太湖北部湖湾沉积物毒害污染物分布特征及风险评价——以重金属和多环芳烃为例

摘要

改革开放以来，随着太湖流域工农业快速发展和人口数量的增加，流域内用水量及工业废水排放量逐年增大，同时流域水土流失，农药及化肥进入湖区，致使太湖水质污染严重，尤其是处于太湖西北部地区的竺山湾、梅梁湾和贡湖湾。污染物的排入使得沉积物的淤积和污染更加严重，当水动力条件改变（浪、湖流、航运及生物扰动）时，沉积物中的污染物再次向上覆水体释放，对水质产生“二次污染”。因此，在外源污染得到有效控制后，研究太湖流域内的内源污染显得更加重要。本文针对太湖北部湖湾的水质及水域功能（饮用水水源地）特点，以湖心区为对照，选取竺山湾、梅梁湾、贡湖湾和湖心区为研究区域，并拟定沉积物中重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和16种多环芳烃为主要研究对象，分析太湖沉积物中持久性有毒污染物的污染特征，评价其生态风险，并通过持久性有毒污染物的垂直分布、沉积通量分布规律，来源解析、探明其历史排污情况；进一步分析沉积物-水界面处各重金属元素扩散通量，估算太湖沉积物中重金属的内源释放。主要得出以下结论：
　　（1）太湖北部湖湾及湖心区部分重金属存在一定程度的富集，存在轻微的生态风险。重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分别为0.34、89.33、36.53、49.29、15.20和87.86 mg?kg-1，分别超出太湖沉积物背景值的1.3、1.1、1.9、1.5、0.9和1.5倍。从空间分布来看，表层沉积物中重金属平均含量由大到小排序为：竺山湾>梅梁湾>贡湖湾>湖心区。1980年以前，沉积物中各重金属的含量和沉积通量随时间的变化较小，而在1980年以后均呈现出先增加后减少的趋势，分别在2004年和2000年达到最大值。富集系数表明元素Ni、Cu存在不同程度的富集，而Cd、Cr、Pb和Zn均未发生富集，结合主成分分析推测Cd、Cr、Cu、Ni和Zn这5种元素可能来源于工业废水和生活污水的排放，Pb来源于交通污染源。6种重金属元素的生态危害程度由大到小排序为：Cd> Ni>Cu>Pb>Cr>Zn，均无生态风险。重金属综合生态危害指数（RI）值显示，太湖整体上处于低生态风险，其中竺山湾（ZS1）达到中等生态风险。1980年以前，生态风险随时间变化较小，而自1980年以后呈现出逐渐增加的趋势，2000年达到最大值，之后又逐渐递减，尤其以Cd贡献最大，达到较强生态风险。
　　（2）太湖北部湖湾（竺山湾、梅梁湾、贡湖湾）及湖心区的沉积物-水界面，重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn均呈现出由沉积物孔隙水向上覆水释放的特征，存在潜在释放风险。太湖北部湖湾及湖心区沉积物-水界面以上（0~20cm）的上覆水中重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn平均含量分别为5.11、3.19、13.86、14.25、12.12和62.66 ug?L-1，符合《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》Ⅲ类水质标准。重金属元素在各湖湾随深度的变化，其孔隙水中浓度有一定的波动趋势。太湖沉积物-水界面扩散通量表明，重金属Cd、Ni和Zn在竺山湾存在由上覆水向沉积物孔隙水释放的特征，表现为“汇”的作用，且Zn的扩散通量最高，达到11.65 ug?m-2?d-1；重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn在梅梁湾、贡湖湾和湖心区均均存在明显的内源释放特征，存在一定的生态风险。表层沉积物间隙水IWCTU值显示，Cd、Cu和Pb可能会对生物产生毒性；NI指数的平均值为3.06，说明太湖表层沉积物孔隙水中重金属存在较强的污染。
　　（3）太湖北部湖湾及湖心区沉积物中多环芳烃处于轻度污染水平，处于低生态风险。表层沉积物中16种多环芳烃总量范围为356.11~880.61 ng·g-1，平均值为548.67 ng·g-1，处于轻度污染水平，其中以中环和高环为主，苯并［b］荧蒽、苯并［k］荧蒽、菲、荧蒽和芘这5种组分含量占∑PAHs的68％。从空间分布来看，表层沉积物中多环芳烃平均含量由大到小排序为：竺山湾>贡湖湾>梅梁湾>湖心区。1980年以前，沉积物中多环芳烃的含量和沉积通量随时间的变化较小，而1980年以后呈现先增加后减少的趋势，在2000年达到峰值。太湖表层沉积物中多环芳烃的污染来源主要是木材、煤的燃烧源、汽油、柴油的燃烧源以及焦炭源。太湖表层沉积物中多环芳烃处于低生态风险，多环芳烃的TEQBaP平均值为52.82 ng·g-1，具有一定的潜在毒性。

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1绪 论

1.1课题背景

1.2持久性有毒物质的定义及性质

1.3重金属概述

1.4多环芳烃概述

1.5研究目的及意义

1.6研究内容及技术路线

2 研究区域和研究方法

2.1研究区域概况

2.2研究方法

3 太湖北部湖湾沉积物重金属垂直分布及生态风险评价

3.1引言

3.2结果与讨论

3.6本章小结

4 太湖北部湖湾沉积物-水界面重金属释放通量研究

4.1引言

4.2结果与讨论

4.3本章小结

5 太湖北部湖湾沉积物中多环芳烃的分布特征与风险评价研究

5.1引言

5.2结果与讨论

5.3本章小结

6 结论

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3研究展望

致谢

参考文献

附录A 试验用仪器及厂牌

攻读学位期间的科研成果目录