黑河流域梯级库区沉积物氮磷营养盐和重金属分布特征及污染评价

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00066

摘要/Abstract

摘要：

为探究黑河流域梯级库区沉积物氮磷营养盐和重金属的分布特征及进行污染评价，于2021年8月选取黑河流域梯级库区为研究目标，采集沉积物样品，测定重金属Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、Mn、As含量及总氮、总磷含量，利用多种评价方法对上述污染物含量进行评估，同时运用相关性分析探讨重金属的来源、分布及与氮磷营养盐的内在关系。结果表明：干流仅小孤山水库沉积物中总氮达到轻度污染水平，支流平均污染指数均高于干流平均水平；8座水库沉积物总磷污染指数均处于清洁状态。Cr、Cu、Mn、Pb、Zn平均含量超过青藏高原土壤背景值。地累积指数表明As、Cd、Cr、Mn、Ni和Pb的平均值小于或等于0；潜在生态风险系数表明重金属Cd风险系数最高，其次是Cu和Ni，是引起库区沉积物重金属污染的主要因素；潜在风险指数表明流域水库整体重金属污染较轻，各级支流污染情况优于干流；干流库容较大的小孤山与龙首二级库区达到中等风险。相关性分析和聚类分析揭示TN、TP、Mn具有相似的污染来源，主要来源是农业生产中大量使用的氮肥和磷肥与岩石的自然风化；Cu、Cr、Ni来源于农副产品和有色金属加工等工业废水排放；As与生活污水与工业排放有关；Cd、Pb主要来源于矿业开采。

关键词: 黑河, 沉积物, 重金属, 营养盐, 梯级库区

Abstract:

To explore the distribution characteristics and pollution assessment of nitrogen， phosphorus， nutrients， and heavy metals in the sediment of the cascade reservoirs in the Heihe River Basin， sediment samples were collected in August 2021. Eight heavy metals including Cr， Cu， Ni， Pb， Zn， Cd， Mn， and As， as well as total nitrogen and total phosphorus content， were determined. Various assessment methods were used to evaluate the content of the above pollutants. At the same time， correlation analysis was used to explore the sources， distribution， and intrinsic relationship between heavy metals and nitrogen-phosphorus nutrients. The results showed that only total nitrogen in the sediment of Xiaogushan Reservoir in the main stream reached a mild pollution level， while the average pollution index of tributaries was higher than that of the main stream. The pollution index of total phosphorus in sediment of all eight reservoirs was in a clean state. The average content of Cr， Cu， Mn， Pb， and Zn exceeded the background values of soils in the Qinghai-Tibet Plateau. The geo-accumulation index showed that the average values of As， Cd， Cr， Mn， Ni， and Pb were less than or equal to 0. The potential ecological risk coefficient indicated that Cd had the highest risk coefficient， followed by Cu and Ni， which were the main factors causing heavy metal pollution in the reservoir sediment. The potential risk index indicated that the overall heavy metal pollution in the basin reservoirs was relatively light， and the pollution levels of tributaries were better than that of the main stream. Xiaogushan and Longshou Ⅱ reservoir areas with large reservoir capacities reached moderate risk levels. Correlation analysis and cluster analysis revealed that TN， TP， and Mn had similar pollution sources， mainly from the extensive use of nitrogen and phosphorus fertilizers in agricultural production and the natural weathering of rocks. Cu， Cr， and Ni came from industrial wastewater discharge from agricultural and sideline products and non-ferrous metal processing. As was related to domestic sewage and industrial emissions， while Cd and Pb mainly came from mining activities.

Key words: Heihe River, sediments, heavy metals, nutrient salts, cascade reservoir area

中图分类号:

P342

王昱, 范逸扬, 袁辉, 王哲辉, 先锋云, 田苗, 袁兴鹏. 黑河流域梯级库区沉积物氮磷营养盐和重金属分布特征及污染评价[J]. 中国沙漠, 2024, 44(4): 212-222.

Yu Wang, Yiyang Fan, Hui Yuan, Zhehui Wang, Fengyun Xian, Miao Tian, Xingpeng Yuan. Characteristics and assessment of nutrient and heavy metal pollution in the cascade reservoir sediments of the Heihe River Basin[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(4): 212-222.

