小浪底库区深层淤积泥沙重金属污染分析

杨 勇，张 雷，陈 豪，郑 军

(黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州450003)

小浪底库区深层淤积泥沙重金属污染分析

杨 勇，张 雷，陈 豪，郑 军

(黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州450003)

为掌握小浪底库区淤积泥沙重金属污染情况，采用低扰动柱状深层取样设备，在小浪底库区部分断面开展现场取样试验，首次获取了主河槽深层淤积泥沙样品，分析了样品中重金属元素的含量及分布特征。采用地质累积指数法和潜在生态危害指数法，分析了小浪底库区深层淤积泥沙的重金属污染程度和潜在风险程度。结果表明，重金属含量从高到低排列为Cr(铬)>Pd(钯)>As(砷)>Cd(镉)>Hg(汞)，小浪底库区淤积泥沙重金属含量具有随着深度增加而增大的趋势，大部分断面处于无污染状态，但各监测点的风险程度多处于中等生态风险。研究成果可为黄河水沙规律研究、黄河调水调沙和机械生态清淤等工作的开展提供重要基础资料。

重金属污染；深层取样；淤积泥沙；小浪底库区

0 引 言

黄河是世界上泥沙含量最高的河流，水少沙多，导致水库有效库容逐年减小，水库使用寿命缩短。黄河干流泥沙主要来自山陕区间的黄土高原，其植被条件较差，暴雨侵蚀比较严重。当黄河在兰州以上流域发生洪水时泥沙含量并不大，而在山陕区间发生暴雨导致洪水时会携带大量泥沙流向下游，同时这也是小浪底库区淤积泥沙的主要来源。进入河流水体的重金属污染物主要在水体沉积物(包括悬浮物和淤积泥沙)中富集，并通过水—沉积物交换作用在液相和固相之间迁移转化。水体中的重金属污染物不易溶解，会被水体中的沉积物所吸附，并随水流一起运动，当水流速度减小或沉积物负荷超过水流搬运能力时，携带重金属污染物的沉积物会进一步发生沉积，形成具有一定污染的淤积泥沙。当淤积泥沙受到扰动或水体特性发生变化时，极有可能会引起淤积泥沙中重金属污染物的释放，形成“二次污染”。因此，只做水质分析并不能全面评价库区污染程度。特别是黄河每年均进行调水调沙试验，更需要对河流库区中的沉积物重金属污染进行深入研究，以全面掌握库区污染程度。

近年来，国内频发河流湖泊水体重金属污染事件。如2005年北江Cd(镉)污染事件、2008年相继发生了贵州独山县、湖南辰溪县、广西河池、云南阳宗海、河南大沙河等5起As(砷)污染事件等等；由此可见，重金属污染已成为影响水体安全的突出问题。而小浪底库区的水体作为十分重要的饮用、灌溉水源，其库区水质情况受到人民群众以及相关部门的普遍关注[1]。目前，小浪底库区已开展了广泛的水体污染研究[2- 5]，但对库区淤积泥沙的重金属污染评价研究较少，特别是缺少针对库区主槽深层淤积泥沙重金属污染情况的研究。这主要是受库区水下深层淤积泥沙取样难度大、缺少深层淤积泥沙取样设备等的影响，使得深层淤积泥沙重金属污染情况的研究比较困难。

针对传统取样技术无法获取库区深层淤积泥沙的问题，黄河水利科学研究院首次研制出低扰动柱状深层取样设备[6]，该设备能够采集到深层淤积泥沙样品。利用该设备在小浪底库区典型断面开展了现场试验，首次获取了主河槽深层淤积泥沙样品，通过对样品的检测及分析，得到了淤积泥沙中重金属元素的含量及分布特征，探讨了深层淤积泥沙的重金属污染特性，评价了小浪底库区淤积泥沙重金属污染现状，可为今后库区乃至河道水沙规律研究提供重要的基础资料。

