牛栏江(昆明段)表层沉积物重金属时空分布特征与潜在生态风险评价

doi:10.11988/ckyyb.20230632

摘要/Abstract

摘要：

为探明牛栏江(昆明段)表层沉积物重金属污染特征,于3个水期(丰水期、枯水期、平水期)分别采集了流域内20个点位表层沉积物并测定了8种金属(Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pb、Hg、As)含量,进行了水期和区域差异分析、潜在风险评价以及重金属来源解析。结果发现牛栏江(昆明段)沉积物重金属中Cd含量1.45 mg/kg和Hg含量0.23 mg/kg,分别是云南省土壤背景值(0.218 mg/kg和0.058 mg/kg)的6.7倍和4.0倍,表明Cd和Hg污染相对严重。地累积指数表明牛栏江(昆明段)3个水期均为Cd污染程度最高,Hg次之,平均污染等级分别达到了中度污染和偏中度污染。因此Cd和Hg是牛栏江(昆明段)表层沉积物重金属污染最主要的生态风险贡献因子,应予以重视。同时,潜在生态风险指数表明,丰水期和平水期潜在生态风险程度分布具有干流高于支流、下游高于上游和北部高于南部的空间特征。

关键词: 表层沉积物, 重金属, 地累积指数, 潜在生态风险, 牛栏江(昆明段)

Abstract:

In order to explore the characteristics of heavy metal pollution in surface sediments of Niulan River (Kunming Section), the surface sediments of 20 points in the basin were collected ;and the contents of 8 metals (Cu, Zn, Cr, Cd, Ni, Pb, Hg and As) were determined in three water periods (wet period, dry period and normal period). Water stage and regional difference analysis, potential risk assessment and heavy metal source analysis were also carried out. The results showed that the content of Cd (1.45 mg/kg) and Hg (0.23 mg/kg) of heavy metals in sediments of Niulan River (Kunming Section) was 6.7 times and 4.0 times that of the background values 0.218 mg/kg and 0.058 mg/kg in Yunnan Province, respectively. It indicates that Cd and Hg pollution are relatively serious. The soil accumulation index showed that Cd had the highest pollution level in the three water periods of Niulan River (Kunming Section), followed by Hg. The average pollution levels reached moderate pollution and moderately moderate pollution, respectively. Therefore, Cd and Hg are the main ecological risk contributing factors of heavy metal pollution in surface sediments of Niulan River (Kunming Section). At the same time, the potential ecological risk coefficient showed that the distribution of potential ecological risk was higher in the main stream than in the tributaries, higher in the lower stream than in the upper stream and higher in the north than in the south.

Key words: surface sediment, heavy metal, ground accumulation index, potential ecological risk, Niulan River (Kunming section)

中图分类号:

X522河流

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图/表 13

图1 采样点分布

Fig.1 Distribution of sampling points

表1 重金属污染级别划分

Table 1 Classification of heavy metal pollution levels

I_geo	分级	污染程度	I_geo	分级	污染程度
<0	0	无污染	[3,4)	Ⅳ	偏重度污染
[0,1)	Ⅰ	轻度污染	[4,5]	Ⅴ	重度污染
[1,2)	Ⅱ	偏中度污染	>5	Ⅵ	严重污染
[2,3)	Ⅲ	中度污染

表2 E r i和RI计算值等级划分

Table 2 Grading of E r i and RI calculated values

$E r i$	RI	潜在生态风险等级	$E r i$	RI	潜在生态风险等级
<40	<150	低风险	[160,320]	>600	高风险
[40,80)	[150,300)	中风险	>320	—	极高风险
[80,160)	[300,600)	较高风险

表2 E r i和RI计算值等级划分

Table 2 Grading of E r i and RI calculated values

$E r i$	RI	潜在生态风险等级	$E r i$	RI	潜在生态风险等级
<40	<150	低风险	[160,320]	>600	高风险
[40,80)	[150,300)	中风险	>320	—	极高风险
[80,160)	[300,600)	较高风险