图/表 14

图1 采样点分布示意图注：基于甘肃省地理信息公共服务平台标准地图（审图号：GS（2023）173号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Schematic diagram of sampling point distribution

表1 黑河流域采样点水库基本情况

Table 1 Basic information of sampling points and reservoirs in the Heihe River Basin

水库名称	干支流分级	海拔/m	总库容/×10⁵ m³	到上一座电站距离/km	机组投产时间
大孤山	干流	2 146	0.029	—	2009年7月
小孤山	干流	2 060	0.140	6.7	2006年7月
龙首二级	干流	1 834	8.620	14.5	2004年8月
龙首一级	干流	1 746	1.320	10.6	2002年4月
鹦鸽嘴	二级支流	1 930	1.320	—	1989年1月
冰沟一级	一级支流	2 000	0.056	—
鸳鸯池	一级支流	1 200	1.050	134.8
夹山子	二级支流	1 340	0.056	—	1997年10月

表2 沉积物氮磷污染程度

Table 2 Level of sediment nitrogen and phosphorus contamination

水平	S_TN	S_TP	F	等级
1	S_TN≤1.0	S_TP≤0.5	F≤1.0	清洁（Ⅰ）
2	1.0<SS_TN≤1.5	0.5<S_TP≤1.0	1.0<F≤1.5	轻度污染（Ⅱ）
3	1.5<S_TN≤2.0	1.5<S_TP ≤2.0	1.5<F≤2.0	中度污染（Ⅲ）
4	S_TN>2.0	S_TP>2.0	F>2.0	重度污染（Ⅳ）

表3 重金属背景值和毒性系数

Table 3 Heavy metal background values and toxicity factors

重金属	As	Cd	Cu	Mn	Ni	Pb	Zn	Cr
青藏高原土壤背景值/(mg·kg^-1)	19.27	0.141	24.27	617.36	55.86	32.15	75.59	155.54
毒性系数	10	30	5	1	5	5	1	2

表4 潜在生态风险指数

Table 4 Potential ecological risk index

潜在生态风险指数( $E r i$ )	潜在生态风险指数(RI)	分级	风险等级
$E r i$ <30	RI<60	Ⅰ	轻微
30≤ $E r i$ <60	60≤RI<120	Ⅱ	中等
60≤ $E r i$ <120	120≤ $R I$ <240	Ⅲ	较强
120≤ $E r i$ <240	RI≥240	Ⅳ	很强
$E r i$ ≥240		Ⅴ	极强

表4 潜在生态风险指数

Table 4 Potential ecological risk index

潜在生态风险指数( $E r i$ )	潜在生态风险指数(RI)	分级	风险等级
$E r i$ <30	RI<60	Ⅰ	轻微
30≤ $E r i$ <60	60≤RI<120	Ⅱ	中等
60≤ $E r i$ <120	120≤ $R I$ <240	Ⅲ	较强
120≤ $E r i$ <240	RI≥240	Ⅳ	很强
$E r i$ ≥240		Ⅴ	极强

表5 Igeo与重金属污染程度

Table 5 Igeo and the degree of heavy metal contamination

污染程度	I_geo
污染程度	≤0	0~1	1~2	2~3	3~4	4~5	>5
程度	清洁	轻度	轻中度	中度	重度	严重	极严重
级数	0	1	2	3	4	5	6

图2 水体理化因子特征

Fig. 2 Characteristics of Physical and Chemical Factors in water bodies

图3 沉积物氮磷营养盐分布特征

Fig. 3 Characteristics of sediment nitrogen and phosphorus nutrient distribution

图4 重金属含量分布特征

Fig. 4 Characteristics of heavy metal content distribution

表6 沉积物氮磷营养盐污染评价指数

Table 6 Sediment nutrient salt pollution evaluation index

采样点	S_TN		S_TP		F
采样点	值	水平	值	水平	值	水平
大孤山	0.81	Ⅰ	0.18	Ⅰ	0.67	Ⅰ
小孤山	1.06	Ⅱ	0.18	Ⅰ	0.87	Ⅰ
龙首二级	0.85	Ⅰ	0.16	Ⅰ	0.69	Ⅰ
龙首一级	0.37	Ⅰ	0.03	Ⅰ	0.29	Ⅰ
冰沟一级	0.75	Ⅰ	0.07	Ⅰ	0.64	Ⅰ
鸳鸯池	1.18	Ⅱ	0.09	Ⅰ	0.95	Ⅰ
夹山子	1.12	Ⅱ	0.08	Ⅰ	0.90	Ⅰ
鹦鸽嘴	1.22	Ⅱ	0.16	Ⅱ	0.99	Ⅰ