1 库区深层淤积泥沙样品采集

1.1 深层取样技术原理

借鉴深海沉积物保真取样原理，改造并研制出基于重力式活塞技术的低扰动柱状深层取样设备。设备主要由导流装置、触发装置、取样装置等部分组成。取样操作过程：当取样船舶行到取样断面位置并抛锚固定，利用升降绞车将取样器匀速放入水中；重锤触底触发释放机构释放取样装置，使取样装置在自重作用下插入库底淤积泥沙中；取样器完成取样并自动密封保证样品完整；回收取样器至船甲板，取出取样衬管，并将含有样品的衬管进行密封保存[6]。

1.2 采样点的分布与采集

小浪底水利枢纽是黄河上已修建的最大的水利枢纽工程，小浪底工程坝址位于黄河干流最后一个峡谷出口处，上距三门峡水利枢纽130 km，下距黄河花园口128 km，控制黄河92.3%的流域面积、90%的水量和近100%的泥沙。据《2012年黄河泥沙公报》，自1997年10月小浪底水库截流以来，泥沙淤积主要发生在黄河38断面以下的干、支流库段，其淤积量占库区淤积总量的95%。1997年～2012年的15年间，小浪底库区共淤积27.625亿m3。小浪底水库在来水小于2 000 m3/s时，一般为蓄水拦沙运用，控制低壅水，提高排沙能力，拦粗沙排细沙；在来水大于2 000 m3/s时，一般为低壅水排沙和敞泄排沙，发挥下游河道大水输大沙能力；对不利于下游防洪减淤的高含沙洪水，予以调节削减[7]。

2013年10月～11月，在小浪底库区开展了现场取样试验。根据当时水沙特性、水位深浅、船只操作安全等影响因素，选择小浪底库区黄河3～黄河50断面之间的8个断面和大峪河口1个断面作为典型取样断面，小浪底库区部分取样断面布置情况(见图1)。每个取样断面获取一定深度的淤积泥沙样品，采样点编号根据所取断面编号进行排序。在现场取样过程中，每个断面首先开展水下地形测量，分析水下地形现状；通过分析比选，选择地形较为平坦、水流变化较为稳定的主槽位置作为取样点，以利于提高取样效率和成功率。

图1 小浪底库区部分取样断面布置

由于各断面地形状况、水沙特点等取样工况不同，取样管中取得样品长度范围在0.6 m～3.0 m之间，根据每个样品自身长度(即取样深度)，沿样品长度间隔0.5 m取一个测验点以保证试验数据的代表性，分析淤积泥沙重金属含量变化情况。

2 库区淤积泥沙重金属含量测定结果分析

2.1 分析方法

样品由河南省岩石矿物测试中心分析，每个送检样品质量不少于1 kg，淤积泥沙样品经自然风干。利用淤积泥沙样品分析的项目为Pd、Cd、Cr、As、Hg。样品去除砂砾、石块、草等异物，烘干至恒重，最后粉碎达200目筛后，在干燥器中存放备用。Pd、Cd、Cr含量用XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪测定；As、Hg含量用AFS- 8330双道原子荧光光度计测定。检测依据为DD2005— 01《多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》[8]测试过程中进行重复样和标样分析。所用的聚乙烯和玻璃容器在14%的硝酸溶液中浸泡24 h以上，并用去离子水冲洗后低温烘干。

2.2 重金属测定结果

小浪底库区9个断面所取淤积泥沙样品中重金属含量列于表1。

表1 小浪底库区深层淤积泥沙中重金属含量

样品编号样品深度/mPb/10-6g·g-1Cd/10-6g·g-1Cr/10-6g·g-1As/10-6g·g-1Hg/10-9g·g-1黄河3-0.50.520.30.1432.17.6325.47黄河3-1.01.022.50.1437.78.2127.89黄河3-1.51.525.50.1239.811.2024.33黄河3-2.02.024.80.1539.59.0130.10黄河3-2.52.560.80.2957.212.95258.49黄河12-0.50.533.80.1136.69.8164.13黄河12-1.01.031.30.0832.58.7560.34黄河16-0.50.527.90.1636.29.8164.26黄河16-1.01.031.30.0832.58.7560.34黄河23-0.50.519.60.0533.17.1122.16黄河34-0.50.530.00.1687.516.3669.80黄河36-0.50.529.80.1884.716.3269.34黄河38-0.50.545.40.2080.016.22135.87黄河50-0.50.523.90.1634.48.1930.53黄河50-1.01.018.90.1030.27.5624.46大峪河口-0.50.525.90.2238.49.2051.88大峪河口-1.01.029.90.1944.29.2889.53平均值28.80.1453.111.4360.19

