盘龙江底泥重金属污染及潜在生态风险评价

盘龙江底泥重金属污染及潜在生态风险评价

盘龙江起源于云南省昆明西南部的梁王山，流经昆明北郊的松华水库水库，向北和南贯穿云南省的云南省。自松华水库以来，全长26.3公里，流域面积100多公里。它是云南最大的河流。作为云南省各城市南北最重要的河流，盘龙江沿岸分布着许多工业公司、农田和居民住宅。受昆明卷烟厂、昆明农药厂、昆明橡胶厂等多家公司的废水污染影响，农村灌溉污水和住宅用地的废水进入盘龙江后，水中的许多物质和元素，尤其是重金属元素，通过多种物理和化学作用迅速沉积在水下，成为盘龙江水下沉积物的重要组成部分。近年来，随着城市的快速扩张，随着工农业的快速发展，随着城市人口的急剧增加，越来越多的废水流入河流，导致盘龙江水质恶化。根据2000年至2003年云南省环境质量报告，盘龙江水质中的有毒物质和重金属污染逐年增加。根据盘龙江一些河流的水质，紫露草微核的比例显著增加。根据紫露醇毛叶茂的监测，盘龙江水质存在潜在的污染物，部分重金属污染物具有显著的相关性。因此，虽然盘龙江的有机污染研究非常严重，但盘龙江重金属污染的研究和解决变得越来越紧迫。在水环境研究中，我们不仅要对水环境进行评估，还要发现人类影响的历史过程、物质来源、水体水质变化以及对环境的影响等。本研究通过对盘龙江松华坝至滇池汇水口底泥样品中锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)5种重金属的分布特征、污染的程度以及引起重金属变化的原因进行了分析.利用Hakason生态风险指数法对盘龙江底泥中5种重金属污染物对盘龙江水域和周围环境可能造成的生态风险影响进行分析评价.为盘龙江及滇池重金属的污染治理提供参考资料.1学习方法1.1样品的采集和布点在盘龙江松华坝至滇池汇水口布设了17个底泥采样点(图1).采取底泥样品,底泥样品的采集用底泥挖掘器挖取表层底泥样品,每个采样点均以多点混合样进行取样.将采集的样品置于密封袋中,带回实验室经自然风干,研磨,过尼龙筛,装入样品瓶中供分析测试.样品采集和布点方法参照国家环保局《水和废水监测分析方法》.采样时间为枯水期.1.2底泥中重金属含量的测定采自盘龙江17个样点的底泥样品经预处理后进行消煮,用原子吸收分光光度计测定锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)5种重金属含量.取1.0000g过0.15mm尼龙筛的底泥样品于80mL聚四氟乙烯坩埚内,混酸消解完全后原子吸收测定铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、铬(Cr)、镉(Cd)5种重金属元素的含量.每个底泥样品做2～3个平行样,每批样品做2～3个空白.1.3处理数据通过测定计算底泥样品中重金属含量,利用Hakason生态风险指数法进行单因子污染参数、多重因子污染参数以及生态风险参数计算处理分析.1.3.1重金属含量测定式中,w为底泥重金属污染物的质量比(mg/kg);ρ为测得的重金属的质量浓度(mg/L);V为样品定容总体积(mL);10-3为将mL换算成L的系数;ts为分取倍数;m为烘干后样品质量(g).1.3.2hakason生态风险指数法的数学模型(1)实测质量分数单因子重金属污染物污染参数Cif计算公式为Cif=wi/win.(2)式中,Cif为某一重金属污染物的污染参数;wi为底泥中该重金属污染物的实测质量分数;win为全球工业化前沉积物中污染物质量分数.Hakason根据大量数据分析,提出镉(Cd),铜(Cu),铅(Pb),铬(Cr),锌(Zn)的质量比分别是1.0,50,70,90mg/kg和175mg/kg.多种重金属污染物污染参数之和Cd的计算公式为(2)潜在生态风险指数的ri单因子重金属污染物的潜在生态风险参数Eir计算公式为Eir=Tir·Cif.(4)式中,Tir为单因子重金属污染物的毒性响应参数.镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、铬(Cr)和锌(Zn)的毒性响应参数分别为30,5,5,2和1.定义总的风险参数之和为潜在生态风险指数RI计算公式为2重金属污染物含量变化通过对昆明盘龙江底泥共17个样点底泥样品的测定分析,得出了5种重金属污染物锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)含量的变化分布图,见图2～6.2.1上坝村至罗帐村河段重金属污染的主要污染源底泥中重金属含量与自然因素(如水土流失,土壤元素背景值,水流速度等)和人为因素(如未经处理而排放的工业废水,生活污水,大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水,堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾等)有关.