紫坪铺水库淤积物物化特性分析及重金属污染评价

李洪 由丽华 李昆鹏 石华伟 王丹柏

摘 要：為了掌握紫坪铺水库淤积物的物化特性及重金属污染特征、给淤积物多途径资源利用提供理论依据，基于库区21个淤积物深层样品测定结果，采用重金属地累积指数法、富集系数法及潜在生态风险指数法，对紫坪铺水库淤积物物化特性及重金属污染风险进行了分析评价。结果表明：截至2020年10月，紫坪铺水库淤积物总量为1.952亿m3，其中黏土约0.381亿m3、粉细沙约1.424亿m3、中粗沙及卵石约0.147亿m3，分别占淤积物总量的19.5%、73.0%、7.5%;淤积物湿容重平均值为1.7 g/cm3、干容重平均值为1.2 g/cm3、含水率平均值为46%，自上游库尾至坝前湿容重沿程变化较小、干容重沿程有减小趋势、含水率沿程有增大趋势;淤积物主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO组成，这4种氧化物约占80%;各取样点淤积物均为碱性，pH值自上游向下游有减小趋势;淤积物中氮磷钾总含量满足土地改良所需养分要求，但有机质含量相对较低;淤积物中Cd、Hg、Cu、Ni、As、Pb、Cr、Zn这8种重金属的综合潜在生态风险较低，大部分取样点重金属综合潜在生态风险等级为轻度，但坝前库区部分取样点Cd和Hg有中度潜在生态风险。

关键词：淤积物;物化特性;重金属;有机质;紫坪铺水库

中图分类号：X524;TV697.2+2   文献标志码：A     doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.028

引用格式：李洪，由丽华，李昆鹏，等.紫坪铺水库淤积物物化特性分析及重金属污染评价[J].人民黄河，2021，43（12）：139-142，146.

Abstract： In order to grasp the physicochemical characteristics and heavy metal pollution characteristics of Zipingpu Reservoirs silt， and provide a theoretical basis for the utilization of silts multi-channel resources， based on the measurement results of 21 silt deep samples in the reservoir area， the heavy metal accumulation index method， the enrichment coefficient method and the potential ecological risk index method were used to analyze and evaluate the physicochemical characteristics of Zipingpu Reservoir silt and the risk of heavy metal pollution. The results show that as of October 2020， the total amount of silt in Zipingpu Reservoir is 195.2 million m3， of which clay is about 38.1 million m3， silty fine sand is about 142.4 million m3， medium-coarse sand and pebbles are about 14.7 million m3. Correspondingly， they accounted for 19.5%， 73.0%， and 7.5% of the total sludge. The average wet bulk density and dry bulk density of sedimentation is 1.7 g/cm3 and 1.2 g/cm3， respectively， and the average moisture content is 46%. From the upstream end of the reservoir to the front of the dam， the wet bulk density has a small change along the way， and dry bulk density has a decreasing trend along the way， thus the water content has an increasing trend along the way. The sludge is mainly composed of SiO2， Al2O3， Fe2O3， and CaO， and these account for about 80% of the total content. The sludge at each sampling point is alkaline， and the pH value decreases from upstream to downstream. The total content of nitrogen， phosphorus， and potassium in the sludge meets the nutrient requirements for land improvement， but the organic matter content is relatively low. The heavy metals Cd， Hg， Cu， Ni， As， Pb， Cr， and Zn in the sludge have low comprehensive potential ecological risks. Most of the sampling sites have a low comprehensive potential ecological risk of heavy metals， but Cd and Hg in some sampling points in the reservoir area of the dam have a medium potential ecological risk.

Key words： silt; physicochemical properties; heavy metals; organic matter; Zipingpu Reservoir

紫坪铺水库距成都市约60 km，是以灌溉和供水为主兼顾发电、防洪、环境保护、旅游等综合利用的水利枢纽工程。受2008年汶川地震影响，库区两岸山体稳定性降低，导致暴雨时泥石流、山体滑坡等次生地质灾害频发并加速了库区淤积，至2020年10月累计淤积量达1.952亿m3，拦沙库容淤损87.1%[1]，严重影响了水库的功能和寿命。未来大规模开展水库清淤疏浚将是恢复淤损库容的最有效方式，对清出的淤积物进行多途径资源利用是减少其占用土地、避免二次污染的方向[2-6]，而淤积物物化特性及重金属污染评价研究可为其多途径资源利用提供理论依据。

1 研究方法

1.1 水库淤积物样品采集

根据紫坪铺水库干支流泥沙淤积状况，按照均匀、全面的原则，于2020年从坝前至库尾共布设21个深层取样点，其中：干流15个（从坝前向库尾编号依次为1～15），支流龙溪河3个（从沟口向上游编号依次为16～18）、寿溪河3个（从沟口向上游编号依次为19～21）。深层取样采用黄河水利科学研究院自主研发的DDC-Z-3型深水水库低扰动取样器[7]，采集淤积物表层以下4 m范围内柱状样，样品直径为75 mm，将样品直接封存于取样管内并垂直放置、运回实验室待测。

