淮南矿区塌陷水域沉积物营养物质和重金属现状调查与评价

唐鸿达，高良敏

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001）

1 引言

由于煤炭的大量开采，久而久之使地面下沉形成了地面塌陷，又由于浅层地下水和大量雨水的汇入，形成了面积大小不等的塌陷水域，进而形成相应的沉积物。沉积物是生态系统的重要组成部分，底泥不仅可间接反映水体的污染情况、水动力状态，且在外界水动力因素制约下向上覆水体释放营养成分和重金属，从而影响水质［1，2］。目前国内对于河流、湖泊、水库等水体沉积物方面已有大量相关研究［3～8］。但对于塌陷区水域这一特定水环境，其沉积物相关研究鲜有报道。而塌陷区水域的综合治理和利用已经逐渐成为当前的热点。因此，本文选取潘集杨庄区这一具有代表性的塌陷水域，对其沉积物营养物质和重金属进行检测和评价分析。

2 研究区域概况

潘集杨庄位于安徽省淮南市潘集区。潘一矿于1983年投产塌陷水域年龄约为23年，水域相对较封闭，附近有农田。其2004年塌陷面积为23093亩，到2009年为26538亩，到2010年底为28236亩。潘集杨庄塌陷区水深约为4.2m，面积约为3km2，塘内有渔业养殖，并有河流穿过。该区域塌陷前主要是农田和河道，其沉积物厚度在17～70cm。

3 材料与方法

3.1 采样点的布设和样品采集、样品的处理与制备

采样点的布设采集和样品的处理与制备参考国内相关标准，结合当地实际情况制定。

取用荷兰BWT2－04.23.SB水下沉积物采样器采取沉积物样品，采样深度约为10～15cm。在塌陷水域内布设10个采样点，具体点位用GPS导航定位，详见图1。采集的底泥柱状样品按2cm长现场分段，一般分为3～6段。

图1 潘集杨庄底泥采样布点

所有样品用自封袋包装好带回实验室后，置于通风、阴凉、干燥的地方自然风干。样品风干后，拣去其中的石块及动植物残体，用玛瑙研磨磨碎。磨碎的样品按实验分析处理要求分别过2mm、100目和200目尼龙筛网，然后装入自封袋密封保存，贴标签、编号，以备测定。

3.2 指标的监测

沉积物主要测定指标包括OM、TN、TP及各类重金属（Cu、Zn、Hg、Ni、Cd、Fe）。其方法和来源见表1。

表1 营养物质和重金属指标的测定方法和来源

4 结果与讨论

4.1 沉积物OM、TN、TP的含量和分析

OM是沉积物中反映有机营养程度的重要标志，也是其重要的自然胶体之一［9］。潘集杨庄塌陷区水域沉积物的 OM 含量在22.69～86.09g/kg间，平均值为41.05g/kg。TN的含量在663.62～2631.48mg/kg，均值为1188.55mg/kg。TP的含量在204.01～365.84 mg/kg，均值为278.01mg/kg。

研究表明，水体中底泥所含OM，一般来自生活污水和水生生物死亡残骸长期积累［10］。对比国内众多湖泊、水库、河流的沉积物，潘集杨庄塌陷区水域沉积物OM值处于较高水平。这可能与塌陷水域周边村庄所排污水及该区域内的渔业养殖有关。

参考周边土壤的 OM、TN、TP的均值（分别为30.09g/kg、1056.72mg/kg、267.02mg/kg），发现潘集杨庄塌陷水域沉积物以上三项指标均超过当地周边土壤，说明营养物质在该区沉积物中都有一定程度的累积，可能形成潜在的污染。

在某种程度上值可反映出底泥中有机质的来源［11］。一般高等植物的C/N值介于14～23之间，水生生物的C/N介于2.8～3.4之间，浮游动植物的C/N介于6.0～6.3之间［12］。潘集杨庄塌陷水域沉积物中C/N比在12.23～35.74之间，均值为23.72，说明沉积物中有机质主要来自陆源输入。

4.2 沉积物营养评价

目前国内对浅水沉积物的污染状况尚无统一的评价方法和标准，多用有机指数和有机氮评价法［13］。计算方法如：OI＝OC（%）×ON（%）

式中：OC（%）＝OM（%）/1.724；ON（%）＝TN（%）×0.95。

结合潘集杨庄塌陷水域的实际情况，并参考相关湖泊水库沉积物营养评价分级标准［14］，制定了沉积物营养评价分级标准如表2所示。

表2 OI和ON评价标准

潘集杨庄塌陷水域沉积物OI在0.10～0.61之间，均值为0.27。根据表2可知潘集杨庄塌陷水域总体上有机污染指数为Ⅲ级，属于尚清洁。ON在0.063～0.173%，其均值为0.113%。据表2可知总体水平在Ⅲ级，属于尚清洁。OI和ON评价结果一致，个别点位OI和ON值分别超过0.50和0.133，达到IV级，这可能与临近村庄排放污染物和渔业养殖有关。说明该区域总体属于尚清洁范围，但也有潜在有机污染威胁。

