西溪湿地底泥重金属竖向分布规律

浙江大学学报(农业与生命科学版) 36(5):578~584,2010Journal of Zhejiang University(Ag r ic &Life Sci )文章编号:1008 9209(2010)05 0578 07DOI:10.3785/j.issn.1008 9209.2010.05.016西溪湿地底泥重金属竖向分布规律陈如海1,詹良通1,陈云敏1,胡洪志2(1.浙江大学建筑工程学院软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江杭州310058; 2.杭州市林水局,浙江杭州310014)摘 要:利用特制的底泥取样器从杭州西溪湿地钻取通长的底泥试样,对不同深度底泥中重金属Cu、Pb、Zn进行测试,并分析重金属在表层底泥、底泥孔隙水及上覆水中的含量及相关性,用地累积指数法对底泥的污染程度进行评价.结果表明:该湿地0 6m深度内的底泥为轻度-中度污染,埋深大于0 6m的底泥没有被污染或者污染程度较轻;重金属在表层底泥孔隙水中的含量显著大于其在上覆水中的含量,由于浓度梯度,底泥孔隙水中的重金属会释放到上覆水中,因此如只实施换水处理难以根除水体污染问题,疏浚受污染的底泥是更有效的治理措施.根据测试结果,0 6m深度可作为湿地底泥疏浚的参考依据.关 键 词:底泥;重金属;水质;孔隙水;湿地中图分类号:X52 文献标志码:ACHEN Ru hai1,ZH AN Liang tong1,CHEN Yun min1,HU H ong zhi2(1.M inistr y of Education Key L aboratory of Sof t Soils and Geoenvironmental Engineering,College of Civ il Engineering and A rchitectur e,Zhej iang Univer sity,H angz hou310058,China; 2.H angz hou Municip al Bureau of For estry&W ater Resources,H angz hou310014,China)Vertical distributions of heavy metals in bottom sediment in Xi xi national wetland.Jo urnal of Z hejiang U niv ersity(A g ric &L ife Sci ),2010,36(5):578 584Abstract:A special sampler was made to dr ill o ut long and integ rated sediment samples fr om Xi x i natio nal wetland of Z hejiang P rov ince,and the contents of Cu,Pb and Zn in the sediments at differ ent depths w ere test ed to evaluate pollutio n deg r ee of the heav y metals,as well as to det ermine their distr ibutio n alo ng depth in the wetland using the method of geo accumulatio n index.T he t ests and evaluation r esults show ed that the sediments w ere moderately po lluted w ithin0 6m below the riv er bed,and not polluted at the depth deeper than0 6m.T he concentr atio n of heavy metals in the shallo wsediments w as fo und to be higher than t hat in po re w ater,w hich w as in turn much mo re than that in t he abov e w ater.H eav y metals in po re w ater of sediment s co uld be released into the above w ater due to t he concentr atio n g