1.2 样品处理及检测方法

样品经自然风干，剔除植物枯枝及根系、砾石等，过2 mm干筛备试。参照水利部发布的《土工试验规程》（SL 237—1999）及相关研究方法[8-10]，采用马尔文MasterSizer2000型激光粒度仪测定样品颗粒级配，采用烘干法测定含水率、容重，采用PHS-3C pH计测定pH值，采用凯氏定氮法、重铬酸钾-容量法测定营养盐指标，采用X射线荧光光谱仪、等离子体发射光谱仪测定化学组成，采用NexI0N300X型电感耦合等离子质谱仪、原子荧光光度计测定重金属含量。

1.3 重金属评价方法

地累积指数法和富集系数法是广泛用于评价淤积物中重金属污染程度的方法[11-12]，潜在生态风险是表征重金属对生态环境影响程度的综合指标[13]，本研究将它们用于紫坪铺水库淤积物重金属污染评价。

1.3.1 地累积指数法

地累积指数法利用淤积物中某重金属（本研究对紫坪铺水库淤积物进行评价的重金属主要有Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg）的含量与其地球化学背景值的关系即地累积指数Igeo，直观反映該外源性重金属在淤积物中的富集程度。根据被评价重金属地累积指数Igeo的大小将淤积物被该重金属污染的程度分为7级，见表1。重金属地累积指数Igeo计算公式为

2 淤积物物化特性分析

2.1 淤积物粒径分布特征

库区淤积物粒径沿程变化与库区地形和水库调度运用方式有关，受超饱和输沙状态制约，紫坪铺水库淤积物总体变化趋势为沿程细化。截至2020年10月，紫坪铺水库淤积物总量为1.952亿m3，其中黏粒（中值粒径d50<0.005 mm）约0.381亿m3、粉细沙（0.005 mm0.25 mm）约0.147亿m3，分别占淤积总量的19.5%、73.0%、7.5%;坝前淤积泥沙颗粒相对较细，距坝10 km以下库区淤积泥沙中值粒径在0.01 mm以下，距坝10～18 km库区淤积泥沙中值粒径在0.1 mm以下，距坝18～20 km库区淤积泥沙中值粒径在0.1 mm以上甚至超过1 mm，距坝22.00 km以上库区淤积物基本为卵石[1]。

2.2 淤积物化学组成

紫坪铺水库淤积物的化学组成非常丰富，主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO组成（这4种氧化物含量约占80%），含有少量K2O、MgO、Na2O、TiO2等（见表2）。对比各取样点淤积物化学成分可知，第17、18号取样点SiO2含量较高而CaO含量较低，第1、2、16号取样点Al2O3含量较高，第21号取样点Al2O3含量最低而CaO含量最高。

2.3 淤积物容重及含水率

紫坪铺水库淤积物湿容重平均值为1.7 g/cm3、干容重平均值为1.2 g/cm3、含水率平均值为46%，自上游（库尾）至下游（坝前），湿容重沿程变化较小、干容重沿程有减小趋势、含水率沿程有增大趋势。

2.4 淤积物pH值

pH值是反映土壤酸碱性的重要指标，紫坪铺水库各取样点淤积物的pH值见表2。土壤酸碱性直接影响土壤中养分元素的存在形态和对植物生长的有效性，也影响土壤中微生物的数量、组成和活性，从而影响土壤中物质的转化。由表2中各取样点淤积物的pH值可知，紫坪铺水库各取样点淤积物均为碱性，其中位于上游库区的14、15、18、21号取样点淤积物为强碱性，其他取样点淤积物为弱碱性。

2.5 淤积物有机质及营养盐含量

根据全国第二次土壤普查推荐的土壤有机质含量分级标准（见表3），对紫坪铺水库淤积物中有机质含量进行分析。由图1可知，紫坪铺水库淤积物中有机质含量自上游库尾至坝前沿程呈增大趋势，其中：第14、15、18号取样点有机质含量达到6级土壤标准，第3、12、17、21号取样点有机质含量达到5级土壤标准，第1、2号取样点有机质含量达到3级土壤标准，其他12个取样点有机质含量达到4级土壤标准。

利用淤积物进行土地改良时，其所含营养盐中氮磷钾总含量应大于1%。由图2可知，紫坪铺水库淤积物中氮磷钾总含量满足土地改良的养分要求。

2.6 淤积物重金属分布特征

由图3可知，紫坪铺水库淤积物中所有重金属元素的含量均在第1、2号取样点最高，表明坝前库区是重金属富集最严重的区域;干流库区除Cr元素外，其他元素的含量沿程变化趋势一致;支流龙溪河除Hg元素外，其他元素在干支流交汇处及上游含量较高，中间河段重金属含量较低;支流寿溪河除Cr元素外，其他元素含量从上游至沟口逐渐增大。

