广西内苗溪沉积物重金属污染及其生态风险评价_赵华荣.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 25基金项目:广西重点研发项目(桂科 AB21075007)作者简介:赵华荣，男，副教授，博士，研究方向为土壤重金属污染及其风险评价。E mail:gutzhr163 com文章编号:1001 4179(2023)02 0112 08引用本文:赵华荣，李梦豪，姚越，等 广西内苗溪沉积物重金属污染及其生态风险评价 J 人民长江，2023，54(2):112 119广西内苗溪沉积物重金属污染及其生态风险评价赵 华 荣1，2，3，李 梦 豪1，姚越1，何妹1，冯 昭 阳1(1 桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541006;2 桂林理工大学 广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541006;3 桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541006)摘要:广西德保县内苗铅锌矿是典型的以采代探对周边环境造成污染的矿山。为了研究该矿对内苗溪的污染情况，沿内苗溪采集了 13 个沉积物样，对沉积物中 Cu、As、Cd、Pb、Zn、Cr 和 Mn 元素的总量和形态进行了分析，并运用地累积指数法、潜在生态风险指数法对沉积物中重金属的污染程度和生态风险进行了评价。结果表明:除 Cr 和 Mn 的平均含量低于背景值外，Cd、Zn、As、Pb、Cu 的平均含量分别为背景值的518 53，52 64，3153，1237，2 58 倍。沉积物中 Cu、Cd、Zn、Cr 和 Mn 含量沿内苗溪向下游呈增加趋势，As 和 Pb 向下游则呈减少趋势。沉积物中 Cu 在大部分采样点以残渣态为主，沿内苗溪上游至下游，As 元素有机物结合态呈增加趋势，Cd 可交换态呈减少趋势，铁锰氧化物结合态呈增加趋势，Pb 碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机态均有所增加，Zn 可交换态明显减少，碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态呈增加趋势，Cr 元素以可交换态为主，无明显变化趋势，Mn 元素碳酸盐结合态呈增加趋势，可交换态呈减少趋势。沉积物相关性表明，Zn与 Cd，Pb 与 As 及 Cr 与 Mn 三组元素中存在明显同源性。地累积指数表明，Cd 为极严重污染，Zn 为强 极严重污染，As 为中等 强污染，Pb 为中等污染，Cu 为轻度 中等污染，Cr 和 Mn 为无污染。潜在生态风险指数法表明，沉积物复合潜在生态风险极高，Cd、As、Pb、Zn 生态风险程度较高，Cu、Mn、Cr 为低生态风险。关键词:沉积物;重金属污染;生态风险评价;矿山;广西内苗溪中图法分类号:X53文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0170引 言近年来重金属污染受到广泛关注1。矿山开采是重金属污染来源的重要途径。矿石中的硫化矿物氧化后产生大量的硫酸，使水体 pH 降低生成酸性矿山废水，矿石中伴生的重金属被溶解，随矿山废水进入地表水和地下水2。沉积物作为河流重金属污染源和汇，在重金属的迁移与转化过程中发挥着重要的作用3，沉积物蕴含有大量重金属是评估水环境污染状况的重要指标4，对沉积物中重金属进行风险评价，是了解水体中重金属污染状况的重要手段 5。目前，国内外对大型矿山的重金属污染研究较多，如波兰的Podwisniwka 矿6，葡 萄 牙 的 Aljustrel 矿7 和 Pa-nasqueira 矿8，广东大宝山9 12，广西大厂13 14 等矿山，但对小型矿山重金属污染的研究相对较少15。然而，全国范围内小型矿山的私采和盗采，导致大量地区的重金属污染，同时也是重金属污染的重要来源。广西德保县内苗铅锌矿，由于以采代探对周边环境造成了一定的污染，是较典型的小型矿山重金属污染事故。本文以接纳矿山废水内苗溪为研究对象，研究了铜、锌、镉、铅、砷、铬和锰等重金属在内苗溪的污染状况和形态分布，并通过地累积指数法及潜在生态风险指数第 2 期赵华荣，等:广西内苗溪沉积物重金属污染及其生态风险评价法对重金属污染评价分析，研究结果可为该地区重金属污染管理和治理提供参考。1研究区概况德保县内苗铅锌矿位于广西百色市德保县马隘镇内苗村附近，面积约 1 62 km2，矿区位于内苗溪源头，属南亚热带山地气候，年平均气温 17 2 21 3，年降水量1 295 1 967 mm，矿区地下水排泄到地表后进入内苗溪，最后汇入马溢河。内苗铅锌矿矿体主要赋存于泥盆系下统郁江组薄 中厚层状泥岩和中 厚层状细砂岩或泥质粉砂岩中，主要为闪锌矿、方铅矿和黄铁矿16。该矿于 2007 年 11 月被非法开采，2008 年 7月国土、安监和环保部门下达停止探矿通知，一直处于停采状态17。然而，黄褐色的矿山废水从矿洞中源源不断的流出，重金属污染问题逐渐显现出来，专家建议对矿区周边 5 km 范围内的农田进行重点监测。2数据和方法2 1样品采集与预处理本次采样于 2019 年 11 月进行，采样点见图 1，1号和 2 号点为废弃矿洞，7 号点位于小偶溪，其余采样点沿 内 苗 溪 分 布。现 场 用 便 携 式 pH 计(WTW，Multi3430)测定水体 pH、电导率(EC)、水温等水质参数。沉积物样品采集后装入聚乙烯采样袋，存放于泡沫箱中，24 h 内送回实验室，进行自然晾干。采用四分法取晾干土样，过 100 目尼龙筛保存待用。图 1广西德保县内苗溪采样点位分布Fig 1Distribution of sampling points in NeimiaoCreek，Debao County，Guangxi2 2样品分析沉积物全量的测定采用电热板加热，王水消解法18 对预处理样品进行消解，消解后的样品和经预处理后水样采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP OES，OPTIMA 7000DV)对样品中重金属全量进行测定，采用 ESS 5 标准物质(GSB07 3272 2015)对平行样及空白样数据质量进行控制。