陳成忠,雷瀟涵
(棗莊學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院,山東 棗莊 277160)
水庫(kù)屬于半自然、半人工的生態(tài)系統(tǒng),其流動(dòng)性較差,穩(wěn)定性受人類(lèi)生產(chǎn)生活影響較大[1]。沉積物作為評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,長(zhǎng)期以來(lái)一直備受關(guān)注[2-4]。沉積物作為水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一,其中所含的重金屬污染物對(duì)人體的危害嚴(yán)重,這些重金屬會(huì)不斷在水生動(dòng)植物和微生物體內(nèi)積累,從而危害人類(lèi)健康甚至造成生命危險(xiǎn)[5]。沉積物內(nèi)源性污染是飲用水源地水庫(kù)面臨的突出問(wèn)題,如果沉積物和水面環(huán)境發(fā)生變化,沉積物中的部分重金屬會(huì)重新釋放,造成水環(huán)境的二次污染[2,4]。因此,沉積物中重金屬的含量是水環(huán)境質(zhì)量高低的重要參考指標(biāo)[6-7],其沉積物中重金屬含量將成為湖庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)的良好指示劑[3, 8-9]。沉積物中重金屬污染問(wèn)題已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)關(guān)注的課題之一,圍繞重金屬分布特征、賦存形態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面開(kāi)展了大量研究工作[2, 10-11]。所以,為了解湖泊的污染情況和過(guò)程,評(píng)價(jià)人類(lèi)生產(chǎn)生活對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境的影響有必要研究沉積物中重金屬的含量與時(shí)空變化[12-13]。
近年來(lái),隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),大量的工農(nóng)業(yè)污染物、生活污染物排放量不斷增加,許多的水體已經(jīng)受到了重金屬污染,大多數(shù)的湖泊,特別是城郊湖庫(kù)底泥中的重金屬含量嚴(yán)重超過(guò)其當(dāng)?shù)赝寥乐械谋尘爸?,使得土壤整體受到重金屬的脅迫作用,并對(duì)湖庫(kù)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖造成直接的影響,威脅飲用水源安全[15-17],而目前對(duì)云蒙湖表層沉積物重金屬污染狀況及潛在生態(tài)危害還缺乏全面的了解。因此,通過(guò)調(diào)查云蒙湖湖區(qū)表層沉積物中重金屬(Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb)含量,用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和主成分分析法這4種方法對(duì)云蒙湖重金屬污染特征進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析,并輔以GIS繪制重金屬含量在不同分析方法模型指標(biāo)下的空間分布特征,解析其主要來(lái)源及污染蓄積規(guī)律。通過(guò)各元素間的相關(guān)性分析各湖泊沉積物中重金屬的可能來(lái)源,為飲用水源地水庫(kù)沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理和水環(huán)境綜合治理提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。
云蒙湖(岸堤水庫(kù))位于山東省臨沂市蒙陰縣垛莊鎮(zhèn),經(jīng)緯度范圍為117°45′E~118°23′E, 35°27′N(xiāo)~36°20′N(xiāo),屬淮河流域沂沐泗河水系,地處山東省中南部的沂蒙山區(qū)腹地[14]。云蒙湖流域內(nèi)有東汶河和梓河兩條支流,自西北流向東南,河流徑流量分配不均,屬溫帶季風(fēng)氣候。
根據(jù)云蒙湖地理位置、湖區(qū)流域特點(diǎn)以及水動(dòng)力條件狀況,設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn),分別為位于東汶河入湖區(qū)的YM01點(diǎn);東汶河過(guò)渡區(qū)的YM02、YM03點(diǎn);湖泊區(qū)的YM04、YM05、YM06點(diǎn),其中YM05為防洪閘所在區(qū)域;梓河過(guò)渡區(qū)的YM07、YM08點(diǎn),其中YM07為大壩西側(cè)采樣點(diǎn);梓河入湖區(qū)的YM09、YM10點(diǎn)。采樣船只到達(dá)采樣點(diǎn)位置后采用GPS進(jìn)行定位。采樣點(diǎn)信息如圖1所示。
圖 1 云蒙湖表層水和沉積物采樣點(diǎn)分布示意Figure 1 Distribution of surface water and sediment sampling points in Yunmeng Lake