3 淤积物重金属污染及潜在风险评价

3.1 淤积物重金属污染评价

紫坪铺水库淤积物中重金属的地累积指数Igeo计算结果见表4，重金属富集系数EF计算结果见图4。由表4、图4及表1可知：紫坪铺水库淤积物中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg等重金属污染等级属无或轻度，干流重金属地累积指数大于支流的，干流淤积物中各重金属污染程度顺序为Cu>Ni>Zn>Cr>Cd>Pb>Hg>As、支流淤积物中重金属污染程度顺序为Hg>Zn>Pb>As>Ni>Cd>Cu>Cr;库区大部分取样点深层淤积物中Ni、Cu、Zn、Pb、As、Cr、Cd、Hg等重金属基本无富集。

3.2 淤积物重金属污染潜在生态风险评价

紫坪铺水库淤积物重金属潜在生态风险指数RI计算结果见表5。由表5可知：紫坪铺水库淤积物各重金属潜在生态风险指数Eri 均值排序为Cd>Hg>Cu>Ni>As>Pb>Cr>Zn，其中：Cd的Eri 值范围为15.50～59.17，有23.81%的取样点Cd有中度潜在生态风险;Hg的Eri值范围为7.45～45.35，有9.52%的取样点Hg有中度潜在生态风险;8种重金属的潜在生态风险指数RI的范围为45.14～143.93，大部分取样点重金属综合潜在生态风险等级为轻度，有9.52%的取样点重金属综合潜在生态风险等级为中度，坝前库区淤积物重金属综合潜在生态风险相对较高，应予以重视。

4 结 论

（1）截至2020年10月，紫坪铺水库淤积物总量为1.952亿m3，其中黏土约0.381亿m3、粉细沙约1.424亿m3、中粗沙及卵石约0.147亿m3，分别占淤积物总量的19.5%、73.0%、7.5%。

（2）紫坪铺水库淤积物湿容重平均值为1.7 g/cm3、干容重平均值为1.2 g/cm3、含水率平均值为46%，自上游（库尾）至下游（坝前）湿容重沿程变化较小、干容重沿程有减小趋势、含水率沿程有增大趋势。

（3）紫坪铺水库淤积物主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO组成，这4种氧化物约占80%;淤积物均为碱性，pH值自上游向下游有减小趋势;淤积物中氮磷钾总含量满足土地改良的养分要求，但有机质含量相对较低。

（4）紫坪铺水库淤积物中Cd、Hg、Cu、Ni、As、Pb、Cr、Zn这8种重金属的综合潜在生态风险较低，大部分取样点重金属综合潜在生态风险等级为轻度，但坝前库区部分取样点Cd和Hg有中度潜在生态风险。

参考文献：

[1] 由丽华，李洪，李昆鹏，等.紫坪铺水库运用以来泥沙淤积特征分析[J].人民黄河，2021，43（11）：.

[2] 江恩慧，曹永涛，李军华.水库泥沙资源利用与河流健康[C]//水库大坝建设与管理中的技术进展：中国大坝协会2012年学术年会论文集.郑州：黄河水利出版社，2012：47-53.

[3] 江恩慧，曹永涛，董其华，等.黄河泥沙资源利用的长远效应[J].人民黄河，2015，37（2）：1-5，12.

[4] 江恩慧，曹永濤，郜国明，等.实施黄河泥沙处理与利用有机结合战略运行机制[J].中国水利，2011（14）：16-19，21.

[5] 王婷，王远见，曲少军，等.小浪底水库运用以来库区泥沙淤积分析[J].人民黄河，2018，40（12）：1-3，20.

[6] 李立刚，陈洪伟，李占省，等.小浪底水库泥沙淤积特性及减淤运用方式探讨[J].人民黄河，2016，38（10）：40-42.

[7] 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（增刊2）：18-19.

[8] PANDEY L K， PARK J， SON D H， et al. Assessment of Metal Contamination in Water and Sediments from Major Rivers in South Korea from 2008 to 2015[J].Science of the Total Environment，2019，651：323-333.

[9] 梁淑轩，王欣，吴虹，等.微波消解/ICP-Ms测定水系沉积物中的9种重金属元素[J].光谱学与光谱分析，2012，32 （3）：809-812.

[10] MULLER G. lndex of Geoaccumulation in Sediments of the Rhine River[J].Geojournal，1969，2（3）：108-118.

[11] 肖冬冬，史正涛，苏斌，等.滇池宝象河表层沉积物重金属含量空间分布特征及污染评价[J].环境化学，2017，36（12）：2719-2728.

[12] 鄢明才，顾铁新，迟清华，等.中国土壤化学元素丰度与表生地球化学特征[J].物探与化探，1997，21（3）：161-167.

[13] 中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990：330-381.

【责任编辑 张智民】