，M na n dC ra r em i n o ro n e s ．T h e p o l l u t a n t sa f f e c t e db yC i fa r e ，i nd e c r e a s i n go r d e r ，C d ，Z n ，C u ，N i ，P b ，M na n dC r ．C da n d Z na r eh i g h l ye n r i c h e d ．T h eR E Ff o rC dr a n g e sf r o m1 2 ．6 8 4 3 ．0 0a n df o rZ nf r o m2 ．4 8 1 4 ．0 2 ，w h i l et h eR E F sf o rM na n dN ia r e PC ；， 百 式中C ；为某重金属元素污染指数；D 为某重金属 的实测浓度；C r 为某重金属的土壤环境背景值 表 1 ；C d 为多因子综合指数；R I 为潜在生态风险指 万方数据 第2 期 吴光红等天津主要水体表层沉积物中重金属污染特征2 6 1 数；E 为污染物的毒性响应参数，C d ，P b ，C u ， C r ，Z n 的毒性响应参数分别为3 0 ，5 ，5 ，2 和1 ． 表1天津市土壤环境背景值 T a b l e1 B a c k g r o u n dc o n c e n t r a t i o n so f h e a v ym e t a l si ns o i l so fT i a n j i nm g ／k g 相对富集系数 R E F 的计算公式‘1 0 ] R E F 一 e ／C F “ ／ c f ／C k ， 式中R E F 为相对富集系数；C h 为F e 元素的实测 浓度；C F e 为F e 元素的土壤环境背景值． 2 结果与讨论 2 ．1 污染水平 天津主要水体表层沉积物中重金属含量统计 结果见表2 ．从表2 可见，不同重金属在不同水体 的含量存在较大差异．为筛选出主要的风险因子， 采用污染指数对重金属含量进行了分析 图2 ． 表2 天津主要水体表层沉积物重金属含量统计结果 T a b l e2H e a v ym e t a Ic o n c e n t r a t i o n si ns u p e r f i c i a ls e d i m e n t sa c r o s sT i a n j i n w s ／1 0 “于桥水库天津近岸海域 海河干流大沽排污河团泊洼水库 ．．均值 6 2 7 ．25 7 6 ．2 6 7 0 ．37 5 86 7 7 ．5 范围4 0 0 ．5 ～8 7 2 ．33 1 6 ．4 ～7 2 8 ．96 0 6 ．8 6 ～7 3 7 ．5 07 0 1 ．2 5 ～7 7 2 ．3 44 6 2 ．4 ～8 3 9 ．2 ，、均值5 6 ．3 53 8 ．3 91 3 9 ．1 71 5 9 ．4 34 7 ．6 0 范围 1 3 ．3 5 ～1 2 2 ．8 13 5 ．4 7 ～4 1 ．7 03 0 ．9 5 ～2 2 5 ．3 0 4 2 ．0 7 ～2 8 3 ．6 42 8 ．8 0 ～5 9 ．6 0 ⋯均值 4 2 ．2 64 2 ．5 3 4 6 ．3 39 1 ．3 85 9 ．8 4 范围 2 6 ．0 4 ～5 6 ．1 4 3 9 ．8 3 ～4 5 ．9 14 0 ．3 4 ～5 6 ．0 66 8 ．2 0 ～1 2 3 ．o o3 0 ．0 0 ～6 9 ．6 0 ，、均值5 4 ．8 73 9 ．0 05 7 ．3 12 4 8 ．4 07 7 ．9 2 范围2 1 ．4 0 ～8 2 ．1 11 7 ．8 4 ～4 9 ．1 33 8 ．9 6 ～8 6 ．6 91 1 6 ．0 0 ～4 7 2 ．0 0 3 2 ．o o ～1 1 9 ．2 0 。均值 1 7 0 ．Z O1 1 7 ．0 1 3 8 1 ．8 68 1 8 ．2 01 6 9 ．2 0 范围8 2 ．0 8 ～2 3 6 ．1 05 1 ．9 4 ～2 4 4 ．8 91 1 8 ．2 2 ～9 3 5 ．9 83 3 8 ．0 0 ～1 4 2 0 ．09 4 ．0 0 ～2 6 2 ．0 0 ．， 均值1 ．4 70 ．6 92 ．6 42 ．9 61 ．8 0 范围0 ．6 2 ～2 ．5 10 ．0 2 ～2 ．5 30 ．0 1 ～8 ．8 51 ．6 0 ～4 ．5 51 ．O O ～2 ．2 0 。。均值 1 6 ．8 28 ．