图5 重金属潜在生态风险系数箱型图

Fig.5 Box plot of potential ecological risk index for heavy metals

图6 沉积物重金属潜在生态风险系数

Fig.6 Potential ecological risk factor for sediment heavy metals

图7 沉积物重金属地累积指数

Fig.7 Sediment heavy metal land accumulation index

表7 黑河干流库区沉积物污染元素相关性分析

Table 7 Correlation analysis of pollution elements in sediments of Heihe River reservoir area

	TN	TP	As	Cd	Cr	Cu	Mn	Ni	Pb	Zn
TN	1
TP	0.934	1
As	-0.957^*	-0.791	1
Cd	0.905	0.791	-0.913	1
Cr	-0.930	-0.986^*	0.795	-0.856	1
Cu	0.632	0.341	-0.809	0.812	-0.413	1
Mn	0.996^**	0.956^*	-0.932	0.869	-0.941	0.561	1
Ni	-0.471	-0.653	0.281	-0.593	0.742	-0.097	-0.479	1
Pb	-0.534	-0.262	0.707	-0.793	0.364	-0.977^*	-0.456	0.193	1
Zn	0.584	0.317	-0.743	0.431	-0.250	0.653	0.561	0.430	-0.482	1

参考文献 42

1	包宇飞，胡明明，王殿常，等.黄柏河梯级水库沉积物氮磷营养盐与重金属分布特征及污染评价［J］.生态环境学报，2021，30（5）：1005-1016.
2	王昱，孔德星，冯起，等.筑坝蓄水对夏季黑河氮磷营养盐空间分布特征的影响［J］.生态与农村环境学报，2021，37（8）：1001-1010.
3	Kummu M， Lu X X， Wang J J，et al.Basin-wide sediment trapping efficiency of emerging reservoirs along the Mekong［J］.Geomorphology，2010，119（3/4）：181-197.
4	李晋鹏，成登苗，赵爱东，等.澜沧江梯级水坝库区沉积物重金属和氮磷营养盐污染特征及评价［J］.环境科学学报，2019，39（8）：2791-2799.
5	李志清，吴苏舒，诸晓华，等.石臼湖表层沉积物氮磷营养盐与重金属分布及污染评价［J］.水资源保护，2020，36（2）：73-78.
6	于佳佳，尹洪斌，高永年，等.太湖流域沉积物氮磷营养盐和重金属污染特征研究［J］.中国环境科学，2017，37（6）：2287-2294.
7	王妙，王胜，唐鹊辉，等.粤西三座重要供水水库沉积物氮磷营养盐负荷与重金属污染特征［J］.生态环境学报，2014，23（5）：834-841.
8	王昱，李宝龙，冯起，等.黑河重金属空间分布及与大型底栖动物的关系［J］.中国环境科学，2021，41（3）：1354-1365.
9	范成新.湖泊沉积物-水界面研究进展与展望［J］.湖泊科学，2019，31（5）：1191-1218.
10	齐翠翠，张雨笛，胡淑恒，等.巢湖东湖心沉积物重金属的分布及其在外力扰动下的释放特征［J］.环境化学，2022，41（10）：3267-3278.
11	Bing H， Zhou J， Wu Y，et al.Current state，sources，and potential risk of heavy metals in sediments of Three Gorges Research，China［J］.Environmental Pollution，2016，214：485-496.
12	Gao Q， Li Y， Cheng Q，et al.Analysis and assessment of the nutrients，biochemical indexes and heavy metals in the Three Gorges Research，China，from 2008 to 2013［J］.Water Research，2016，92：262-274.
13	郑飞燕，谭路，陈星，等.三峡水库香溪河库湾氮磷分布状况及沉积物污染评价［J］.生态毒理学报，2018.13（4）：49-59.
14	Wang C， Liu S， Zhao Q，et al.Spatial variation and contamination assessment of heavy metals in sediments in the Manwan Reservoir，Lancang River［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2012，82：32-39.
15	王超.“西南水电高坝大库梯级开发的生态保护与恢复”研究构想［J］.工程科学与技术，2017，49（1）：19-26.
16	王昱，朱家乐，冯起，等.黑河上中游流域梯级库区夏季重金属汇源解析［J］.中国环境科学，2023，43（4）：1895-1905.
17	秦延文，张雷，郑丙辉，等.太湖表层沉积物重金属赋存形态分析及污染特征［J］.环境科学，2012，33（12）：4291-4299.
18	甘华阳，张顺之，梁开，等.北部湾北部滨海湿地水体和表层沉积物中营养元素分布与污染评价［J］.湿地科学，2012，10（3）：285-298.
19	匡帅，保琦蓓，康得军，等.典型小型水库表层沉积物重金属分布特征及生态风险［J］.湖泊科学，2018，30（2）：336-348.