表3 3个水期沉积物重金属含量统计

Table 3 Statistics of heavy metal content in sediments of three water periods

水期	重金属	重金属含量ω/(mg·kg^-1)					变异系数
水期	重金属	背景值	最小值	最大值	平均值	标准差	变异系数
枯水期	Cu	46.3	31.50	115.58	79.44	38.48	0.48
	Zn	89.7	93.22	2 133.07	287.95	500.69	1.74
	Cr	65.2	59.62	156.16	96.03	28.27	0.29
	Cd	0.218	0.09	7.54	1.89	2.23	1.18
	Ni	42.5	26.23	82.00	44.75	17.50	0.39
	Pb	40.6	2.72	110.12	52.62	31.66	0.60
	Hg	0.058	0.07	0.47	0.21	0.12	0.58
	As	18.4	3.61	22.64	10.69	5.16	0.48
丰水期	Cu	46.3	30.00	130.93	76.16	30.03	0.39
	Zn	89.7	80.53	606.36	204.33	132.31	0.65
	Cr	65.2	69.42	165.74	102.36	25.53	0.25
	Cd	0.218	0.17	6.66	1.29	1.50	1.16
	Ni	42.5	28.34	87.00	50.21	17.46	0.35
	Pb	40.6	2.54	111.57	59.90	24.17	0.40
	Hg	0.058	0.07	0.46	0.24	0.12	0.51
	As	18.4	3.32	28.32	9.84	6.06	0.62
平水期	Cu	46.3	12.52	167.47	78.16	36.89	0.47
	Zn	89.7	82.86	542.66	196.03	138.61	0.71
	Cr	65.2	61.75	143.00	90.62	20.46	0.23
	Cd	0.218	0.20	6.82	1.17	1.53	1.31
	Ni	42.5	25.18	141.51	48.93	25.71	0.53
	Pb	40.6	9.97	107.49	57.18	23.85	0.42
	Hg	0.058	0.07	0.47	0.25	0.14	0.55
	As	18.4	4.35	31.18	11.01	6.46	0.59

表4 不同河流表层沉积物重金属含量

Table 4 Heavy metal content in surface sediments of different rivers in China

河流	年份	重金属含量/(mg·kg^-1)
河流	年份	Cu	Zn	Cr	Cd	Ni	Pb	Hg	As
牛栏江昆明段(本研究)	2021	77.92	229.44	96.34	1.45	47.97	56.57	0.23	10.51
长江流域武汉段^[19]	2005	51.64	140.27	87.82	1.53	—	45.18	0.15	15.85
长江上游^[19]	2014	65.80	141.85	80.04	0.93	—	51.01	0.10	8.79
长江中下游^[19]	2017	28.48	104.12	—	0.67	—	27.28	0.03	20.10
辽河^[20]	2017	28.08	36.59	38.13	—	26.88	17.49	—	17.30
松花江^[21]	2016	5.62	26.32	15.15	0.89	—	21.77	—	80.50
淮河江苏段^[22]	2019	27.83	109.17	53.05	0.07	36.60	26.80	—	10.55
海河^[23]	2013	34.47	86.47	104.53	0.31	29.03	34.92	—	—
金沙江攀枝花段^[24]	2018	42.60	91.10	—	0.20	—	17.00	—	5.70
湘江流域衡阳段^[25]	2019	51.40	264.10	47.80	5.41	—	157.70	—	86.70
黄河^[26]	近年	26.32	87.11	90.31	0.50	26.50	20.99	—	18.91
珠江^[26]	2013	134.80	313.90	76.40	1.50	115.10	7.03	—	56.70

图2 干流与支流沉积物重金属差异性

Fig.2 Difference of heavy metals in sediments of main stream and tributaries

表5 牛栏江(昆明段)沉积物重金属污染评价结果

Table 5 Evaluation results of heavy metal pollution in sediments of Niulan River (Kunming Section)

