北方湖库沉积物重金属区域特征及生态风险评价

湖泊在水源供给、渔业养殖、水运、小气候调节、物种多样性保护等多个方面都具有着不可替代的作用[1].重金属元素是一种典型的具有强烈积累性和持久污染能力的污染物[2].在进入水体后一部分与水中的各类物质相结合沉积于水底,伴随着环境因素的改变逐渐释放,对水体造成持续的污染[3-4].

目前以白洋淀、衡水湖、于桥水库、松花湖、大伙房水库和小兴凯湖等为代表的淡水湖库,随着供给侧结构性改革持续深化,城市人口的不断集中,造成污水排放量逐年递增,湖泊水资源的过度开发利用[5],北方水资源日趋紧张、水环境有恶化现象出现.其相关水质情况及水生态研究就显得很有必要,崔志丹等[6]研究发现,松花湖沉积物中PAHs污染程度较低.高秋生等[7]研究发现,白洋淀沉积物重金属Cd污染极为严重,应立刻采取修复措施.王乃珊等[8]认为,衡水湖沉积物重金属 Hg存在富集现象,这与人类活动有密不可分的关系.目前已有研究多为针对单个湖泊的沉积物重金属研究,主要集中于水质的监测、水污染的治理等方面[6-9],缺乏横向的对比与北方多湖库的系统分析.所以,采用更科学的统计技术,系统的研究我国北方地区湖泊水资源的规律,不但可以为当地水质监测和水资源利用提供参考,也能为国家制定水资源相关政策提供数据支撑.

本研究通过对北方六湖库沉积物中重金属含量特征分析,运用优劣解距离多指标综合评价模型和潜在生态风险指数法对数据进行整理,并探讨重金属分布特征与生态风险,结合各湖库差异对北方地区做出综合评价,以期为北方地区水体污染防控和湖库生态环境的保护提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 采样点设置与样品采集

表1 北方六湖库水环境基本特征Table 1 Water environment characteristics of six northern lakes and reservoirs水体 沉积物采样湖库 水温(℃) pH值 COD(mg/L)粒径(μm)有机质(%)电导率(μS/cm)白洋淀 23.2 7.94 6.21 62.3 14.6 348.9衡水湖 18.9 8.13 4.34 54.4 10.9 159.7于桥水库 20.1 8.02 5.49 20.4 12.9 234.1大伙房水库 12.6 7.49 5.89 34.9 12.7 364.2松花湖 13.5 7.49 3.59 45.2 9.4 197.5小兴凯湖 7.8 7.79 3.01 39.8 8.7 201.9

2018年8～12月分别对白洋淀、衡水湖、于桥水库、松花湖、大伙房水库和小兴凯湖进行采样,根据湖泊大小、河流入湖位置和湖库水环境情况(表1),在保证湖面全覆盖的基础上设置采样位置：白洋淀采样点 15个、衡水湖采样点 10个、于桥水库采样点9个、松花湖采样点 29个(个别点位经、纬度缺失)、大伙房水库采样点10个、小兴凯湖采样点15个.

泥样采集：每个采样点用抓斗式采泥器采集0～10cm沉积物样品500g,每个采集点采集3个平行样品,混合后为1个沉积物样品,置于密封袋中[10].所用样品采集后立刻密封并低温保存,上岸后立即将所采样品送回实验室进行指标测量.

1.2 样品前处理与分析

沉积物样品经过冷冻干燥,剔除动、植物残体等杂质,经研钵研磨后过 100目筛,使用天平准确称取风干沉积物样品(0.)g,放置于消解管中,加3mL氢氟酸和4mL王水均匀混合后120℃消解4h,再加入2mL王水、2mL高氯酸均匀混合后120℃消解 4h,然后开盖在 160℃进行赶酸,至颜色清亮,呈胶状固体为佳,拿出前补加 2mL硝酸、10mL纯水,充分溶解后定容至 50mL.完成前处理后,样品重金属含量使用电感耦合等离子体质谱仪(安捷伦ICP-MS 7500CX)进行测定.

样品处理检测过程中,使用试剂纯度均为 GR,所有器皿均使用 35%硝酸浸泡 24h后,用去离子水清洗并干燥.每批次样品均设置 CK与标准样GBW07301a(GSD-1a),以保证前处理和数据的准确性.数据使用Excel、SPSS和Origin等软件进行分析.

1.3 统计分析方法

本研究采用优劣解距离多指标综合评价模型和潜在生态风险指数法对北方六湖库的重金属污染情况进行分析,做出风险评价的同时对北方六湖库重金属污染的差异性、与国内外其他水体的异同点进行综合对比分析.

优劣解距离多指标综合评价模型[11-12]也叫做逼近于理想解的技术,是系统工程中有限方案多目标决策分析的经典决策模型,该模型具有数据结果直观、数据稳定性高、精度高等特点,适用于多变量多因素的情况,目前已在医疗、经济、农业等领域中得到广泛认可.

在采用优劣解距离多指标综合评价模型对各湖库重金属情况进行分析时,首先要建立 n湖泊,m种重金属的原始矩阵,用以消除不同指标不同量纲及其数量级的差异对评价结果的影响.该矩阵的最优评价方案及最劣评价方案即为对所有数据进行评价的最低和最高标准.

原始矩阵经归一化处理：