当河流或湖泊周围人类活动频繁时,人为因素对底泥中重金属含量的变化的影响起着主导作用.近年来,随着昆明市城市建设的不断发展,盘龙江已受纳越来越多的重金属污染物.人类活动对盘龙江底泥中重金属含量的变化的影响已十分明显.以工业污染源为例,昆明市政府2003年在滇池治理工程中列为主要工业污染源的72家工业企业中,有28家分布在盘龙江沿岸,占到总数的38.89%.因此盘龙江底泥重金属含量的变化是以人类活动影响为主要因素,以自然状况影响为次要因素.从图2～6盘龙江底泥5种重金属污染物含量变化曲线可以看出,盘龙江松华坝至滇池汇水口5种重金属的含量呈现出相似的分布特征,重金属的分布变化曲线类似于“W”状,5种重金属都出现了3个基本一致的污染高峰河段.分别为上坝村至罗帐村,油管桥至双龙桥,严家村至洪家村.上坝村至罗帐村重金属污染的第1个高峰段.该河段工业污染源数量较多,分布集中.有云南农药厂、昆明卷烟厂、昆明白水泥厂、茨坝塑料厂、昆明电子管厂、预制板厂、印刷厂等.这些工业污染源中存在重金属污染物排放量较高的污染企业.由于地处市郊,上坝村至罗帐村河段两岸分布有大片的农田,当地农民施用过量的化肥和农药也可能成为周围盘龙江流域水质中重金属污染源之一.此外,在北仓至罗帐村3个样点之间有大量的生活垃圾和建筑固体废弃物等,这些固体污染源在长期堆放和雨水冲刷下,也会释放出铅(Pb)、铜(Cu)等重金属污染物.以上因素可能是导致上坝村至罗帐村河段底泥重金属含量较高的原因.油管桥至双龙桥4个样点为重金属污染的第2个高峰河段.铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、锌(Zn)4种重金属污染物含量在整条河道的最高峰值也都分布在这一河段上.表明盘龙江底泥重金属污染在油管桥至双龙桥河段相对最为严重.这主要是由于油管桥至双龙桥位于昆明市区,市区分布着众多的工业污染源,如昆明日用化工厂、昆明纺织厂等,它们排放的工业废水或产生的工业废弃物都会导致底泥重金属污染物含量的上升.其次,从松华坝注入盘龙江的水量较小,这一河段河床相对平缓,使得盘龙江中游水流速度相对较慢,上游的重金属污染物在这一河段比较容易沉积到底泥中,这也会导致油管桥至双龙桥河段底泥重金属含量增加.第三,市区人口密度较大,学校、医院、宾馆等设施众多,是盘龙江流域生活污水和工业废水排放量最大的河段.大量的重金属污染物随污水排入到江中,并且市区中许多生活垃圾,如电池、化妆品等都是重金属污染物含量较高的物质,这些都会引起附近样点重金属含量的上升.以上3个方面因素的综合效应可能是导致盘龙江重金属含量最高峰值集中出现在油管桥至双龙桥河段的原因.重金属污染物含量上升的第3个高峰河段是下游严家村至洪家村.重金属含量的峰值集中在金家村和洪家村两样点处.由于该河段位于城郊,污染源较为复杂,特别是一些中小型工业污染源,如塑料厂、纸箱厂、塑料色母厂、橡胶厂、冶炼厂等,虽然排放量较小,但所含重金属污染物含量很大,具有较大的污染性.盘龙江底泥重金属含量的低值都规律地出现在松华坝、罗帐村下、双凤桥、滇池汇水口4个采样点.松华坝由于周围没有任何的污染源,重金属主要来自土壤背景,因此各种重金属的含量都基本为最低.罗帐村下出现重金属含量低值可能是因为该采样点水流速度较快,底泥沉积物较少,水质中重金属污染物不易沉积所造成.罗帐村下采样点附近有一个造成水位梯度的水闸,这是导致罗帐村下样点水流速度加快的主要原因.双凤桥底泥重金属含量低的原因可能也是由于水流急沉积物少造成,该样点目前正在施工,河道变窄是水速升高的主要原因.滇池汇水口出现重金属含量低值则可能是因为滇池水倒灌进盘龙江而使各重金属含量都极大地降低.2.2污水主要来源从图2～6可以看出,5种重金属单元素污染各有所不同,铜(Cu)污染的最低值位于松华坝(58.60mg/kg),最高峰值位于上坝村(1375.78mg/kg),该样点铜污染异常,高出其他采样点含量的10～20倍,与空白差异极为显著.但是上坝村附近没有相关的工业污染源,人口密度也非常小,污水来源不多,对于如此高的铜(Cu)含量,以及导致铜在这一样点成为盘龙江整个17个样点铜(Cu)含量最大值的原因尚不清楚,有待进一步研究.铅(Pb)的最低值位于松华坝(34.66mg/kg),最高峰值位于双龙桥(149.34mg/kg).镉(Cd)的最低值位于松华坝(0.74mg/kg),最高峰值位于南太桥(11.63mg/kg).