水期	重金属		I_geo						污染程度					单因子危害指数 $E r i$			单项潜在风险程度
水期	重金属		平均值		干流		支流		平均值		干流		支流	平均值	干流	支流	干流	支流
枯水期	Cu	0.18		0.21		0.15		轻度		轻度		轻度		8.45	8.69	8.34	低	低
	Zn	1.01		0.73		1.30		偏中度		轻度		偏中度		3.32	2.48	3.69	低	低
	Cr	-0.04		-0.06		-0.01		无		无		无		2.94	2.88	2.97	低	低
	Cd	2.64		3.06		2.21		中度		偏重度		中度		259.13	376.47	208.84	极高	高
	Ni	-0.54		-0.62		-0.46		无		无		无		5.28	4.88	5.45	低	低
	Pb	-0.17		-0.09		-0.26		无		无		无		6.51	7.05	6.28	低	低
	Hg	1.44		1.93		0.95		偏中度		偏中度		轻度		150.05	229.04	116.19	高	较高
	As	-1.28		-1.09		-1.47		无		无		无		5.92	7.07	5.43	低	低
丰水期	Cu	0.16		0.24		0.08		轻度		轻度		轻度		8.22	8.88	7.94	低	低
	Zn	0.72		1.17		0.27		轻度		偏中度		轻度		2.28	3.37	1.81	低	低
	Cr	0.01		-0.11		0.14		轻度		无		轻度		3.14	2.77	3.30	低	低
	Cd	2.10		2.74		1.47		中度		中度		偏中度		177.39	301.22	124.32	高	较高
	Ni	-0.39		-0.49		-0.29		无		无		无		5.91	5.34	6.15	低	低
	Pb	0.02		0.15		-0.11		轻度		轻度		无		7.38	8.32	6.97	低	低
	Hg	1.60		2.06		1.14		偏中度		中度		偏中度		167.29	249.38	132.11	高	较高
	As	-1.47		-1.42		-1.52		无		无		无		5.35	5.60	5.24	低	低
平水期	Cu	0.25		0.49		0.01		轻度		轻度		轻度		8.44	10.52	7.55	低	低
	Zn	0.67		1.21		0.13		轻度		偏中度		轻度		2.19	3.46	1.64	低	低
	Cr	-0.12		-0.16		-0.09		无		无		无		2.78	2.69	2.82	低	低
	Cd	1.96		2.69		1.23		偏中度		中度		偏中度		160.89	289.61	105.72	高	较高
	Ni	-0.32		-0.14		-0.50		无		无		无		5.76	6.80	5.31	低	低
	Pb	-0.04		0.09		-0.18		无		轻度		无		7.04	7.99	6.63	低	低
	Hg	1.62		2.08		1.15		偏中度		中度		偏中度		169.75	254.10	133.61	高	较高
	As	-1.36		-1.42		-1.29		无		无		无		5.98	5.59	6.15	低	低

表5 牛栏江(昆明段)沉积物重金属污染评价结果

Table 5 Evaluation results of heavy metal pollution in sediments of Niulan River (Kunming Section)

