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《南昌大学》 2010年
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鄱阳湖重金属污染特征研究及环境容量估算

李鸣  
【摘要】:鄱阳湖位于江西省北部,是我国最大的淡水湖泊,也是重要的保护湿地和候鸟栖息地。近年来,随着经济社会的快速发展,鄱阳湖受重金属污染的范围和程度均有所增加。2009年底,“鄱阳湖生态经济区规划”上升为国家战略,鄱阳湖生态经济区的建设将进一步加快,环鄱阳湖城市群及相关产业将蓬勃兴起,如光电产业、新能源产业、生物制药产业、铜冶炼及精深加工产业、优质钢材深加工产业、炼油及化工产业、航空产业、汽车及零部件产业等,这给鄱阳湖“永保一湖清水”,减少或者控制鄱阳湖受重金属污染的程度和范围,带来新的重要挑战。因此,对鄱阳湖受重金属污染程度进行更多的了解,研究其重金属污染特征、影响因素以及在一定环境目标下对重金属的最大承受力等是非常重要的研究课题。 本文采集鄱阳湖湖区及主要河流入湖口处水体、表层沉积物及柱状沉积物样品并进行分析,全面研究鄱阳湖重金属含量水平和空间分布情况,运用相关分析法、主成分分析法等对重金属来源进行深入探讨,并结合鄱阳湖水文周期,分析鄱阳湖重金属污染的季节性变化特征。分别运用健康风险评价模型、潜在生态风险指数模型对鄱阳湖水体、表层沉积物受重金属污染程度进行评价。分析鄱阳湖重金属主要输入输出途径,运用相应重金属通量估算方法对鄱阳湖重金属出入湖通量进行估算。以II类地表水标准作为环境标准目标值,对鄱阳湖水体重金属进行对比约束,运用重金属环境容量模型,对鄱阳湖重金属环境容量进行估算。本文研究的主要结论如下: 鄱阳湖水体中,Fe、Mn、Zn含量较高,且FeMnZn,Cd最低;Pb和Cu、Zn及Cr具有相同的污染来源——大气沉降;Cu与Mn有很好的相关性,说明Cu污染来源包括自然因素;Zn和Fe,Cd与Pb、Cu及Zn可能存在拮抗作用。主成份分析表明,第一、第二和第三等前三个主成份的累积贡献率约为78.853%,大体上能够反映鄱阳湖水体中重金属污染物的基本来源情况:在第一主成份上,研究区域内重金属元素Pb、Cu、Fe、Mn表现出较高的正载荷,说明第一主成份代表所研究的各类污染来源的影响是最主要的。 鄱阳湖表层沉积物中,总平均值FeMnZnCuPbCrCd,较上世纪末期有不同程度的改变。除Fe、Mn外,大多数重金属具有相同的人为同源性——工业废水、生活污水和大气沉降;Fe和Mn两种元素主要来源于岩石圈矿物的溶解释放,具有一定的同源性;主成份分析表明,前两个主成份的累积贡献率约为70%,大体上能够反映鄱阳湖表层沉积物中重金属污染物的基本来源情况:在第一主成份上,研究区域的重金属元素Zn、Cr、Cu、Pb、Cd表现出较高的正载荷,说明第一主成份主要代表人为污染源输入的影响;Pb在第二主成份上呈现较高正载荷,主要表征了沉积物受大气飘尘沉降的影响;Fe、Mn在第三主成份上的载荷较高,主要表征了沉积物受径流携带土壤及岩石自然风化和侵蚀的影响。 鄱阳湖柱状沉积物中,湖口湖域和都昌湖域柱状沉积物重金属元素平均含量大小依次是:FeMnZnCuPbCrCd,与表层沉积物相同。以湖口湖域柱状沉积物为例,各重金属元素含量变化规律不明显,垂直分布图均呈不规则锯齿状,多数元素含量有上升趋势。