于2020年8月采集云蒙湖表層水和沉積物樣品。本次采集的湖泊表層沉積物樣品采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定沉積物中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni等重金屬的含量,測(cè)量?jī)x器為美國(guó)熱電公司的iCAP Q ICP-MS。分析過(guò)程采用國(guó)家一級(jí)地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSD 9沉積物標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量控制,儀器分析結(jié)果與標(biāo)樣給定值數(shù)據(jù)相符[4,7]。
參照《土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)和中國(guó)土壤環(huán)境背景值對(duì)云蒙湖底泥重金屬含量進(jìn)行分析對(duì)比。按照《土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)的要求,參照土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的I類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),主要采用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和主成分分析法作為分析與評(píng)價(jià)方法。其中地積累指數(shù)法采用Muller的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將污染物從無(wú)污染到極度污染分為7級(jí),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分(表1);
表 1 Muller污染指數(shù)分級(jí) Table 1 Muller pollution index classification
潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)得到污染程度的等級(jí);水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型根據(jù)國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)和世界衛(wèi)生組織編制的分類(lèi)系統(tǒng)作為分類(lèi)依據(jù);主成分分析法采用MATLAB得到貢獻(xiàn)率排行。運(yùn)用Arcgis 10.2軟件繪制重金屬污染分布圖。
圖 2 云蒙湖表層沉積物重金屬含量空間分布示意Figure 2 Spatial distribution of heavy metals in surface sediments of Yunmeng Lake
(1)地積累指數(shù)法
地積累指數(shù)(Igeo)是德國(guó)科學(xué)家Muller(1969)提出的一種廣泛應(yīng)用于重金屬污染評(píng)價(jià)的方法??紤]了地球化學(xué)背景值,直觀(guān)反映出重金屬的污染程度。其公式為:
Igeo=Log2(Cn/K×Bn)
(1)
式(1)中:Cn是重金屬n的實(shí)測(cè)含量;Bn是土壤環(huán)境重金屬背景值;K是考慮到各地巖石的巖性差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取得系數(shù)(一般取值為1.5)。
(2)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法
潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)引入了毒性相關(guān)系數(shù),綜合考慮重金屬區(qū)域背景值的差異、重金屬的毒性在沉積物中普遍遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?,消除了區(qū)域差異和異源污染的影響,計(jì)算公式為:
(2)
Er=Tri×Cfi
(3)
Cfi=Ci/Cni
(4)
(5)
式(2~5)中:Cfi為金屬i污染系數(shù),Cni為參比值,此處選用全國(guó)土壤環(huán)境背景值。Tri為金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù),Eri為金屬i的潛在生態(tài)危害系數(shù),RI為底泥中多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。Cd為多因子污染物污染參數(shù)。
(3)水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型
重金屬進(jìn)入人體后,引起的健康風(fēng)險(xiǎn)主要包括致癌物質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)和非致癌物質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算公式分別為:
Ric=[1-exp(-Diqi)]/78.3