水期	重金属		I_geo						污染程度					单因子危害指数 $E r i$			单项潜在风险程度
水期	重金属		平均值		干流		支流		平均值		干流		支流	平均值	干流	支流	干流	支流
枯水期	Cu	0.18		0.21		0.15		轻度		轻度		轻度		8.45	8.69	8.34	低	低
	Zn	1.01		0.73		1.30		偏中度		轻度		偏中度		3.32	2.48	3.69	低	低
	Cr	-0.04		-0.06		-0.01		无		无		无		2.94	2.88	2.97	低	低
	Cd	2.64		3.06		2.21		中度		偏重度		中度		259.13	376.47	208.84	极高	高
	Ni	-0.54		-0.62		-0.46		无		无		无		5.28	4.88	5.45	低	低
	Pb	-0.17		-0.09		-0.26		无		无		无		6.51	7.05	6.28	低	低
	Hg	1.44		1.93		0.95		偏中度		偏中度		轻度		150.05	229.04	116.19	高	较高
	As	-1.28		-1.09		-1.47		无		无		无		5.92	7.07	5.43	低	低
丰水期	Cu	0.16		0.24		0.08		轻度		轻度		轻度		8.22	8.88	7.94	低	低
	Zn	0.72		1.17		0.27		轻度		偏中度		轻度		2.28	3.37	1.81	低	低
	Cr	0.01		-0.11		0.14		轻度		无		轻度		3.14	2.77	3.30	低	低
	Cd	2.10		2.74		1.47		中度		中度		偏中度		177.39	301.22	124.32	高	较高
	Ni	-0.39		-0.49		-0.29		无		无		无		5.91	5.34	6.15	低	低
	Pb	0.02		0.15		-0.11		轻度		轻度		无		7.38	8.32	6.97	低	低
	Hg	1.60		2.06		1.14		偏中度		中度		偏中度		167.29	249.38	132.11	高	较高
	As	-1.47		-1.42		-1.52		无		无		无		5.35	5.60	5.24	低	低
平水期	Cu	0.25		0.49		0.01		轻度		轻度		轻度		8.44	10.52	7.55	低	低
	Zn	0.67		1.21		0.13		轻度		偏中度		轻度		2.19	3.46	1.64	低	低
	Cr	-0.12		-0.16		-0.09		无		无		无		2.78	2.69	2.82	低	低
	Cd	1.96		2.69		1.23		偏中度		中度		偏中度		160.89	289.61	105.72	高	较高
	Ni	-0.32		-0.14		-0.50		无		无		无		5.76	6.80	5.31	低	低
	Pb	-0.04		0.09		-0.18		无		轻度		无		7.04	7.99	6.63	低	低
	Hg	1.62		2.08		1.15		偏中度		中度		偏中度		169.75	254.10	133.61	高	较高
	As	-1.36		-1.42		-1.29		无		无		无		5.98	5.59	6.15	低	低

图3 不同水期多种重金属综合潜在生态风险程度分布

Fig.3 Distribution of combined potential ecological risk levels of multiple heavy metals in various periods

图4 不同水期潜在生态风险程度各金属贡献值

Fig.4 Contribution value of each metal in different potential ecological risk degrees in different water periods

表6 各样点所在集水区水文水动力、人类活动和用地类型数据范围

Table 6 Data range of hydrology, hydrodynamics, human activities and land use types in the catchment

水期	水文水动力				人类活动		不同用地类型面积/km²
水期	有效宽度/m	有效水深/m	流速/ (m·s^-1)	流量/ (m³·s^-1)	人口数量/人	道路密度/ (km·km^-2)	草地	耕地	建设用地	林地	裸地及水域
枯水期	2.5~35	0.1~1.1	0.1~0.4	0.1~8.1
丰水期	3~40	0.25~1.3	0.1~0.5	0.4~22	9 295.33~ 93 284.09	0.78~3.65	0.31~ 188.68	6.83~ 123.33	2.71~25.09	0.3~ 54.60	0.14~5.27
平水期	2.5~35	0.15~1.2	0.1~0.4	0.1~0.9

图5 不同水期表层沉积物重金属风险程度影响因子分析

Fig.5 Analysis of impact factor of heavy metals risk in surface sediments during different water periods

表7 枯水期沉积物重金属相关分析

Table 7 Correlation analysis of heavy metals in sediment during dry season

重金属	Cu	Zn	Cr	Cd	Ni	Pb	Hg	As
Cu	1
Zn	-0.086	1
Cr	0.423^*	-0.240	1
Cd	-0.259	0.457^*	-0.295	1
Ni	0.517^*	-0.280	0.776^**	-0.103	1
Pb	-0.045	0.547^**	0.120	0.234	0.109	1
Hg	-0.093	0.036	-0.128	0.062	-0.240	0.327	1
As	-0.298	0.254	-0.486^*	0.334	-0.594^**	0.221	0.197	1

图6 流域内主要工业企业分布

Fig.6 Distribution of major industrial enterprises in the basin

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