各研究元素峰值出现深度不同,Fe含量在最浅层有峰值,Cr与Cu峰值出现在-2cm,可知近年Fe、Cr、Cu污染严重;Zn、Mn、Cd和Pb峰值出现于-20cm;Zn、Mn、Cr、Cd和Pb含量在表层至-32cm间呈现锯齿多峰状,说明该时间段,其空间内主要污染物呈现多元化,异质性较大;Cu与Fe在-6cm至-18cm之间,含量较为稳定,垂直分布图中间段呈现较为平坦的部分,说明该时间段内Cu与Fe沉积量稳定,接受外源污染输入较少。相关分析和主成份分析表明,柱状沉积物中重金属主要来源于流域矿业开采、冶炼过程以及化工产业的废水排放、自然风化、侵蚀和大气沉降。 鄱阳湖水体中,各种重金属含量具有较明显的季节性变化特征。在丰水期,Zn、Pb、Cu的含量出现最高值,Cd的含量在平水期1出现最高值;健康风险评价结果表明,各种重金属的健康风险值水平为:CdZnCuPb,Cd的健康风险值高出Zn、Cu、Pb的健康风险值2-4个数量级;各时期健康风险值水平为平水期1枯水期平水期2丰水期。鄱阳湖重金属具有低害性特征,其水体的健康风险值水平低于国家辐射防护委员会(ICRP)推荐的最大可接受风险值水平(5.00×10-5a-1)。对鄱阳湖底泥进行生态风险评估时发现,其底泥重金属生态风险程度较低。 鄱阳湖重金属污染特征受自然因素及人为因素的共同作用。自然因素中,全球气候条件变化下鄱阳湖地区气温升高,水体中悬浮物对重金属吸附量增加;雨水对尾矿中重金属的淋溶作用加剧,使尾矿、矿渣中重金属加快进入水体;强降雨作用增加了鄱阳湖地区大气重金属湿沉降、加剧了城市非点源污染及矿区重金属对水体污染;鄱阳湖湖区较强的风浪作用通过对表层沉积物的扰动促进了其中重金属释放。人为因素中,水利工程人为改变着重金属污染物在鄱阳湖区的生物地球化学行为;矿业开采属于鄱阳湖重金属的一大来源,降雨的淋溶也加剧了尾矿、矿渣中的重金属进入水体;湖区采砂通过对底泥的搅动导致重金属由底泥进入水体;船只的活动与运作加剧了重金属污染;人为调控一方面降低了鄱阳湖区域居民饮用水的健康风险,另一方面,导致重金属污染治理、控制的相对滞后,可能将给后期的防控工作增加困难。 Pb、Cu、Zn、Cd等4种主要重金属出入湖通量中,溶解态、悬浮态Zn、Cu、Pb、Cd的入湖总通量均依次降低。在组成上,溶解态重金属通量普遍低于悬浮态,表明重金属在赣江、抚河、信江、饶河、修水等5河水体中的主要存在形式为悬浮态。受河流上游影响,5河重金属入湖通量相差甚大,4种重金属的入湖总通量是:赣江饶河信江修水抚河;具体分析5大河流4种重金属元素的入湖通量如下:对于Pb,赣江信江修水饶河抚河,对于Cu,赣江信江饶河修水抚河,对于Zn,赣江饶河信江修水抚河,对于Cd,赣江信江饶河修水抚河;在4种主要重金属Pb、Cu、Zn、Cd的入湖总通量中,以陆源中的5河入湖通量为主,其大小顺序为:ZnCuPbCd;全年出湖通量Pb、Cu、Zn、Cd等4种重金属均为悬浮态平均值溶解态平均值,出湖重金属存在形态仍然以悬浮态为主,全年悬浮态、溶解态Pb、Cu、Zn、Cd出湖总通量均为ZnCuPbCd,总出湖通量为ZnCuPbCd。 以II类地表水标准为水环境标准目标值,估算结果表明,鄱阳湖重金属Pb、Cu、Zn、Cd年均水环境容量分别为:0.63 t/a、66.86 t/a、66.59 t/a、0.33t/a;鄱阳湖重金属水环境容量的季节性差异与规律性比较明显,丰水期重金属水环境容量最高,其次为平水期,枯水期的重金属水环境容量最低;全年重金属水环境容量变化趋势为先升后降的“单峰型”。
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