注：平均值为黄河3～黄河50断面深度0.5 m处各重金属元素含量的平均值。

从表1可以看出，大部分测点间的元素含量相差较小，但是最高值和最低值相差较大。其中，相差最大的是Hg，其最大值是最小值的12倍；相差最小的是As，其最大值是最小值的2倍；其他3种元素的差值在3～6倍之间。从重金属含量的绝对值来看，含量从高到低排列为Cr>Pd>As>Cd>Hg。同时，随着深度增加，重金属含量具有一定程度的增加。如黄河3断面，但在监测断面12和50则不符合这个规律。这可能是采样时间在黄河汛后，汛期易造成淤积泥沙的淤积和冲刷，这些条件为淤积泥沙中重金属的迁移转化创造了条件，特别是浅层淤积泥沙受到这些因素的影响更大；从而造成部分断面浅层泥沙的重金属含量略大于深层泥沙。

从沿程(上游至下游)来看，着重以0.5 m深度处样品分析，大部分元素变化比较平缓。黄河38断面的样品Hg含量较高值，达到均值的2倍多。从Cr、As的分布可以看出，黄河34～黄河38断面之间含量比均值大近2倍。分析其原因可能是此区间有含该3种元素的废水排入，或者黄河支流板涧河、涧河的泥沙中Hg、Cr、As的含量较高，它们随水流进入该库段沉积下来。其余断面的淤积泥沙重金属元素含量分布均匀，变化幅度不大(见图2)。

图2 黄河3断面淤积泥沙样品重金属含量

从图2可以看出，同一断面位置，在所取样品长度范围内重金属含量沿深度方向有增大的趋势，且除重金属As之外，深度从2.0 m到2.5 m有个明显增大的趋势。该现象可能是由于重金属污染物随着泥沙的沉积固结作用、重力作用等，沿着淤积泥沙空隙逐渐往深层泥沙运移的缘故；同时，表层淤积泥沙易受到水流水力特性的影响，如黄河调水调沙试验，从而给淤积泥沙中重金属污染物的释放创造了有利条件，也是浅层淤积泥沙中重金属污染物含量较低的一个原因。从这些研究成果可以看出，研究库区深层淤积泥沙的重金属污染情况，可为对开展黄河调水调沙和机械生态清淤等试验工作的开展提供基础数据资料。

3 污染程度评价

目前，国内国内外关于评价河流底泥中重金属污染的方法有很多，主要包括：地质累积指数法(index of geo-accumulation)[9]、污染负荷指数法(the pollution load index)[10]、潜在生态危害系数法(potential ecological index)[11]及脸谱图集法(face-graph)[12]等。其中，地质累积指数法和潜在生态危害指数法是目前使用较多且较成熟的重金属污染评价方法。本文采用这两种方法对淤积泥沙重金属的污染程度和潜在风险情况进行了评价。

3.1 地质累积指数法

地质累积指数Igeo是一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标，是德国海德堡大学沉积物研究所Muller教授提出的，已在欧洲广泛应用[9]。其公式为

Igeo=log2(Cn/1.5Bn)

(1)

式中，Cn是指元素n在沉积物中的实测含量；Bn是元素n在沉积岩中的地球化学背景值；1.5是表征成岩作用与背景值相互关系的常量。地质累积指数分为7级，即0～6级[13]，表示污染程度由无至极强，具体情况见表2。