锌(Zn)的最低值位于罗帐村下(105mg/kg),最高峰值位于南太桥(1950mg/kg).铬(Cr)的最低值位于罗帐村下(37.87mg/kg),最高峰值位于圆通桥(165.45mg/kg).铅(Pb)、镉(Cd)、锌(Zn)、铬(Cr)的峰值与周围人类活动的影响表现出较高的一致性.以铬(Cr)为例,出现最高峰值的圆通桥上游多个排污口,主要分布有昆明纺织厂、昆明穗丰食品厂、昆明橡胶厂等工业企业,橡胶、纺织行业都是6价铬排放较高的行业.2.3污染程度和潜在生态风险程度的评价盘龙江底泥中部分河段重金属污染较重,对水域和周围环境可能造成一定的影响.采用Hakason生态风险指数法对盘龙江底泥重金属污染物的污染程度和潜在的风险进行评价.根据Hakason提供的Cif,Cd,Eir和值表示的污染程度及潜在生态风险程度数值范围见表1.将计算所得的镉(Cd),铜(Cu),铅(Pb),铬(Cr)和锌(Zn)的质量分数分别代入(2),(3)公式,将计算结果再代入(4),(5)公式可计算出Eii和RI,结果见表2.2.3.1污染程度影响从水域总的污染物污染参数Cd程度看,松华坝、罗帐村、罗帐村下、双凤桥、南坝食品厂、滇池汇水口为低度污染;北仓、双龙桥、永平桥、严家村为中度污染;龙头街、油管桥、圆通桥、金家村、洪家村的污染程度为重度污染;上坝村和南太桥的污染程度为严重污染.从单因子污染物污染参数Cir值分析,铅(Pb)和铬(Cr)在盘龙江均处于低度和中度污染程度.锌(Zn)在上坝村、严家村、金家村、洪家村达到重度污染程度;在油管桥、圆通桥、南太桥达到严重污染程度.铜(Cu)在油管桥、圆通桥、严家村、金家村、洪家村达到重度污染程度;在上坝村、龙头街、南太桥达到严重污染程度.镉(Cd)在北仓、油管桥、严家村、金家村、洪家村达到重度污染程度;在龙头街、圆通桥、南太桥达到严重污染程度.结果表明盘龙江底泥已受到了重金属元素,特别是锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)的污染.重度污染和严重污染的样点主要集中在上坝村、龙头街、油管桥、圆通桥、南太桥、严家村、金家村和洪家村8个样点,这与周围污染源的分布有着密切的关系.2.3.2生态风险程度分析盘龙江底泥中重金属总的潜在生态风险程度RI在松华坝、北仓、罗帐村、罗帐村下、圆通桥、南太桥、双龙桥、永平桥、双凤桥、南坝食品厂、严家村、滇池汇水口为轻度污染;在上坝村、龙头街、严家村、金家村、洪家村达到中度污染;在圆通桥、南太桥的生态风险达到重度污染程度,其生态风险性较高,对水域和周围环境有较大的影响.分析单因子污染物生态风险程度Eir,铬(Cr)、铅(Pb)、锌(Zn)均处于低度或中度污染程度.镉(Cd)在上坝村、北仓、油管桥、严家村、金家村、洪家村达到较重污染程度;在龙头街、圆通桥达到重度污染程度;在南太桥的生态风险达到严重污染程度.铜(Cu)在上坝村达到较重污染程度(有待于进一步研究).各种重金属污染物对盘龙江生态风险构成危害的影响程度排列次序为:镉(Cd)>铜(Cu)>铅(Pb)>锌(Zn)>铬(Cr).从整条盘龙江来看,松华坝、上坝村、罗帐村、罗帐村下以及下游严家村、金家村、洪家村和滇池汇水口8个样点底泥中重金属污染物的生态风险程度均处于低度或中度污染,但除松华坝和滇池汇水口外,其余6个样点镉(Cd)的单因子生态污染程度均已达到较重污染程度以上.该8个样点周围主要分布着农田、花圃和居民区,当地居民有使用江水灌溉的生产习惯.因此该6个样点的底泥不宜用作食用作物的农田污泥和肥料.3付款时3.1重金属污染程度从重金属含量的变化情况来看,盘龙江主要受到人为影响的干扰,重金属含量的变化与周围工业、农业和居民区的分布呈现出很高的一致性.盘龙江底泥中锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)达到严重污染程度,铅(Pb)、铬(Cr)处于低、中度污染程度.盘龙江底泥已受到了重金属元素一定程度的污染,特别是锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)的污染较为严重.盘龙江底泥镉(Cd)单因子污染程度较高,达到严重污染,因此盘龙江底泥不适宜用于食用作物农田污泥和肥料.从重金属含量对水域和周围环境总的潜在生态风险影响程度来看,上游和下游均处于轻度或中度污染.中游油管桥至南太桥河段风险指数达到重度污染程度.各重金属元素对盘龙江生态风险影响程度排序为:镉(Cd)>铜(Cu)>铅(Pb)>锌(Zn)>铬(Cr).3.2加强盘龙江污水治理,完善市场体制,使盘龙江污水治理的物质(1)