5 2 6 5 ．9 61 2 5 ．6 23 0 ．9 2 范围8 ．0 7 ～2 7 ．7 93 ．6 8 ～1 3 ．2 13 0 ．7 2 ～1 6 0 ．2 9 6 03 0 ～3 5 6 ．0 0 1 2 ．0 0 ～5 2 ．8 0 3 5 3 0 2 5 占2 0 1 5 1 0 5 0 ．呈妻篓銮零海域l‘善天津近岸海域i 羹梁熏蒡河1．口大沽排污河； 1．．二二．以．1 ．垦|二． ．蕊．以．蕊．陲l M nC uN IC rZ nC dP b 重金属 图2 天津主要水体表层沉积物重金属污染指数 F i g ．2 C o n t a m i n a t i o nf a c t o r so fh e a v ym e t a l si n s u p e r f i c i a ls e d i m e n t sa c r o s sT i a n j i n 从图2 可看出，在所有被测的重金属中，C d 的 污染最为突出，Z n 和P b 次之，其它重金属污染较 轻．在5 个水体中大部分采样点C d 的含量大于环 境背景值，C ；的变化范围为7 ．6 4 ～3 2 ．9 4 ，均值达 到2 1 ．2 6 ，属于严重污染 C ；值相对应的污染程度 见表3 ，其中渤海湾w C d 的均值 O ．6 9 1 0 - 6 最小，但仍是渤海湾沉积物背景值的6 ．2 倍，而在 1 9 9 0 年本海区w C d 仅为背景值的1 ．9 0 倍[ 12 。． 于桥水库硼 C d 与2 0 0 0 年的调查结果 0 ．2 3 4 1 0 - 6 ①相比，有较大幅度的增加．Z n 的C ；变化范 围为1 ．5 3 ～1 0 ．7 3 ，均值达到4 ．3 4 ，其中大沽排污 河的C ；达到1 0 ．7 3 ，属于严重污染．不同水体具有 相似的污染特征，污染程度为C d Z n C u N i P b C r ，而C d 和Z n 的C ；最大值均出现在 大沽排污河，海河干流次之．其原因与电镀、有色金 属生产和生活污水排放等有关．由于水资源缺乏， 天津市自1 9 5 8 年开始利用污水灌溉，形成面积约 35 0 0k m 2 污灌区，土壤普遍存在C d ，Z n 污 染[ 1 1 ’1 3 ] ，清污混灌的粮田和菜田，C d 平均累积速 度分别达到0 ．4 7 和2 ．3 0k g ／ k m 2 a ，Z n 分别 达到8 2 0 和11 8 0k g ／ k m 2 a o ．天津市蔬菜基 地土壤中重金属污染较重的是C d ，Z n 次之，C r 和 P b 含量相对较低[ 14 。，土壤中重金属污染程度的排 序与本研究的污染排序相一致．天津是传统工业基 地，人口密度较大，地表水体近4 0a 来受到排污影 响严重，沉积物中重金属累积明显高于背景值．C d 和Z n 作为主要的环境风险因子，对天津市的生态 环境健康状况的影响不容忽视． ①天津市环境监测中心．引滦输水工程流域生态环境状况及污染防治对策研究。2 0 0 0 。3 2 7 ． ②天津市环境保护科学研究院．天津市水资源合理利用与水污染综合防治的研究，1 9 8 5 ，1 2 5 ． 万方数据 2 6 2中国矿业大学学报第3 7 卷 表3C } 。c d 和R I 值相对应的污染程度 及潜在生态风险程度‘9 1 T a b l e3 C } 。c da n dR It h ec o r r e s p o n d i n gp o l l u t i o nd e g r e e a n dp o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s kd e g r e e c l C d 取值范围污染程度取值范围羹龛要取值范围责蠢砉囊 1 ～3 中度 8 ～1 6 中度 1 5 0 ～3 0 0 中度 3 ～6 重度 1 6 ～3 2 重度 3 0 0 ～6 0 0 重度 ≥ 兰重 芝i 芒重≥ 兰重 2 ．2 分布特征 尽管采用污染指数可以筛选出主要的污染因 子，但对水体进行综合评价必须依赖于多种污染物 的综合污染效应，文献[ 9 3 提出生态风险指数 R I 和综合指数 C a ，利用该方法不仅可评价多种污 染物的综合污染效应，还可对不同水体表层沉积物 中的污染状况进行比较 图3 ． G | | I 测专；| ㈨ 近岸水库洼水千流排污近岸水库洼水千流排污 海域库河 海域 库河 水体水体 图3 天津主要水体表层沉积物中重金属的 综合污染程度和潜在生态风险程度 F i g ．