radient,indicating that the water quality in the w etland could no t be co mpletely recover ed o nly by r eplacing the polluted w ater w ith clean wat er,but needed to dr edg e the co nt aminat ed sediments in the wet land.T he top0 6m sediment should be dr edg ed fr om an eco no mic po int of v iew.Key words:botto m sediment;heavy metals;w ater qualit y;po re wat er;w etlands收稿日期:2009 11 25基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50538080);杭州市水利规划设计研究院委托项目.作者简介:陈如海(1976 ),男,江苏盐城人,博士研究生,从事环境岩土工程研究.E mail:crh76@.通信作者:詹良通,男,教授,博士生导师,从事非饱和土力学、环境岩土工程及边坡工程研究.T el:0571 ********;E mail: z hanlt@.陈如海,等:西溪湿地底泥重金属竖向分布规律 湿地、湖泊水体污染的治理,除了控制外源性污染物的输入外,还要对内源性污染物(底泥)进行治理.在底泥污染中,重金属污染以其毒性大[1]、难生物降解去除[2]、能通过食物链影响人的身体健康[3 4]而显得尤为突出.国内外已有不少学者关注底泥重金属污染问题并开展了相关研究.杨丽原等[5]对南四湖表层底泥重金属进行了调查分析,结果表明底泥中绝大多数重金属含量均高于背景值,并根据区域污染的轻重程度,确定了不同污染物的来源.辽东湾湿地底泥中重金属含量分别比过去增加了1 1~9 1倍[6].太湖湖心、内湖和湖岸边底泥均受程度不同的重金属污染,其中Cu 污染级别较高,并集中于太湖北部地区[7].A nna 等[8]研究Po 河表层底泥时发现,重金属在底泥表层的污染顺序为Cd>Pb>Zn,并且在过去10年中底泥重金属含量增长较快.底泥不仅作为 汇"累积水体中的重金属,当条件改变时又会作为 源"将重金属再次释放到上覆水体中,从而引起水体二次污染[9].这些研究成果既加深了人们对水体及底泥重金属污染规律的认识,也使人们认识到对底泥重金属污染的修复迫在眉睫;由于研究地区环境的不同,各地区底泥中重金属污染程度和范围有较大的差异,特定地区底泥重金属污染修复需要详细的取样和测试,特别是重金属在底泥竖向上的分布规律和评价已成为修复工作的重要依据之一.本文调查研究的西溪湿地是一个国家级湿地,区内河网密布,池塘众多,水面率高达50%,属河流兼沼泽型湿地.该湿地底泥中重金属污染主要来自2个方面:一是该湿地上游乡镇部分未经截流处理的生活和工业污水均通过河道进入该湿地;二是该湿地地处城郊,又紧靠城市交通的主干道,大量汽车及工业活动向空气中排放的废气中含有许多重金属污染元素,这些废气被大气中的微尘吸附后,以降尘方式落在地面 .本次取样调查区域面积约3 15km 2.引自西溪国家湿地公园生态监测体系研究报告(六).本文利用特制的取样器钻取通长的底泥试样,检测重金属在底泥、底泥孔隙水和上覆水中的含量,研究该湿地底泥重金属竖向分布规律,分析重金属含量在孔隙水和上覆水中的相关性,旨在为底泥疏浚深度选取提供重要依据,为进一步研究污染物在底泥中累积 扩散规律提供重要数据.1 材料与方法1 1 取 样取样工作从2007年11月份开始,5个取样点都布置在西溪湿地公园 期工程的未疏浚河道中,其中No 1~No 3所处河道较宽,行船较多,No 4~No 5所处河道较窄,水流较慢,这样布置钻孔能使本测试结果有较好的代表性,具体位置见图1.为保证取土成功,每个取样点设置2个取样孔(Zk1、Zk2,间距1m 左右),以供平行测试.取样时尽量避开受行船扰动较大的河道中心位置,且需保证未曾被疏浚过;为了避免地表冲积物对底泥的影响,取样点一般距离河岸3~5m,以确保所取底泥样品的典型性和代表性.图1 底泥取样点分布图Fig.1 Locations of bottom sedim ent sam pling采用特制的水下底泥取样器,架设于2条水泥船上(图2),将3m 长的PV C 管(d =100579第5期浙江大学学报(农业与生命科学版)mm)置入取样器中作为取样管,用夯锤将取样器打入底泥1~2m 深度(视底泥硬度而定),然后,一次性提取1~2m 通长底泥样.