20	李亚芳，卢俊平，张晓晶，等.不同温度、pH、水动力条件下寒旱区水库底泥中不同形态氮的释放特征模拟［J］.环境污染与防治，2021，43（6）：669-673.
21	Wang Y， Li B L， Liu J J，et al.Effects of cascade reservoir systems on the longitudinal distribution of sediment characteristics：a case study of the Heihe River Basin［J］.Environmental Science and Pollution Research，2022，29：2911-2923.
22	环境保护部. 水质金属总量的消解微波消解法：［S］.
23	环境保护部. 土壤和沉积物金属元素总量的消解微波消解法：［S］.
24	陈思杨，宋琍琍，刘希真，等，浙江典型海湾潮间带沉积物污染及生态风险评价［J］.中国环境科学，2020，40（4）：1771-1781.
25	中国环境监测总站.中国土壤元素背景值［M］.北京：中国环境科学出版社，1990.
26	Muniz P， Venturinin N， Gomez-Eracher M.Spatial distribution of chromium and lead in the benthic environment of coastalareas of the Rio de la Plata estuary （Montevideo，Uruguai）［J］.BrazilianJournal of Biology，2004，64（1）：103-116.
27	Mudroch A， Azcye D J M.Manual of Aquatic Sediment Sampling［M］.Boca Raton，USA：Lewis Publications，1995.
28	李照全，方平，黄博，等.洞庭湖区典型内湖表层沉积物中氮、磷和重金属空间分布与污染风险评价［J］.环境科学研究，2020，33（6）：1409-1420.
29	程先，王瑞霖，王建力，等.海河流域西部地区水库沉积物重金属潜在生态风险评价［J］.应用生态学报，2015，26（5）：1495-1500.
30	Miranda L S， Wijesiri B， Ayoko G A，et al.Water-sediment interactionsand mobility of heavy metals in aquatic environments ［J］.Water Research，2021，202：117386.
31	Fang X H， Peng B， Wang X，et al.Distribution，contamination and source identification of heavy metals in bed sediments from the lower reaches of the Xiangjiang River in Hunan Province，China［J］.Science of the Total Environment，2019，689：557-570.
32	尹宇莹，彭高卓，谢意南，等.洞庭湖表层沉积物中营养元素、重金属的污染特征与评价分析［J］.环境化学，2021，40（8）：2399-2409.
33	许艳，王秋璐，曾容，等.渤海湾表层沉积物重金属污染状况及年际变化分析［J］.中国环境科学，2022，42（9）：4255-4263.
34	Sheng J J， Wang X P， Gong P，et al.Heavy metals of the Tibetan top soils［J］.Environmental Science & Pollution Research，2012，19（8）：3362-3370.
35	江春霞，彭渤，方小红，等.沅江入湖段河床沉积物重金属污染源的铅同位素示踪［J］.环境科学学报，2021，42（4）：1-12.
36	徐双贵，杨莎，秦西伟，等.湟水河流域西宁段河流表层沉积物重金属空间分布及生态风险评估［J］.地球与环境，2021，49（5）：561-569.
37	高煜，王国兰，金梓函，等.千河下游水体-沉积物重金属空间分布、风险及影响因素［J］.环境科学，2021，42（11）：5333-5345.
38	Lv J S， Liu Y， Zhang Z L，et al.Factorial kriging and stepwise regression approach to identify environmental factors influencing spatial multi-scale variability of heavy metals in soils ［J］.Journal of Hazardous Materials，2013，261：387-397.
39	王辉，赵悦铭，刘春跃，等.辽河干流沉积物重金属污染特征及潜在生态风险评价［J］.环境工程，2019，37（11）：65-69.
40	王昱，连运涛，冯起，等.筑坝拦截对黑河河道沉积物粒度空间分布的影响［J］.湖泊科学，2019，31（5）：1459-1467.
41	Bao Y F， Wang Y C， Hu M M，et al.Phosphorus fractions and its summer flux from sediments of deep reservoirs located at a phosphaterock watershed，Central China［J］.Water Science and Technology-WaterSupply，2018，18（2）：688-697.
42	陈姗，许凡，谢三桃，等.合肥市十八联圩湿地表层沉积物氮磷营养盐与重金属分布及污染评价［J］.环境科学，2019，40（11）：4932-4943.

