岩溶地下河系统中多环芳烃的迁移、分配及生态风险研究

摘要

岩溶地下水资源对我国西南岩溶区的重要性不言而喻，然而随着社会经济快速发展和城市化进程的加快，我国西南岩溶区水环境问题日益突出。这不仅与人类活动有关，同时也与岩溶环境本身的脆弱性密切相关。多环芳烃(PAHs)是一类持久性有机污染物(POPs)，普遍存在于环境介质中，其主要来自能源的燃烧。由于其具有毒性、能致癌、致突变而受到广泛关注。一旦进入岩溶环境有可能成为其最终归宿，危害岩溶生态系统和人类健康。为此，弄清岩溶地下河系统多环芳烃的来源、组成特征、环境行为、迁移和分配过程及生态风险，有助于提高对多环芳烃在岩溶地下河系统的污染机理的认识，具有重要意义。
　　本论文以重庆市南山老龙洞地下河系统为例，通过野外岩溶水文地质和污染源地面调查，野外定位观测、降雨期间采样监测，利用气相色谱—质谱联用仪为主要分析测试手段，以地下河及其地表污染来源为主线，研究多环芳烃在土壤、地表水、悬浮颗粒物、地下水、沉积物中的分布和污染特征及来源，分析多环芳烃在地下河中多相分配及影响因素，探讨多环芳烃在岩溶地下河系统中的迁移传输过程。结果分析表明:
　　1、地下河流域环境介质中PAHs含量、组成及污染水平。老龙洞流域表层土壤PAHs总量变化范围为277～3301 ng/g，平均值为752.6±635.5 ng/g，其组成以2～3环为主。其中7种致癌性PAHs总量平均占到∑PAHs的36.17％。土壤有机质(SOM)可能是影响PAHs含量的主要因素。受污水、季节的影响及不同PAH化合物的性质差异，水中PAHs含量和组成呈现不同的变化特征。与溶解态PAHs相比，地下河颗粒态PAHs含量较低，表现为雨季水中赋存于颗粒物上的PAHs含量高于旱季，主要与颗粒物的来源和性质有关。流域内水中PAHs以及悬浮颗粒物结合的PAHs组成均以低环为主，而高环PAHs几乎未检测到，这与低环溶解性相对较高有关。相对于溶解态PAHs，沉积物中，高环PAHs的比重相对富集，表明随着分子量的增大，PAHs化合物倾向于吸附在颗粒物上。
　　根据Maliszewska-Kordybach制定的土壤PAHs污染标准，研究区表层土壤PAHs污染水平分别达到轻、中等和重污染水平，其中大部分为中等污染水平;根据Baumard等的划分标准，老龙洞地下河沉积物PAHs污染处于中等到高污染水平。按照荷兰地下水水质标准和加拿大水质标准，老龙洞流域水中PAHs以低环污染为特征;而以PAHs总量来看，地下河流域水中PAHs污染只有少数月份超出中国饮用水标准。与其他地区河流相比地下河PAHs污染水平居中，但岩溶区特殊的形态和环境有利于富集PAHs等持久性有机污染物，应该引起足够的重视。
　　根据地下河潜在来源水中PAHs分子量特征及PAHs同分异构体比值解析表明，流域内水中PAHs主要来自于石油源;综合运用PAHs分子量特征比值、同分异构体比值和主成分/多元线性回归分析表明，流域内土壤PAHs污染主要来自交通排放与煤炭、石油及生物质的燃烧源和石油产品泄漏的混合源，其中来自于燃烧源占56.4％，而石油源占到43.6％。