3 P o l l u t i o nd e g r e ea n d 南t e n t i a le c o l o g i c a l r i s kd e g r e eo fh e a v ym e t a l si n s u p e r f i c i a ls e d i m e n t sa c r o s sT i a n j i n 从图3 可见1 天津近岸海域沉积物重金属 污染处于中度污染 C a 和R I 值相对应的综合污染 程度及潜在的生态风险程度见表3 ，具有中度潜 在生态风险 c d 1 2 ．7 ，R ， 2 4 0 ；2 于桥水库和 团泊洼水库的C d 在2 3 - - - 2 8 之间，R I 在5 0 8 ～6 2 1 之间，属于重度污染水平，具有重度潜在生态风险； 3 海河干流和大沽排污河的C d 4 4 ，R I 9 2 6 ，属 于严重污染程度，具有严重潜在生态风险．不同水 体重金属综合污染程度为大沽排污河 海河干流 团泊洼水库 于桥水库 天津近岸海域．由于不 同水体中各重金属的污染程度排序相似．因此，潜 在生态风险由高至低排序与综合污染程度排序一 致．天津近岸海域、于桥水库沉积物中重金属含量 明显低于海河干流和大沽排污河，这与重金属的环 境行为和水文特点的影响有关，大沽排污河等水体 存在严重的有机污染，且表层沉积物的砂质含量 低，细小颗粒含量高，细小颗粒容易吸附重金属，形 成有机结合态而沉降口争1 6 ] ．于桥水库目前作为天津 市的惟一饮用水源地，上游的工业废水和生活污水 排放受到控制，以有机和营养盐污染为主，重金属 污染相对较小n 7 1 ． 2 ．3 富集水平 相对富集系数 R E F 广泛被应用于评价沉积 物中重金属的富集水平，确定重金属污染的可能来 源，文献[ 1 8 1 9 ] 提出利用F e 或A l 作为参比元素 评价沉积物中重金属的富集水平和识别重金属污 染的自然和人为来源，文献[ 1 0 ，2 0 ] 选择F e 或A l 作为参比元素和土壤环境背景值建立相对富集系 数计算公式．天津主要水体表层沉积物F e 元素含 量及重金属相对富集系数计算结果见表4 ，5 ．从表 5 可看出，不同重金属元素R E F 存在较大差别． M n 和N i 的R E F 在不同水体之间差别较小，R E F 的变化范围分别为1 ．2 6 ～1 ．5 6 和2 ．1 3 ～3 ．6 9 ，富 集水平较低，其它重金属元素的富集水平较高，且 R E F 在不同水体间变化较大，表明其有不同的人 为污染来源．C d 和Z n 的R E F 分别在1 2 ．6 8 ～ 4 3 ．0 0 和2 ．4 8 , - - - 1 4 ．0 2 之间，也进一步表明天津水 体中沉积物的C d ，Z n 污染和富集已经相当严重． R E F 最大值出现在大沽排污河，说明其作为天津 市海河南部重要城市排污河道，已受到严重的C d ， Z n ，P b ，N i 和C r 等重金属污染．与其它水体相比， 团泊洼水库表层沉积物中C u 和Z n 的R E F 较大， 这与天津大邱庄镇钢铁工业废水排放有关，冷轧、 热轧、热镀锌及金属初加工等是大邱庄镇的主导行 业，据2 0 0 6 年的统计0 ．5 7 1 万t ／d 的酸洗废水排 放进入青年渠，最终影响团泊洼水库． 表4 天津主要水体中表层沉积物F e 元素含量分布 T a b l e4F ec o n c e n t r a t i o n si nd e f e r e n ts u p e r f i c i a ls e d i m e n t sa c r o s sT i a n j i n 水体于桥水库天津近岸海域海河干流大沽排污河团泊洼水库天津土壤环境背景值[ 9 ] ⋯，o ，范围 1 ．4 4 ～2 ．5 21 ．2 1 ～2 ．5 62 ．1 l ～2 ．5 81 ．9 9 ～3 ．2 82 ．2 0 ～3 ．3 33 ．2 5 ～3 ．7 7 ⋯⋯～均值2 ．1 12 ．1 02 ．3 62 ．6 72 ．9 03 ．4 9 表5 天津主要水体表层沉积物中重金属的R E F T a b l e5R E Ff o rh e a v ym e t a l si nd e f e r e n ts u p e r f i c i a Is e d i m e n t sa c r o s sT i a n j i n ，k』jc．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．；j．