[1]	王昱, 先锋云, 陈吉平, 张英, 卫芸, 范逸扬, 田苗. 梯级筑坝对黑河上游水体氮磷营养盐分布的影响[J]. 中国沙漠, 2024, 44(5): 73-83.
[2]	郭晓敏, 王海兵, 廖承贤, 杨皓钦, 华天红, 刘旭. 苏宏图戈壁地表沉积物组分变异性及其成因[J]. 中国沙漠, 2024, 44(5): 95-104.
[3]	张悦仪, 迟云平, 谢远云, 康春国, 刘若男, 孙磊, 吴鹏, 魏振宇. 科尔沁沙地地表沉积物特征及其气候意义[J]. 中国沙漠, 2024, 44(4): 223-235.
[4]	梁晓磊, 程志花, 翟晓慧, 牛清河, 张益明, 李艳丽. 敦煌雅丹地层易溶盐特征及其对沉积环境的指示意义[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 109-120.
[5]	吕珂欣, 赵爽, 张文昌, 夏敦胜. 萨拉乌苏河流域全新世风成砂-湖沼相沉积物磁学性质[J]. 中国沙漠, 2024, 44(1): 75-85.
[6]	孟庆爽, 左合君, 闫敏, 王海兵, 席成. 库布齐沙漠地表沉积物常量元素与粒度的关系[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 107-117.
[7]	郭雪阳, 杨林海, 程良清, 胡光印, 胡菁菁. 河西走廊酒东沙地风沙沉积物理化特征及其环境意义[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 17-30.
[8]	王融融, 樊瑾, 丛士翔, 余海龙, 黄菊莹. 毛乌素沙地火电厂周边不同类型生物结皮酶活性及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 209-219.
[9]	李琦炜, 龚志军, 罗明, 彭花明, 王瀚, 王威. 鄱阳湖沙山两处具有平行层理砂层的粒度分析及其对沉积环境的指示意义[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 152-159.
[10]	韩子言, 蒙吉军, 邹易, 朱利凯. 1982—2017年黑河流域植被指数动态及其对气候变化与生态建设工程的响应[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 96-106.
[11]	杜可心, 张福平, 冯起, 魏永芬, 杨嘉炜. 黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 139-149.
[12]	展洋, 汪双, 陈吉平, 王昱, 王昱鹏. 基于大型底栖动物完整性指数的黑河中上游水生生态系统健康评价[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 271-280.
[13]	李向洁, 李志文, 杜丁丁, 孙丽, 侯楚, 李世乾, 张雯. 南昌厚田沙地蔓荆（ *Vitex trifolia* ）灌丛沙堆的沉积物与空间格局特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 211-220.
[14]	王生棠, 盖迎春, 王少昆, 张晓龙, 杨映. 黑河流域植物物种多样性对土地利用变化的响应[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 221-232.
[15]	古拉依赛木·艾拜都拉, 张峰, 吴枫, 吴世新, 郑江华, 孙涛. 腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 133-145.