黄河宁蒙段表层沉积物中重金属及磷元素的分布与成因

摘要

黄河宁蒙段地处黄河上、中游过渡河段，全长730 k m，约占黄河总长的13％，是中国北方重要的工、农业集中地。随着临河工、农业的迅猛发展，流域内的表层沉积物不可避免的受到了重金属和营养元素的污染，因此加强黄河宁蒙段流域表层沉积物中重金属和营养元素迁移转化机制的研究显得尤为重要。为查明黄河宁蒙段重金属（Co、Cr、N i、Cu、V、Zn）污染现状，本文采集了56组河床表层沉积物样品，通过分析其粒级与元素组成，来探讨这些颗粒相的来源、重金属污染状况及其成因。本文利用重金属的累积分布函数确定出它们的地球化学基准值（Geochemical Baseline Level。GBL）和平均背景值，基于主成分分析和层次聚类分析将样品分成粗颗粒样品和细颗粒样品两类，通过富集因子确定出该河段重金属污染状况。结果表明，河床沉积物中的粗颗粒相（中砂和粗砂）主要源于河道附近的沙漠，粘土和粉砂粒级的沉积物主要由上游河流搬运而来，细砂则是源于上游河段与附近沙漠的混合沉积产物。粗颗粒样品大多临近沙漠和支流汇流处，其Cu（18.04±3.80 mg kg-1）、V（53.47±10.57 mg kg-1）、Zn（34.89±9.19 mg kg-1）、Ni（23.86±6.84 mg kg-1）、Cr（65.07±19.51 mg kg-1）含量较低，Co（213.40±69.71 mg kg-1）元素含量较高；细颗粒样品多分布于人类工业活动比较强的城市（尤其是乌海，巴彦淖尔，包头和托克托）及其附近地区，Cu（25.01±7.61 mg kg-1）、V（73.17±18.92 mg kg-1）、Zn（55.62±18.93 mg kg-1）、Ni（30.21±7.90 mg kg-1）、Cr（84.34±49.46 mg kg-1）在粘土组分的影响下浓度较高，Co（112.02±48.87 mg kg-1）元素含量较低。乌海市（EFCr=5.19；EFNi=1.96）、巴彦淖尔市（EFCr=5.88；EFNi=2.08）和包头市（EFCu=1.55；EFZn=1.68）附近由于受人类工业活动影响，其Cr、N i、Cu、V、Zn的浓度均超过各元素对应的GBL（分别为85、34、27、75、62 mg kg-1）。在沙漠河段（乌海-包头段），由于特殊的沙漠地貌使得受污染的沉积物被稀释从而使得重金属的污染程度有所降低。相比之下，在水库冲刷和沙漠沙稀释的共同作用下，青铜峡-乌海段河床表层沉积物中C u、Cr、N i、V、Zn的浓度均未超过对应的GB L，污染程度相对较轻。
　　为查明黄河宁蒙段流域内营养元素的污染分布状况及其控制因素，本文沿河采集表层沉积物样品，通过分析总磷及其与相关物化指标的特征关系，来探讨颗粒相物化特征与地域性环境对半干旱区河流沉积物中磷元素的迁移、贮存机制。本文营养元素研究的采样点主要集中在河床、漫滩以及沿河沙漠三个区域内。本文利用磷元素的累积分布函数确定出它的GB L和平均背景值，基于主成分分析和层次聚类分析将样品分成粗颗粒样品和细颗粒样品两类，通过多元树形回归分析量化该流域表层沉积物中磷元素的主控因素对其分布的贡献率。结果表明，黄河宁蒙段流域表层沉积物中磷的整体污染最严重的区域出现在漫滩相中（562.40±65.05 mg kg-1），其次是河床相（544.46±95.76 mg kg-1），虽然河床相整体污染水平低于漫滩相，但在人类点源污染的干扰下流域表层沉积物中磷元素的最高浓度（749.40 mg kg-1）出现在河床相中；相比之下，受人为活动影响较小的沿河沙漠表土样中磷元素的污染程度最轻（300.69±107.91 mg kg-1）。钙-磷共沉淀（ⅰ）、铁-磷共沉淀（ⅱ）、粒级效应（ⅲ）是黄河宁蒙段河流沉积物磷分布的主要控制机制。河床与漫滩中三个机制对磷元素的贡献分别表现为ⅰ（74.7%）>ⅲ（1.2%）>ⅱ（1.1%）、ⅰ（75.3%）>ⅱ（9.1%）>ⅲ（1.6%）。河床表层沉积物中磷污染最严重的样品组主要受控于较稳定的ⅰ机制，而漫滩表层沉积物中磷污染最严重的样品组则受ⅰ和ⅱ两个机制共同影响。因此，在黄河宁蒙段流域表层沉积物中，相较于河床表沉积物而言，漫滩表层沉积物向水体释放磷的可能性和潜在危险性更大。

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第一章 绪论

1.1 研究现状

1.1.1 河流沉积物重金属污染分布及来源研究现状

1.2 河流沉积物中磷元素分布及来源研究现状

1.2 选题意义及拟解决问题

1.3 材料与方法

1.3.1 研究区域概况

1.3.2 采样与样品处理方法

1.3.3 数据处理及研究方法

第二章 黄河宁蒙段河床表层沉积物重金属的分布及来源

2.1 黄河宁蒙段表层沉积物重金属污染特征及来源

2.1.1 河床表层沉积物物化特性的正态分布检验

2.1.2 河床表层沉积物的样品分离

2.1.3 沉积物重金属背景值和地球化学元素基准值的构建

2.1.4 河床表层沉积物重金属的富集因子

2.2 讨论

2.2.1 河床表层沉积物的来源与粒径分布特征

2.2.2 河床表层沉积物重金属元素的平均背景值

2.2.3 地貌对河床表层沉积物中重金属的影响

2.2.4 人类工业活动对河床表层沉积物重金属的影响

2.3 小结

第三章 黄河宁蒙段流域表层沉积物磷的特征分布及来源

3.1 黄河宁蒙段流域表层沉积物磷的特征分布及来源的结果

3.1.1 流域表层沉积物物化特征及分布

3.1.2 流域表层沉积物中磷的污染状况

3.1.3 河床与漫滩表层沉积物中磷污染的控制因素

3.1.4 河床与漫滩表层沉积物物化特性对磷分布的影响

3.2 讨论

3.2.1 干旱区环境对流域表层沉积物中磷素分布的影响

3.2.2 河床表层沉积物中磷素的控制因素

3.2.3 漫滩表层沉积物中磷素的控制因素

3.3 小结

第四章 结论与展望

4.1 主要结论

4.2 问题与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