(6)
Rin=∑(Di/RfDi)×10-6/78.3
(7)
Di= 2.2×Ci/70
(8)
式(6~8)中:Ric為致癌物質(zhì)i通過(guò)食入途徑產(chǎn)生的年平均致癌風(fēng)險(xiǎn)(a-1),Rin為非致癌物質(zhì)i通過(guò)食入途徑產(chǎn)生的年平均致癌風(fēng)險(xiǎn)(a-1),Di為致癌物質(zhì)(非致癌物質(zhì))i的單位體重日均暴露劑量[mg·(kg·d)-1];qi為致癌物質(zhì)i通過(guò)食入途徑產(chǎn)生的致癌強(qiáng)度系數(shù)[mg·(kg·d)-1];RfDi為非致癌物質(zhì)i通過(guò)食入途徑產(chǎn)生的致癌強(qiáng)度系數(shù)[mg·(kg·d)-1];78.3為2016年山東省統(tǒng)計(jì)年鑒中的山東省人均期望壽命。2.2為成年人每日平均飲水量(L);Ci為飲用水中重金屬濃度(mg·L-1);70為成年人平均體重(kg)。
表 2 云蒙湖表層沉積物重金屬含量/(mg·kg-1) Table 2 Contents of heavy metals in surface sediments of Yunmeng Lake
云蒙湖表層沉積物中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6種重金屬含量如表2所示。6種重金屬的含量范圍依次為22.50~106.14、8.31~11.86、23.12~143.91、54.03~135.56、0.044 2~0.158 3、7.71~15.80 mg·kg-1。各重金屬含量的極差由高到低順序依次為Cu>Cr>Zn>Pb>Ni>Cd。其中,Cu、Cr、Zn的變化幅度較大,Pb、Ni、Cd的變化幅度較小。
表 3 云蒙湖表層沉積物重金屬含量與土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和背景值比較 Table 3 Comparison of heavy metal contents in surface sediments with soil quality standards and background values in Yunmeng Lake
參照《土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)和中國(guó)土壤環(huán)境背景值對(duì)云蒙湖底泥重金屬含量進(jìn)行分析對(duì)比。由于云蒙湖屬于臨沂市飲用水水源地核心保護(hù)區(qū),按照《土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)的要求,應(yīng)該參照土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的I類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),如表3所示。云蒙湖表層沉積物中Cu超標(biāo)嚴(yán)重,平均含量是背景值的2.5倍,最高達(dá)6.4倍(表3)。金屬Pb與Ni的含量均未超過(guò)全國(guó)土壤環(huán)境背景值和I類(lèi)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),但是Pb的含量波動(dòng)較Ni來(lái)說(shuō)相對(duì)較大,較大值出現(xiàn)在YM03、YM07、YM09,分別是東汶河過(guò)渡區(qū)、梓河過(guò)渡區(qū)和梓河入湖區(qū),說(shuō)明Pb含量總體呈現(xiàn)從河流入湖區(qū)到過(guò)渡區(qū)逐漸遞增,在湖泊區(qū)遞減的過(guò)程。Ni的含量變化不大,分布較均勻。Cu的濃度超標(biāo)嚴(yán)重,且變化趨勢(shì)非常大,最低濃度值也超出了土壤環(huán)境背景值,且最大值是土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的4.11倍。
Cr和Zn的分布情況較為類(lèi)似,此處歸為同一種類(lèi)型進(jìn)行分析。這兩種重金屬的含量變化趨勢(shì)均為在東汶河的入湖區(qū)和過(guò)渡區(qū)及湖泊區(qū)的濃度較高,存在明顯污染情況,但是在梓河入湖區(qū)及過(guò)渡區(qū)并未發(fā)現(xiàn)濃度超標(biāo)的情況,說(shuō)明在梓河河段這兩種重金屬的含量控制情況較好。而Cd的含量?jī)H在梓河入湖區(qū)超過(guò)全國(guó)土壤背景值,均未超過(guò)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),僅存在輕微的污染,但是也應(yīng)該重視起來(lái),有關(guān)部門(mén)對(duì)此應(yīng)該加大治理程度和監(jiān)督力度,否則將威脅湖水質(zhì)量,危及水生態(tài)安全和人體健康。
將表2中云蒙湖表層沉積物中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni的數(shù)據(jù)分別代入公式,計(jì)算各個(gè)采樣點(diǎn)的Igeo數(shù)值,并根據(jù)Igeo數(shù)值進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果如表4所示。
