山西汾河河流生态地球化学特征与重金属污染机制

摘要

汾河流域是山西省工业集中、农业发达的地区，在山西省的经济发展中具有举足轻重的作用。近年来降雨偏少，且季节性明显，河流的生态功能已大为衰退。随着直接或间接排入汾河的污染物越来越多，由此带来的环境污染与事故日渐突出，严重威胁着人类健康。其中重金属因其自身的非降解性和通过食物链富集、毒性放大的特性，其污染问题备受关注。
　　 本文主要研究内容如下：对汾河进行了系统的水体多介质(水、悬浮物、底泥)地球化学测量及河漫滩剖面测量；着重对八种重金属元素Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu、Ni、Zn进行了生态地球化学评价。尝试测定了汾河河漫滩沉积物的210Pb丰度。估算了汾河沉积物的沉积速率和重金属沉积通量；大致推导了重金属的主要污染时期。对重金属含量高的样品进行重金属形态分析，探讨了其生态危险性，并对重金属元素的来源及其迁移转化进行了探讨。
　　 论文主要成果与认识如下：
　　 (1)、汾河重金属在悬浮物中含量最低，在水中含量较高，在底泥中最高。从太原到河津，汾河重金属含量总体上趋于增加。
　　 黄河过滤水中重金属元素含量均低于河津过滤水中含量，黄河临猗重金属高于黄河禹门口。汾河枯水期悬浮物中重金属元素浓度均低于丰水期。反映在丰水季节泥沙夹带了大量的污染组分进入河流。汾河底泥的污染程度高于黄河。总之，汾河水体对黄河有明显的重金属输入污染。
　　 (2)、汾河污染物主要在太原盆地和临汾盆地沉积物中，太原盆地沉积物重金属峰值集中在12～66厘米，临汾盆地重金属富集峰值的深度大致在88～100厘米左右。推测重金属累积通量高值段出现在20世纪80年代初以后时期，为重金属人为负荷量输入高峰期。重金属浓度与其沉积通量分布呈正相关性，与南方河流不同。太原盆地和临汾盆地是汾河的纳污库，将来有可能是黄河新的污染源。
　　 (3)、采用目前国内外主要的评价方法，全面、客观评价了汾河水体及沉积物中重金属元素的污染程度。综合各种评价方法，认为汾河水体己受到重金属污染：Hg、Cr、Cd在河津为国家标准(GB3838-2002)Ⅴ类水，六个监测断面上Hg的含量均属国家标准V类水。汾河水体中Pb、As、Zn、Cu和Ni含量较低，污染较轻。汾河河漫滩沉积物主要污染也是汞镉污染，其他重金属污染相对较轻。六个沉积柱重金属污染程度递降的顺序为，MHH1420副>MHH1419>MHH1418>MHH1421>MHH1414>MHH1417，除MHH1418(介休)无重警样，其他沉积柱都出现了重金属污染严重现象，即生态系统服务功能严重退化，生态环境受到较大破坏，生态问题较大，生态灾害较多。
　　 (4)、对汾河河漫滩不同站位沉积物中Hg、Cd、Pb和Zn元素进行了形态分析，形态分析中各元素的“非稳态”含量可以反映不同站位人为因素的影响。Hg、Cd、Pb和Zn四种重金属中，Hg的迁移环境风险最低，Cd的环境风险最高，Pb和Zn存在潜在危害。当环境条件改变，沉积物中Cd最易活化释放到水体中，形成新的污染源，应引起足够重视。
　　 (5)、重金属来源研究采用与流域岩石重金属含量对比，结合相关分析和因子分析法，并与汾河流域工业发展状况进行对照。自然的汞主要来自P1x、C2、C3、O2f等沉积岩地层，岩浆岩和变质岩对汞污染的贡献很少。含镉偏高的地层主要是T1和C3。人为的汞镉污染主要与山西工业燃煤及采煤业有关。其他轻微或中等污染的重金属在沉积物中都显示不同程度的富集，除来自于流域岩石的自然风化和侵蚀外，也与流域内的人口激增和工商业蓬勃发展有关。此外，推测重金属富集的原因可能与汾河地堑的独特的地质构造有关，该结论有待进一步研究探讨。