　　2、岩溶地下河PAHs多相分配及影响因素。研究表明有机质是控制老龙洞地下河水相、沉积物、颗粒物中PAHs的行为和归宿的重要的因素。其中溶解性有机碳(DOC)、有机碳(TOC)与PAHs的关系相对明确，而与颗粒物有机碳(POC)的关系比较复杂。溶解性有机质(DOM)能够促进和积累低环的溶解态PAHs，是影响溶解态PAHs含量的主要因素，同时是高环PAHs重要的贮存库。悬浮颗粒物(SPM)是影响溶解态PAHs含量的因素之一。与溶解相PAHs有所不同，颗粒物有机质(POM)对PAHs的影响不显著，主要是因为存在DOM等胶体物质的影响。老龙洞地下河沉积物TOC与总PAHs含量成显著正相关，表明了沉积物有机质是影响沉积物PAHs含量的主要因素，但InP、DaA和BgP与TOC并不显著相关。说明除了有机质外，还有另外的因素在影响沉积物PAHs的含量，需要更为详细的分析。
　　通过研究表明颗粒相—水相PAHs分配系数与POC无关系，而悬浮颗粒物对分配系数有显著影响，原因是悬浮颗粒物浓度能够带来更多的DOC，导致DOM与POM相互竞争吸附PAHs。通过研究PAHs在沉积物—水相间的分配，获得了表征有机碳归一化的分配系数Koc与辛醇-水分配系数Kow之间的线性自由能方程。发现地下河沉积物对PAHs化合物的亲脂性较差。
　　3、岩溶地下河系统PAHs迁移传输过程。老龙洞地下河水与流域内其它水中PAHs相似的组成特征，示踪试验和不同水之间PAHs含量关系表明了岩溶形态对地下河系统PAHs的迁移有重要的作用。通过地下河上游与下游PAHs含量及组成比较发现2～3环PAHs表现为远距离迁移，而4～6环PAHs亲颗粒性高，溶解性低，容易被沉积物或者碳酸盐岩吸附，迁移能力不足。多环芳烃在地表土壤和地下河沉积物间的交换模式表明，地下河出口沉积物主要来源于上游水体传输及地表土壤的输入。
　　降雨监测表明，降雨期间落水洞的水输入和地表水渗入是控制PAHs迁移过程的主要因素，不同结合态的PAHs受控于水动力条件。降雨能够促进地下河系统PAHs由地表向地下迁移，而且流量越大，迁移量越大，一旦有足够的雨强，不仅带来更多的悬浮颗粒物，而且使高环PAHs更容易迁移，同时迁移过程中受DOC、POC、悬浮颗粒物浓度及颗粒物本身的种类和性质的影响，使得PAHs在各相中的分配产生差异。
　　4、岩溶地下河流域PAHs的生态风险评价。运用风险商值(RQ)法对水中PAHs生态风险进行评价，结果发现在检测到的PAH化合物的生态风险水平处于中等污染和重污染风险。以总PAHs来看，桂花湾泉和老龙洞地下河出口达到高风险等级，已严重污染;赵家院子泉和地表水处于中等风险2级别。老龙洞沉积物PAHs处于低风险水平，很少产生负面生态效应，而仙女洞PAHs污染存在较高的生态风险，这与ERL/ERM和TEL/PEL法，平均效应区间中值商法(M-ERM-Q)评价结果基本一致。土壤PAHs污染为中等风险。老龙洞流域水中3环PAHs对生态压力贡献较大，而土壤和沉积物中2环和3环贡献较大，因此需要采取有效措施减少2～3环PAHs的污染。
　　表层岩溶系统由于土层薄，岩溶裂隙发育，利于PAHs进入表层泉，导致桂花湾泉和赵家院子泉PAHs污染仍存在较高的生态风险。黄桷垭污水切断前后，老龙洞水PAHs污染分别处于高风险和中等风险状态。地下河的补给来源的介质中PAHs污染的生态风险越高，地下河中PAHs污染的生态风险也越高。不同分子量PAHs迁移行为的差异，导致老龙洞地下河上游和下游生态风险水平在水中和沉积物中有所差异，高环PAHs富集在地下河管道，其在逐渐往下游迁移过程中，将对下游的生态构成威胁。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 岩溶地下水资源的重要性