由表4數(shù)據(jù)顯示,云蒙湖表層沉積污染物重金屬總體污染狀況為未污染~中度污染,但存在個(gè)別峰值。其中,Cu的污染狀況最為嚴(yán)重,最高值于YM07監(jiān)測(cè)點(diǎn),達(dá)到Ⅳ級(jí)污染,污染程度為中度污染~重度污染;YM04、YM05監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到Ⅲ級(jí)污染,污染程度為中度污染;YM01、YM03、YM08監(jiān)測(cè)點(diǎn)為Ⅱ級(jí)污染,污染程度為未污染~中度污染。Ni和Pb均為Ⅰ級(jí),未受污染;Cr、Zn、Cd均在某點(diǎn)存在污染,但均為Ⅱ級(jí),污染程度為未污染~中度污染。
表 4 云蒙湖表層沉積物地積累指數(shù)(Igeo)與污染程度分級(jí)Table 4 Land accumulation index(Igeo) and pollution degree classification of surface sediments in Yunmeng Lake
由表5可以看出,Cr在YM07、YM08、YM09、YM10采樣點(diǎn)屬于低度污染,其他采樣點(diǎn)均為中度污染;Ni在各采樣點(diǎn)均屬于低度污染;Cu在YM08采樣點(diǎn)為嚴(yán)重污染,在YM04、YM05采樣點(diǎn)為重度污染,其他采樣點(diǎn)均為中度污染;Zn在YM08、YM09、YM10采樣點(diǎn)為低度污染,其他采樣點(diǎn)屬于中度污染;Cd在YM08、YM09為中度污染,其他采樣點(diǎn)均為低度污染;Pb污染較低,在各采樣點(diǎn)均為低度污染。從Cd來(lái)看,YM02、YM05采樣點(diǎn)為中度污染,在YM03、YM07采樣點(diǎn)為重度污染,其他采樣點(diǎn)均屬低度污染。
表 5 云蒙湖各采樣點(diǎn)的RI及單因子污染參數(shù)Table 5 RI and single factor pollution parameters of each sampling point in Yunmeng Lake
結(jié)果分析表明,云蒙湖各重金屬污染程度為Cu>Zn>Cr>Cd>Pb>Ni, Cu、Zn和Cr為中度污染,Ni的污染程度最低,Cd、Pb和Ni均為低度污染。各采樣點(diǎn)的多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由大到小為YM07>YM10>YM09>YM04>YM05>YM06>YM03>YM08>YM01>YM02。整個(gè)湖區(qū)的RI的平均值為7.83,屬低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。
表 6 水質(zhì)健康危害的風(fēng)險(xiǎn)值 Table 6 Risk values of water quality health hazards
通過(guò)對(duì)云蒙湖2017年飲用水水質(zhì)的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),致癌物質(zhì)中Cr、Cd的風(fēng)險(xiǎn)值均比較小(表6),兩者數(shù)量級(jí)均為10-8,均低于英國(guó)皇家協(xié)會(huì)推薦的1×10-7a-1風(fēng)險(xiǎn)值。略高于荷蘭建設(shè)和環(huán)境部推薦的1×10-8a-1,表明云蒙湖作為飲用水源地Cr、Cd的污染小。非致癌物質(zhì)中Cu的含量風(fēng)險(xiǎn)值最大,Zn次之,Pb的風(fēng)險(xiǎn)值最小,三者的風(fēng)險(xiǎn)值的數(shù)量級(jí)在10-9~10-16a-1之間,即每一億人口中因水源地中的非致癌物質(zhì)而受到健康影響或死亡的人口不到1人,結(jié)果表明非致癌物質(zhì)所引起的健康風(fēng)險(xiǎn)甚微,不會(huì)造成明顯危害。云蒙湖水中致癌物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)值大于非致癌物質(zhì),是非致癌物質(zhì)的104~108倍,說(shuō)明致癌物質(zhì)對(duì)人體的危害遠(yuǎn)高于非致癌物質(zhì)。
調(diào)用pcacov函數(shù)得到累積貢獻(xiàn)率排名。由排名可以得出:在整個(gè)研究區(qū)的10個(gè)采樣點(diǎn)中,YM03采樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)率最高,污染最嚴(yán)重,其次為YM02和YM05。這是綜合分析6種重金屬污染情況的綜合結(jié)果。這3個(gè)樣點(diǎn)位集中于東汶河附近,屬于云蒙湖綜合污染重災(zāi)區(qū),經(jīng)調(diào)查得知,有5家企業(yè)的工業(yè)廢水及蒙陰縣污水處理廠(chǎng)出水排放到東汶河,污水可能沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理并由此入云蒙湖,導(dǎo)致入湖口重金屬的污染比較嚴(yán)重。