表2 地质累积指数法污染程度分类等级情况

污染程度沉积物Igeo/g·g-1Igeo分级极强>56强-极强4～55强3～44中-强2～33中1～22无-中0～11无<00

注：背景值的选择是计算Igeo值的关键，不同的背景值会对计算结果造成较大的差异。本研究中采用黄河流域河南段土壤元素背景值作为计算所需的背景值[14]，即：Pb为25.73g/g；Cd为0.17g/g；Cr为69.03g/g；As为11.32g/g；Hg为0.061g/g。

3.2 潜在生态危害指数法

1980年，瑞典科学家Hakanson提出了潜在生态危害指数法。该方法不仅考虑了重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起[11]。具体如下：

(2)

(3)

(4)

3.3 淤积泥沙重金属污染程度及潜在风险评价

根据小浪底库区淤积泥沙中重金属的含量(见表1)，结合式(1)～式(4)及3.1中的背景值以及重金属污染程度分类等级和潜在生态风险参数分类等级，对各断面各重金属元素的污染程度和潜在风险程度进行评价，具体评价结果见表3。

表3 小浪底库区各监测断面淤积泥沙重金属污染程度及
潜在风险评价结果

样品编号样品深度/mIgeo评价污染等级PbCdCrAsHg潜在风险评价结果RI黄河3-0.50.50000053黄河3-1.01.00000056黄河3-1.51.50000053黄河3-2.02.00000060黄河3-2.52.511002246黄河12-0.50.50000078黄河12-1.01.00000068黄河16-0.50.50000086黄河16-1.01.00000068黄河23-0.50.50000034黄河34-0.50.50000097黄河36-0.50.500000100黄河38-0.50.510001150黄河50-0.50.50000061黄河50-1.01.00000045大峪河口-0.50.50000087大峪河口-1.01.000000108

从表3中可以看出，根据Igeo评价结果，只有黄河3- 2.5处的Pb、Cd、Hg和黄河38- 0.5处的Pb、Hg存在的一定的污染。其中，黄河3- 2.5处的Hg的污染程度最大，为中污染程度，其余各监测点均为无污染。根据潜在风险危害指数法评价结果可知，各监测点的风险程度为低生态风险～较高生态风险，其中大部分监测点处于中等风险程度，潜在风险评价结果最大值出现在黄河3- 2.5监测点，为246，处于较高生态风险程度；黄河38断面的重金属元素Pb和Hg的污染程度较高。其原因可能是，该断面的上游有较多的矿石冶炼厂、金属加工厂等企业，在生产的过程中会产生一定量的重金属元素，而部分重金属元素会通过面源或点源的形式进入黄河，造成该断面的污染程度较大。同时，从表3中可以看出，随着深度增加重金属污染程度和生态风险程度具有一定程度的增加，如黄河3断面；但在监测断面12、16和50的生态风险程度则不符合该规律，需进一步开展相应的重金属迁移转化机理研究。总之，小浪底库区大部分典型断面处于无污染状态，但是具有一定的生态风险，特别是深层淤积泥沙具有更大的污染程度和生态风险程度，在机械清淤或生态清淤时则需要考虑淤积泥沙重金属元素对生态环境的影响。

4 结 语

本次试验利用低扰动柱状深层取样设备，在小浪底库区首次获取了主河槽深层淤积泥沙样品，克服了传统的取样方式取样深度浅、扰动大的缺点，取样样品长度可达3 m以上；在监测各监测点重金属含量的基础上，运用地质累积指数法和潜在生态危害指数法对其污染和生态风险程度进行了评价。根据试验监测结果和评价分析结果可知：①检测的各重金属含量从高到低排列为Cr>Pd>As>Cd>Hg；②取样深度范围内，随着深度增加重金属含量具有一定程度的增加；③小浪底库区大部分典型断面处于无污染状态，而黄河3- 2.5取样点的Hg元素污染程度最大，为中污染程度；④淤积泥沙重金属污染物具有一定的生态风险，其中最大的生态风险程度出现在黄河3- 2.5取样点；⑤部分断面的重金属含量不太符合一般规律，需进一步开展相应的取样试验和重金属迁移转化机理研究。研究成果可为黄河水沙规律研究、黄河调水调沙和机械生态清淤等试验工作的开展提供重要基础资料。