1．1．2 岩溶水文系统特殊的脆弱性

1．1．3 岩溶地下水污染的普遍性及严重性

1．1．4 多环芳烃研究的重要性

1．2 国内外研究现状

1．2．1 多环芳烃的特性、来源及生态环境意义

1．2．2 多环芳烃在环境介质中的污染状况

1．2．3 PAHs在各环境介质间的迁移及影响机制

1．2．4 环境介质中PAHs源解析研究

1．2．5 岩溶区持久性有机污染物(POPs)研究

1．2．6 研究区多环芳烃的前期研究

1．3 科学问题的提出

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 拟解决的问题

1．4．4 技术路线

第2章 研究区概况与研究方法

2．1 研究区概况

2．1．1 自然地理概况

2．1．2 研究区水文地质

2．1．3 土地利用状况

2．1．4 水环境污染状况

2．1．5 研究区污染源现状调查

2．2 样品的采集与实验测试分析

2．2．1 样品的采集

2．2．2 实验室测试分析

第3章 岩溶地下河系统多环芳烃变化特征及来源解析

3．1 地下河流域表层土壤多环芳烃含量、组成及影响因素

3．1．1 地下河流域表层土壤多环芳烃含量及组成

3．1．2 表层土壤有机质、pH值与多环芳烃的关系

3．1．3 土壤多环芳烃的污染程度

3．2 地下河流域水体多环芳烃变化特征

3．2．1 地下河溶解态PAHs月变化特征

3．2．2 地下河颗粒态PAHs月变化特征

3．2．3 流域内其它水点PAHs含量和组成变化

3．2．4 流域内水中多环芳烃污染水平

3．3 地下河沉积物多环芳烃的污染特征

3．3．1 地下河沉积物多环芳烃含量和组成变化

3．3．2 地下河沉积物多环芳烃污染水平

3．4 地下河流域环境介质中多环芳烃来源解析

3．4．1 分子量特征比值

3．4．2 同分异构体比值

3．4．3 主成分分析／多元线性回归法

3．5 小结

第4章 岩溶地下河多环芳烃多相分配及影响因素研究

4．1 地下河溶解态多环芳烃含量的影响因素

4．2 地下河颗粒态多环芳烃含量的影响因素

4．3 地下河沉积物多环芳烃含量的影响因素

4．4 地下河中多环芳烃的分配

4．4．1 地下河中颗粒相-水相多环芳烃的分配

4．4．2 地下河中沉积相-水相多环芳烃的分配

4．5 小结

第5章 多环芳烃在岩溶地下河系统中的迁移传输

5．1 地下河系统水中PAHs的迁移

5．1．1 不同水中PAHs含量比较

5．1．2 地下河系统水中PAHs的迁移

5．2 地下河沉积物与地表土壤PAHs迁移和交换

5．3 地下河中多环芳烃的迁移传输

5．4 小结

第6章 岩溶地下河流域多环芳烃的生态风险评价

6．1 水中PAHs生态风险评价

6．2 沉积物中PAHs生态风险评价

6．2．1 ERL／ERM和TEL／PEL法评价

6．2．2 平均效应区间中值商法(M-ERM-Q)

6．2．3 风险商值(RQ)法评价

6．3 土壤PAHs生态风险评价

6．4 不同介质PAHs生态风险比较

6．5 小结

第7章 结论与展望

7．1 论文结论

7．1．1 地下河流域环境介质PAHs污染特征及污染水平

7．1．2 岩溶地下河PAHs多相分配及影响因素

7．1．3 岩溶地下河系统PAHs迁移传输过程

7．1．4 岩溶地下河流域PAHs的生态风险评价

7．2 论文的创新点

7．3 论文存在的问题及展望

7．3．1 存在的问题

7．3．2 展望

参考文献

致谢

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