通過(guò)對(duì)云蒙湖10個(gè)樣點(diǎn)中Pb、Zn、Cr、Cd、Cu、Ni等6種金屬的測(cè)定與分析,分別利用地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)云蒙湖底泥中重金屬的富集程度和生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。地積累指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果為:底泥中銅金屬的富集量較大,其他金屬的富集程度小且多屬于Ⅰ類(lèi),處于無(wú)污染狀態(tài)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果為:整個(gè)湖區(qū)RI的平均值為7.83,屬于低度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中的低級(jí)污染風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值,其中綜合Cd與RI值其生態(tài)潛在危害較小,對(duì)于云蒙湖流域的生態(tài)危害可忽略不計(jì)。
另外,根據(jù)水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的結(jié)果來(lái)看,由于長(zhǎng)期的沉積作用,底泥重金屬含量遠(yuǎn)高于飲用水中重金屬含量。盡管水體中致癌物質(zhì)的含量遠(yuǎn)高于非致癌物質(zhì),但兩者的風(fēng)險(xiǎn)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值,對(duì)人體的危害可以忽略。綜合水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)程度和重金屬富集程度以及對(duì)生態(tài)的潛在影響不難看出,云蒙湖作為臨沂市的重要飲用水源地之一,其水質(zhì)狀況完全達(dá)標(biāo),可以直接飲用。
為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,利用PCA方法分析得到云蒙湖上游東汶河流域附近的點(diǎn)位污染狀況較為嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查,云蒙湖流域外源污染分為點(diǎn)源污染和面源污染,點(diǎn)源污染主要是工廠(chǎng)排污,面源污染主要包括農(nóng)村居民生活污水排放,固廢垃圾隨意丟棄,雨季的大規(guī)模降水將污染物沖刷到湖里,造成水質(zhì)污染。
雖然綜合評(píng)價(jià)結(jié)果處于低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別,但水質(zhì)對(duì)人類(lèi)的影響不僅僅局限于水源地沉積物中的重金屬,在相當(dāng)程度上還取決于重金屬對(duì)于人類(lèi)皮膚、呼吸道的危害,因此該結(jié)果低估了水源地重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);在對(duì)研究區(qū)水質(zhì)樣品進(jìn)行采樣并將其移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中,也會(huì)造成重金屬物理性質(zhì)的改變,有些重金屬的物理性質(zhì)受環(huán)境因素影響較大,該因素也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此在本研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究時(shí),應(yīng)綜合考慮上述問(wèn)題與建議。
本研究區(qū)位于魯中南地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展較整個(gè)山東省而言處于中下游位置,而云蒙湖對(duì)整個(gè)流域的作用不僅僅體現(xiàn)在提供基本的水源生活保障上,其污染的狀況與污染的治理水平也能從側(cè)面體現(xiàn)出周邊地區(qū)工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與政府的重視程度。自習(xí)近平總書(shū)記提出“綠水青山就是金山銀山”的理念以來(lái),對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視程度遠(yuǎn)高于盲目追求GDP發(fā)展,生態(tài)本身就是經(jīng)濟(jì)。較山東省第一大天然湖南四湖而言,云蒙湖的污染程度較低,但尋找其污染源的相同點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn),Cu元素的風(fēng)險(xiǎn)值遠(yuǎn)高于其他5種重金屬元素,通過(guò)食物鏈和食物網(wǎng)的傳遞,易在人體內(nèi)富集,是構(gòu)成潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的最主要元素。因此在今后的綜合治理中,云蒙湖流域可考慮與南四湖流域建立合作,共同整治污染源附近的高污染企業(yè),集中整治民用污水的濫排狀況,提高排放標(biāo)準(zhǔn),有必要可以考慮建設(shè)生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)工程,為建設(shè)魯中南地區(qū)良好水質(zhì)生態(tài)謀劃藍(lán)圖。