[1]闫桂云， 崔鸿强， 殷维琳， 等. 小浪底库区水污染现状分析及对策[J]. 水资源保护， 2004， 02： 39- 40+43

[2]张炳臣. 黄河小浪底水库主要污染源及其对库区水质的影响[J]. 水资源保护， 1988， 04： 102- 106+88

[3]王丽伟， 曾永， 渠康. 小浪底水库水质变化特点及影响分析[J]. 水资源与水工程学报， 2007， 18(3)： 63- 65．

[4]苏畅， 张金水， 郑慧， 等. 小浪底水库富营养化趋势分析[J]. 人民黄河， 2013， 35(6)： 73- 74+79．

[5]宋华力， 杨勋兰， 穆伊舟. 小浪底水库水环境质量分析与评价[J]. 人民黄河， 2013， 35(7)： 57- 59．

[6]杨勇， 郑军， 陈豪. 深水水库低扰动取样器机械设计[J]. 水利水电科技进展， 2012， 32(S2)： 18- 19．

[7]水利部黄河水利委员会. 2012年黄河泥沙公报[R]. 郑州： 水利部黄河水利委员会， 2013．

[8]DD 2005—01. 多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)[S]．

[9]MÜLLER G. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J]. Geojournal， 1969， 2(3)： 108- 118．

[10]TOMLINSON D L， WILSON J G， HARRIS C R， et al. Problems in the assessment of heavy metal levels in estuaries and the formation of a pollution index[J]. Helgoland Marine Research， 1980， 33(1)： 566- 575．

[11]HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control-A sedimentological approach[J]. Water Research， 1980， 14(8)： 975- 1001．

[12]CHERNOFF H. The Use of Faces to Represent Points in K-Dimensional Space Graphically[J]. Journal of the American Statistical Association， 1973， 68(342)： 361- 368．

[13]弓晓峰， 陈春丽， 周文斌， 等. 鄱阳湖底泥中重金属污染现状评价[J]. 环境科学， 2006， 27(4)： 732- 736．

[14]盛奇， 王恒旭， 胡永华， 等. 黄河流域河南段土壤背景值与基准值研究[J]. 安徽农业科学， 2009， 37(18)： 8647- 8650， 8668．

[15]赵锁志， 刘丽萍， 王喜宽， 等. 黄河内蒙古段上覆水、悬浮物和底泥重金属特征及生态风险研究[J]. 现代地质， 2008， 22(2)： 304- 312．

(责任编辑陈 萍)

Heavy Metal Pollution of Deep Sediment in Xiaolangdi Reservoir

YANG Yong, ZHANG Lei, CHEN Hao, ZHENG Jun

(Yellow River Institute of Hydraulic Research, YRCC, Zhengzhou 450003, Henan, China)

In order to understand the heavy metal pollution of sediment in Xiaolangdi Reservoir, the field samplings are carried out in the typical sections by using low disturbance columnar deep sampling equipment, and the deep sediment samples in main channel are obtained for the first time. The content of heavy metal elements and their distribution characteristics are analyzed. In order to analyze the heavy metal pollution degree and potential risk degree, the geological accumulation index method and potential ecological harm index method are used. The results show that the content of each tested metal occurred from high to low in the order of Cr > Pd > As > Cd > Hg and the heavy metal contents of sediment are increased with the increase of depth, and most sections are in the condition of non-pollution, but the level of risk for most monitoring point is in the moderate ecological risk. The research results will provide important basic data for water and sediment research and regulation and mechanical ecological dredging experiment in Yellow River．

heavy metal pollution; deep sampling; sediment; Xiaolangdi Reservoir

2014- 11- 25

水利部公益性行业科研专项(201301024)；中国保护黄河基金会资助项目(CYRF2013- 003)；科技部科研院所技术开发研究专项(2013EG136205)

杨勇(1972—)，男，河南鹤壁人，教授级高工，博士，研究方向为水利量测及泥沙资源利用．

X524

A

0559- 9342(2015)12- 0005- 05