4.3 沉积物重金属的含量和分析

潘集杨庄塌陷区水域沉积物重金属质量浓度测定结果见表3。除Cu元素外，其余Zn、Pb、Cd、Ni、Hg质量浓度均高于淮南市土壤背景值［15］，其值分别为背景值的4.53、1.03、10.59、1.16、4.22倍，可知这5种重金属元素在潘集杨庄塌陷水域沉积物中有明显的富集现象。其中Cd元素的富集现象最为严重，其次为Zn和Hg。

表3 沉积物中的重金属质量浓度 mg/kg

4.4 沉积物重金属污染评价

目前国内外常用的水体沉积物重金属污染的评价方法有污染指数法、富集因子法、地积累指数（Igeo）法、Hakanson潜在生态风险指数法及脸谱图法等。根据潘集杨庄塌陷水域实际情况，本文采用地积累指数法和潜在生态风险指数法进行评价。

4.4.1 地积累指数Igeo法

地积累指数法是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller在1969年提出的，它是研究水环境沉积物中重金属污染程度的定量指标，在欧洲被广泛采用，我国也有学者采用过［16～18］。其计算公式如下：

式中：Cn为元素n在沉积物中的实测含量；B为该元素的地球化学背景值，本文采用淮南市土壤值中元素含量作为背景值；常量1.5是为消除各地差异可能引起背景值的变动转换系数。

沉积物重金属地积累指数分级与污染程度之问的相互关系列于表4。

表4 地积累指数评价标准

潘集杨庄塌陷水域沉积物 Cu、Zn、Pb、Ni、Cd、Hg的地积累指数分别为－0.69、1.59、－0.54、－0.37、2.82、1.49。由表4可知，沉积物中Cu、Pb和 Ni的Igeo值均小于0，属于无污染。Zn和Hg的Igeo值在1～2之间，属于中污染；而Cd的Igeo值在2～3之间，说明Cd元素在潘集杨庄塌陷水域属于中污染－重污染范围。由此可知，沉积物中Cd的污染程度最高，Hg和Zn次之。

根据泥河底泥中的重金属含量［19］和周边农田土壤的实地测量可知，两者本身的Cd、Zn、Hg的含量较高，且当地煤矸石中Cd、Zn、Hg亦属于较高水平［20］。该区域塌陷前为泥河河道和农田，说明其沉积物中本来的重金属含量就较高。加之西北面临靠矸石堆以及周边的农田，使得重金属污染物在雨水冲刷下带入到塌陷水域，进而沉降富集于沉积物中。

4.4.2 潜在生态风险指数法

潜在危害生态指数（RI）表征了沉积污染物对生态环境的潜在危害，该方法除了考虑重金属含量，还将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价［21，22］。其计算公式为：

表5 潜在生态风险程度评估划分标准

经计算，潘集杨庄塌陷水域沉积物Cd、Hg、Cu、Pb、Zn的值分别为317.60、126.58、4.66、5.15、4.53；RI的值为458.51。由表5可知Cu、Pb、Zn的单因子风险程度均为轻微；Hg的污染程度较为严重，其风险程度为强，而Cd的污染程度最为严重，其风险程度为很强。由于受Hg、Cd高污染程度的影响，该区域沉积物重金属总的风险程度达到强生态危害级别，说明沉积物中最主要的重金属污染生态风险因子为Cd，其次为Hg。

5 结论

通过对潘集杨庄塌陷区水土沉积物营养物质和重金属分析可以得出以下结论。

（1）沉积物的OM、TN、TP均超过当地周边土壤，说明营养物质在该区沉积物中都有一定程度的累积。C/N比在12.23～35.74之间，均值为23.72，表明沉积物中有机质主要来自陆源输入。

（2）沉积物营养评价等级为Ⅲ，个别点位达到Ⅳ，说明该区域总体属于尚清洁范围，但也有潜在有机污染威胁。

（3）应用地积累指数法和潜在生态风险指数法对沉积物重金属污染进行评价，其结果基本一致。通过Igeo和的计算结果，表明Cd为当地最主要的重金属污染元素，Hg次之。而RI的值表明，该区域重金属总潜在风险程度属于强生态危害。

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