该取样方法可避免底泥试样被扰动,也可避免被污染或被水体稀释.取样器提出后,从底部开始,将PVC 管连同所取底泥锯成各20cm 长的小段,密封,保存在试样箱中.在每个取样点位置水面以下50cm 处采集2个水样作为底泥上覆水样品.本次调查共取锯好底泥样65个,水样10个.各点取样深度及数量见表1.图2 水下底泥取样Fig.2 U nderw ater sampling of bottom sedim ents表1 各取样点取样深度及个数Table 1 Sampling depth and numb ers of sam ples taken at th efive sam pling location s地点取样深度/mZk1Zk 2底泥取样数目/个Zk1Zk2No 1116*6No 211 669*No 31 217*6No 41166*No 51 217*6注:*表示本文所采用的分析数据来源钻孔.1 2 测试项目包括底泥中Cu 、Pb 、Zn 含量和底泥孔隙水、上覆水中Cu 、Pb 、Zn 含量及pH 值等,同时测定对应风干底泥样的含水量.1 3 样品处理与分析方法底泥样品运抵实验室即进行前处理,不能立即处理分析的底泥,先置于冰柜冷冻室(低于-18 )保存.从每小段底泥试样中切取约400g 湿泥,置于风干盘中自然晾干,再剔除沙石等粗颗粒异物,拌匀后磨细过60目筛,用四分法取其中2份置于广口玻璃瓶中,一份留样,另一份采用微波密封消解法进行全消解,具体方法为:准确称取研磨处理后的底泥样品0 2000g 放入聚四氟乙烯消解罐中,依次加入浓HNO 35mL 、浓H Cl 2mL 、HF 1mL,摇匀后将消解罐密封置于WX 4000型微波炉中分步消解15min ,取出,冷至室温后将消解罐中的溶样全部转于聚四氟乙烯坩埚中,然后置于电热板上中温加热赶酸,待蒸至近干时,取下冷却,加入2%的稀盐酸5mL,用去离子水润洗聚四氟乙烯罐及坩埚后,将溶液移入100mL 容量瓶中定容,供进一步测试,空白样按相同条件消解制备.底泥孔隙水的获取有不同的方法,国外有采用高压气体在密封特制容器挤出底泥中的孔隙水[10];马英军等[11]采用高速离心法分离出需要的太湖底泥孔隙水.根据实验室条件,本次测试采用马英军等[11]的方法,将表层底泥(0~20cm 深度)经高速离心(5000r min -1,20min)后得少量上层清液,并经0 45 m 滤膜过滤得到待分析的孔隙水水样.底泥上覆水水样经沃特曼1号滤纸过滤后,测定水样pH 值,再加入稀硫酸调节至pH <2,0~4 低温保存,待分析.水样中重金属用等离子质谱仪(ICP M S,检测低限为0 1ng L -1)进行分析,泥样中重金属用等离子发射光谱仪(ICP AES)进行分析580第36卷陈如海,等:西溪湿地底泥重金属竖向分布规律(检测低限为0 1m g L -1).这2种方法均为 土壤环境监测规范 (H J/T 166 2004)推荐的等效检测方法.2 结果与分析该湿地底泥中Cu 、Pb 、Zn 含量(指晾干土中的含量,下同)及其竖向变化见图3.从范围上看,湿地表层底泥(埋深浅于0 2m,下同)重金属含量均明显高于当地土壤背景值(Cu 背景=19 1mg kg-1、Pb 背景=22mg kg -1、Zn 背景=69 1m g kg -1)和湿地陆域重金属平均值(Cu 平均=36 8m g kg -1、Pb 平均=39 2mg kg -1、Zn 平均=91 5mg kg -1).根据我国 土壤环境质量标准 (GB15618 1995),该湿地底泥重金属含量满足土壤质量 级标准.(A~E):依次为取样点No.1,No.2,No.3,No.4,No.5.图3 各取样点底泥中重金属含量沿深度分布图Fig.3 Change of h eavy m etal con tents w ith the d epth of sedimen ts从竖向上看,底泥重金属含量总体呈下降趋势,Cu 、Pb 含量一般在0 4m 深度附近开始达到或趋近陆域土壤的平均值,埋深大于0 4~0 6m 的底泥中Cu 、Pb 含量更小并趋于稳定.重金属Zn 在底泥中的迁移较Cu 、Pb 更为活泼[12],各取样点底泥中Zn 含量一般在0 6~0 8m 深度达到或趋近陆域土壤的平均值,取样点No 3处底泥Zn 含量在0 8m 深度以下虽然一直略高于其陆域平均值,但其含量起伏不大,并有逐渐变小的趋势.总体来说,该湿地底泥中重金属含量随深度增加而减小,表层含量最高,在0 4~0 8m 深度达到或趋近陆域土壤的平均值.