采用 Tessier 五步提取法10 提取沉积物中可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态、有机物结合态、残渣态的重金属，分别使用 1 mol/L MgCl2溶液(pH=7)、1 mol/L NaOAc(HAc 调至 pH=5)、0 04 mol/L NH2OHHCl(25%HAc)、0 02 mol/L HNO3+30%H2O2+3 2 mol/L NH4OA(20%HNO3)和王水+HClO4提取。3评价方法3 1地累积指数法地累积指数法19 是德国科学家 Muller 于 1969 年提出用于研究水环境中重金属定量分析的方法。此法既考虑了地球化学背景值，又考虑了人为污染因素及自然成岩作用引起的背景值变动，常用于对土壤及沉积物中重金属污染情况的评价20。其计算公式如下:Igeo=log2Cik Bi(1)式中:Ci为样品 i 的元素实测值;Bi为普通页岩中重金属元素的地球化学背景值，本文选取土壤背景值研究方法及广西土壤背景值 中百色地区的土壤背景值;k 为各地岩石差异可能引起背景值变化的系数，一般取 k=1 5。根据地累积指数(Igeo)污染程度的不同，将污染分为 7 个等级，具体如表 1 所列。表 1地累积指数法与污染程度分级Tab 1Geo accumulation index method and pollutiondegree classification地累积指数分级污染程度Igeo00无污染0 Igeo11轻度 中等污染1 Igeo22中等污染2 Igeo33中等 强污染3 Igeo44强污染4 Igeo55强 极严重污染5 Igeo106极严重污染3 2潜在生态风险指数法瑞典科学家 Hakanson 于 1980 年提出的一套基于沉积学原理和毒理学评价土壤(沉积物)重金属污染及生态风险的方法，即潜在风险评价法21。其计算公式如下:Eif=TisCisCin(2)311人民长江2023 年I=ni=1Eif(3)式中:Cis为沉积物重金属元素 i 的实测含量;Cin为土壤中重金属元素 i 的参照值，本文采用广西百色市土壤自然背景值;Tis为重金属元素 i 的毒性响应系数，不同重金属元素毒性响应系数22 为 Zn=Mn=1，Cr=2，Pb=Cu=5，As=10，Cd=30;I 为多种重金属元素的综合潜在生态风险系数。潜在生态风险系数及复合生态风险指数分级23，如表 2 所列。表 2潜在生态风险指数(Eif)与复合生态风险指数(I)风险分级Tab 2isk classification of potential ecological risk index(Eif)and compound ecological risk index(I)指数类型范围生态风险程度生态风险系数Eif40轻微40Eif80中等80Eif160较强160Eif320强Eif320极强复合生态风险指数I 150轻微150I 300中等300I 600强I600极强4结果与分析4 1研究区水体水化学特征研究区采样点水样理化参数及水体重金属浓度如表3 所列。由表 3 可知，研究区内 pH 空间变化较大，pH 中位数为 3 3，小于平均值 4 3，研究区水体总体呈酸性，但随着污染水体在下游不断与其他未受污染水体混合稀释，pH 逐渐升高。电导率(EC)与溶液中离子浓度呈正相关，同时与离子种类、价态、总浓度、温度和黏度等有关。研究区水体电导率值在 186 7 8 250 0s/cm 之间，受酸性矿山废水影响，水体中离子含量较高，电导率值也较高，小偶溪和 8 号点位支流的汇入导致受矿山废水影响的下游水体不断被稀释，使其离子浓度降低，电导率变小，水体 pH 升高，加速水中离子沉淀析出，导致水体中离子浓度持续变小，以致电导率变低。4 2沉积物重金属含量分布特征沿德保县内苗铅锌矿内苗溪及附近水系沉积物共采集了 13 个样品，采样点位见图 1，各采样点沉积物重金属含量见图 2。沉积物中各种重金属最小值、最大值、均值、标准差及变异系数等分析结果见表 4。由表 4 可知:研究区沉积物中 7 种重金属元素最大值与最小值倍数差依次为 Cd 797 倍、Mn 202 倍、Zn 184倍、As 71 倍、Pb 63 倍、Cu 20 倍及 Cr 28 倍。由此可知，沉积物中重金属浓度变化范围最大的元素为 Cd，表 3内苗溪水体理化性质和水体重金属浓度Tab 3Physicochemical properties and heavy metal concentrationsof water in Neimiao Creek采样点pHT/OP/mVEC/(scm1)TDS/(mgL1)Cu/(mgL1)Fe/(mgL1)Zn/(mgL1)Pb/(mgL1)As/(mgL1)133139542594290029684105428754513015061022919104392621004143007566700666000402983281750626746300339260652954049358130305428221040148250051907105193350678010542552718206629482003621004529015176900652306251990592751100346320259380011965033325772183026313580618700703700420032085117703317186713180102350100404809251990592751100346320403153517170120450103420705051987037840107702150140600116923402519642040760012250220011001267222030446910363400522560500251013682240278668103068001200130035390最大值7