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 ”” M nC uN i C rZ nC d P b 于桥水库 1 ．5 63 ．2 82 ．1 51 ．1 03 ．6 82 7 ．0 0 1 ．3 7 天津近岸海域 1 ．z 61 ．9 72 ．1 6 1 ．1 02 ．4 8 2 3 ．0 91 ．8 8 海河干流 1 ．4 42 ．2 52 ．1 80 ．7 92 ．5 41 2 ．6 80 ．7 0 大沽排污河 1 ．4 90 ．6 93 ．6 93 ．9 21 4 ．0 24 3 ．0 08 ．0 8 团泊洼水库 1 ．5 07 ．4 42 ．1 31 ．0 17 ．2 54 1 ．5 14 ．6 6 万方数据 第2 期吴光红等天津主要水体表层沉积物中重金属污染特征 2 6 3 2 ．4相关分析 利用沉积物中重金属元素之间以及与A l ，F e 的相关性可以区分重金属的自然来源和人为来源， 自然来源的重金属与F e 的相关性较强，反之则认 为来自人为污染0 9 - z q ．对于桥水库等5 个水体表层 沉积物中重金属及F e 元素之间进行相关分析，结 果发现1 于桥水库沉积物中F e ，M n 和N i 之间 具有较强的相关关系，F e - M n 的相关系数为0 ．8 9 8 P N i P b M n C r ，与天津土壤金属污染程度大 小排序基本一致，天津主要水体表层沉积物中重金 属污染来源于工农业废水和生活污水排放． 2 不同水体综合污染程度为大沽排污河 海河干流 团泊洼水库 于桥水库 天津近岸海 域，潜在生态风险也具有同样的排序，天津近岸海 域具有中度潜在生态风险，于桥水库和团泊洼水库 具有重度潜在生态风险，海河干流和大沽排污河呈 现严重污染，具有严重潜在生态风险，C d 和Z n 是 主要的生态风险因子． 3 不同污染物的R E F 存在较大差别，M n 的 R E F 2 ，N i 的R E F 4 ，Z n 和C d 的R E F 分别在 2 ．4 8 “ - - 1 4 ．0 2 和1 2 ．6 8 ～4 3 ．o o 之间，天津主要水 体沉积物中C d 和Z n 富集较重．R E F 最大值出现 在大沽排污河，说明其作为天津市海河南部重要的 城市排污河道，已受到严重的人为污染． 4 于桥水库等轻度污染的水体中，污染较重 的重金属与F e 元素的相关性较差，而污染较轻的 重金属与F e 的相关性较强．但是在重度污染的水 体中，各重金属污染物与F e 的相关性均较差，说 明天津水体表层沉积物中污染较重的C d 和Z n 等 来自人类活动，M n 和N i 则以自然来源为主． 参考文献 [ 1 ] L I UC h e n g ，W A N GZ h a o - y i n ，H EY u n ．W a t e rp o l l u t i o ni nt h er i v e rm o u t h sa r o u n dB o h a iB a y [ J ] ．I n - t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fS e d i m e n tR e s e a r c h ，2 0 0 3 ，1 8 4 3 2 6 - 3 3 2 ． [ 2 ] S E G U R AR ，A R A N C I B I AV ，Z 0 1 q I G AMC ，e ta 1 ． D i s t r i b u t i o no fc o p p e r ，z i n c ，l e a da n dc a d m i u mc o n c e n t r a t i o n si ns t r e a ms e d i m e n t sf r o mt h eM a p o c h o R i v e ri nS a n t i a g o ，C h i l e F J ] ．J o u r n a lo fG e o c h e m i c a l E x p l o r a t i o n ，2 0 0 6 ，9 1 1 7 1 8 0 ． [ 3 ] 韩宝平，王晓，冯启言，等．徐州市荆马河底泥重金 属污染特征研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 2 1 3 8 1 4 0 ． H A NB a o - 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