有的取样点(如N o 1和No 5)表层污泥的重金属含量比下卧底泥(0 2m 深度附近)小,这可能与该处表层底泥受到船只航行或其他人为扰动.沈亦龙等[13]对太湖五里湖581第5期浙江大学学报(农业与生命科学版)0 5m深度范围内底泥进行研究发现,由于湖水的流动和上覆水体界面间的交换作用,底泥表层(0~5cm)含量较低,中层(5~20cm)含量高,这一现象与取样点No 1和No 5的测试结果相符.20世纪70年代在欧洲发展起来的地累积指数(I geo)法被广泛应用于沉积物中重金属污染等级的评价[14].H abes等[15]用地累积指数法对约旦W adi A l Arab大坝地区底泥中重金属污染程度进行分级评价,得出了各重金属的污染程度和范围;A nna等[8]用地累积指数法对Po河表层底泥重金属污染进行分级评价,取得了较好的效果.作为一种较为成熟的方法,地累积指数法在对湿地底泥重金属污染评价中的应用也越来越广泛.地累积指数公式如下:I geo=log2(C n1.5B n),(1) 其中C n为样品中元素n的质量,m g kg-1;B n为元素n的背景值,mg kg-1;1 5为修正系数.表2为该湿地各取样点底泥中重金属地累积指数(I geo).该指数的分级标准及对应重金属污染程度的关系见表3.结果表明,在No 1处,底泥Cu、Zn含量最大值出现在0~0 2m深度范围,Pb含量最大值出现在表层底泥水土接触面处;No 2与No 5点处3种重金属含量最大值均出现在表层底泥水土接触面位置;而No 4点处重金属含量最大值都出现在0~0 2m深度范围内,这表明湿地底泥中Cu、Pb、Zn的污染程度不但随着湿地位置的不同而有所不同,而且在同一位置也是随着深度的变化而不断发生变化,无法简单笼统的对重金属污染程度进行排序也反映了底泥中重金属存在的多变性和复杂性.从竖向上看,0 4~0 6m深度以上各处重金属都有不同程度的中度污染,特别是取样点No 3和取样点No 4处底泥中Cu、Zn为中度 强污染,0 6m以下底泥基本未受重金属的污染或者污染程度很轻.表2 各取样点底泥重金属沿深度方向的地累积指数I geoT able2 Changes in geoaccumulation in dex(I geo)of h eavy m etal w ith the depth of s ediments深度/mN o 1Cu Pb ZnNo 2Cu Pb ZnNo 3Cu Pb ZnNo 4Cu Pb ZnNo 5Cu Pb Zn00 660 661 090 790 240 541 941 062 212 180 680 351 280 811 73 0 21 560 411 300 09-0 010 282 550 581 882 520 972 540 970 130 72 0 41 460 131 000 06-0 260 032 630 101 590 430 570 321 510 161 00 0 6-0 110 240 35-0 25-0 110 05-0 30-1 04-0 48-0 03-0 250 000 15-0 74-0 160 80 17-0 13-0 16-0 12-0 26-0 07-0 18-0 57-0 51-0 09-0 08-0 18-0 04-0 87-0 391 00 13-0 67-0 180 03-0 34-0 13-0 40-1 040 11-0 06-0 48-0 17-0 02-0 69-0 39 1 2---0 06-0 42-0 21-0 65-1 39-0 86----0 02-0 98-0 36 1 4---0 02-0 45-0 20---------1 6---0 09-0 42-0 20---------表3 地累积指数I geo分级标准及对应污染程度[16]T ab le3 Gradin g standard of geoaccumu lation index(I g eo)and corr espondin g pollution degreeI g eo<00~11~22~33~44~5>5级别0123456污染程度无污染无污染 中度污染中度污染中度污染 强污染强污染强污染 极强污染极强污染表4为重金属Cu、Pb、Zn在底泥上覆水、底泥孔隙水和底泥中的含量比较.结果显示,重金属在该湿地弱酸性(pH6 52~6 89)上覆水体中的含量很低,约为其在表层底泥总含量的1/10000或者更低,而从表层底泥离心脱出的孔隙水(pH5 75~6 28)中重金属含量明显高582第36卷陈如海,等:西溪湿地底泥重金属竖向分布规律于上覆水中的含量,一般为上覆水体的10~20倍,但均符合国家地表水二级质量标准.