黄河上游底泥重金属的空间分布与环境风险评价研究

【摘要】：黄河的水质直接关联着我国,尤其是西部地区的经济发展和生态安全。但随着黄河两岸工农业的快速发展和矿产资源的不断开发,加剧了对黄河水环境的影响和污染。重金属具有毒性大、难降解,且能沿食物链不断累积等特征,一直是水体环境备受关注的污染物。底泥是水体重金属污染物的源与汇,是水体环境的指示剂。在此背景下,本文以黄河上游底泥重金属为研究对象,利用空间插值、多元统计、污染和生态风险评价方法以及地理探测器模型,研究了底泥中重金属的分布特征、污染与潜在风险程度及其影响因子与来源,研究结果对黄河上游流域的环境保护、重金属污染的防治以及重金属影响模型的构建具有重要的现实意义。主要研究结果如下:黄河上游底泥中,除Zn外,Fe、Mn、Cu、Ni、Cr、Pb和Cd平均值均超过其对应岸上的土壤含量,尤其是Cr和Cd达到土壤含量的2.62和1.03倍,且均高于背景值(世界页岩含量),表明人类活动对底泥中重金属均有一定的影响,尤其对Cr和Cd的影响较大。底泥中Fe、Mn、Cu、Zn和Pb分布较集中,Ni、Cr和Cd分布较为分散。空间上大多重金属均在青海省尖扎县出现较高值;而Fe、Mn、Cu、Ni和Cd在甘肃省玛曲县呈现低值区。Fe、Mn、Cr和Pb的含量沿河分布相对平稳,且具有一定的相似性,整体上沿着河流呈下降的趋势。Cu、Ni和Zn沿河分布比较随机,没有规律可循。Cd沿河分布的差异性最大,青海段分布较为平稳,之后稍有增加,且振荡明显。黄河上游段底泥重金属富集程度整体不高,也未达到污染水平,但重金属间存在差异。Fe、Mn、Cu和Pb的EF1,I_(geo)0,ERI40,均属于无富集、无污染和低风险的水平。Zn、Cr和Cd的平均EF分别为1.36、1.56和1.25,均为微富集水平;Zn、Cr和Cd分别有22.95%、14.75%和6.56%样点的I_(geo)位于0～1之间,达到轻度污染;潜在生态风险方面,Zn和Cr为低风险,但Cd有27.05%样点的ERI位于40～80之间,达到了中等风险,因此Cr和Cd是主要的污染因子。不同土地利用类型区,黄河上游底泥重金属的含量存在一定差异。底泥中所有重金属的含量在工业区和农田区均较大,为微富集水平,达到轻度污染和低到中等的潜在生态风险。水域区,6个重金属含量均最小,为无富集、无污染和低风险水平。6个重金属中,Cd受土地利用类型影响最大,富集系数在不同土地利用类型区的变化顺序为工业(1.93)林地(1.92)农田(1.65)城市(1.04)水域(0.27),表明除水域区外都为微富集水平。在林地区、农田区和工业区Cd的I_(geo)分别为0.32、1.07和1.07,表明Cd在林地区达到轻度污染,在工业区和农业区达到了偏中污染水平。Cd在农田、林地、城市、工业和水域的ERI分别为64.50、58.00、20.00、71.00和4.50,表明在农田区、林地区和工业区达到中等风险等级,在城市和水域均为低风险等级。底泥各重金属空间分异性均受到所选因子的影响,其中受土壤类型和土地利用类型的影响均很小,但关键的影响因子因环境不同而有差异。在宁夏段底泥重金属空间分异性关键影响因子为路网密度(Q_(D,H)=0.78)和人均收入(Q_(D,H)=0.68),植被盖度的影响很小(Q_(D,H)=0.08);而内蒙古段关键影响因子为植被盖度(Q_(D,H)=0.76)和DEM(Q_(D,H)=0.74),路网密度对其影响很小(平均Q_(D,H)=0.17)。基于多元统计学分析得出黄河上游段底泥中Fe、Mn、Zn和Cr主要源于自然源,Ni和Pb源于不同的人为源,Cu和Cd源于自然和人为源。基于地理探测器模型分析得出:宁夏段Fe、Mn、Cu和Pb主要源于自然,Cd源于人为源,Ni、Zn与Cr源于自然和人为源;内蒙古段底泥中Fe、Mn、Zn和Cr主要源于自然,Cu与Pb源于人为源,Ni和Cd源于自然和人为源。底泥重金属均受到人类活动的影响,各重金属具体人为源的类型分别为:在宁夏段Cu和Pb元素主要源于交通运输、人类的经济活动以及底泥迁移;Ni和Zn主要源于大气沉降和人类非法排入;Cr源于工业排放;Cd源于交通运输和农业生产。在内蒙古段底泥中Cu源于农业生产;Ni主要来自农业生产,少量来源于工业生产;Zn和Cr主要源于工业排放和底泥迁移;Pb和Cd主要源于大气沉降和工业排放。