上述测试结果与蒋萏芳等[17]对淀山湖上覆水与底泥孔隙水中重金属含量测试及分析结果类似.另外,在表层底泥中,No 3和No 4点处Cu含量较高,No 3和N o 5点处则Zn含量较高,Pb 在各处底泥表层含量变化较小,而在No 1、No 2、No 33处河水中,重金属Cu、Pb、Zn含量略高于其在No 4和No 5河水中的含量.从相关性看,底泥中重金属含量与孔隙水中重金属含量有一定的相关性,而与上覆水中的含量相关性很小.在珠江河道,受感潮影响的河段底泥重金属释放大于非感潮河段释放速度,释放量增加0 32~1 78倍[8],这些说明水体和底泥受扰动程度对底泥向上覆水中释放重金属有一定的影响,但还不是唯一的影响因素,它还与外部重金属输入的变化、季节性水位变化、水体温度变化等因素有关,今后需要考虑多因素交互作用的数值模拟分析,以对底泥及水体重金属污染进行更科学的评价.表4 重金属在该湿地底泥和河水中的含量Table4 Heavy metal conten ts in the s ediments an d the u pper w ater b ody测定项目含 量*No 1No 2No 3No 4No 5 Cu0 00310 00410 00380 00280 0024上覆水体Pb0 00100 00120 0010--Zn0 00440 00450 00490 00350 0033Cu0 04650 05120 05330 05920 0601表层底泥脱出的孔隙水Pb0 01420 01370 01450 01390 0132 Zn0 05910 05720 07890 06850 0720Cu45 449 5110 0130 169 5表层底泥Pb52 338 969 052 857 9 Zn220151480132343注:*底泥含量/(mg k g-1),水样含量/(mg L-1);-:未检出项目.上述测试及分析结果表明:该湿地河道中的底泥一方面不断累积河水中的重金属,成为河水中重金属的 汇",另一方面也会通过底泥孔隙水与河水中重金属的浓度差不断向河水中进行释放而成为 源",河水及底泥受外界扰动较大时,河水中重金属的含量会因底泥释放量的增加而升高[18].短时间要取得治理修复的效果,疏浚底泥等工程性措施是较好的选择之一.此外,底泥疏浚的费用较高,而且疏浚深度不够甚至会加重水体的污染,所以在底泥疏浚工程中疏浚深度的把握显得尤为重要.鉴于以上原因,本次测试所得的0 6m深度可作为疏浚的参考依据之一.3 结 论本文利用通长的底泥试样测试得到的重金属Cu、Pb、Zn含量沿竖向变化规律明显:随着埋深增加总体呈降低的趋势,在0 6m深度附近趋于陆域土壤平均值.3种重金属含量均未超过国家土壤质量二级标准.用地累积指数对底泥重金属污染进行分级评价:3种重金属在表层底泥中的污染程度随着地点的改变而发生改变,同一地点不同深度重金属污染程度也不断发生变化,总体来看,埋深浅于0 6m的底泥污染程度较大,以中度污染为主,埋深大于0 6m的底泥没有受到重金属污染或者为轻度污染.底泥上覆水、底泥孔隙水及底泥中重金属含量的比较表明:表层底泥孔隙水和上覆水之间存在较大的浓度梯度,在适当条件下,底泥中重金属将向上覆水体释放,释放程度与水体净化及底泥的扰动程度有关,但不是影响上覆水中重金属含量高低的唯一因素.考虑到本次调查范围和次数的限制,有必要今后继续对底泥中重金属的释放过程及其影响程度作进一步监测和研究.对作为内污染源的底泥,相比其他措583第5期浙江大学学报(农业与生命科学版)施,疏浚应是一种更有效的治理措施,本次测试所得的0 6m深度可作为湿地疏浚参考依据之一,具体疏浚深度还需要更多更细致的工程勘测进行决定,使该湿地治理工程达到较好的环境、经济效益.References:[1] Razo I,Carrizales L,Castro J,e t al.Arsenic andheavy metal pollution of soil,water an d sedimen ts in asemi arid climate min ing area in M exico[J].Water,Air,&Soil Pollu tion,2004,152:129 152.[2] Yu R L,Yuan X,Zhao Y H,e t al.H eavy metalpollution in in tertidal sedimen ts from Quanzhou 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