山西汾河河流生态地球化学特征与重金属污染机制

论文摘要

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,认为汾河水体已受到重金属污染：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。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章前言

1.1 论文研究背景与研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 河流重金属研究

210和Cs¹³⁷同位素研究'>1.2.2 Pb²¹⁰和Cs¹³⁷同位素研究

1.3 研究思路、内容与技术路线

1.4 实际完成工作量

1.5 主要创新成果及认识

第二章研究区自然概况与地质背景

2.1 研究区自然地理概况

2.2 区域地质背景

2.2.1 地层

2.2.2 岩浆岩

2.2.3 构造

2.2.4 矿产

第三章样品采集与分析

3.1 样品采集

3.1.1 悬浮物采样方法

3.1.2 水地球化学样品采样方法

3.1.3 水系沉积物采样方法

3.1.4 重复样采样方法

3.1.5 河漫滩沉积物的采集

3.2 样品的预处理

3.2.1 重金属含量测定的预处理

3.2.2 重金属赋存形态的预处理

3.3 分析方法及质量

3.3.1 水样分析方法及质量

3.3.2 酸碱度分析方法与分析质量

3.3.3 河漫滩沉积物分析方法与分析质量

3.4 数据统计及处理方法

第四章汾河水体中重金属、稀土等元素地球化学特征

4.1 样品采集与环境背景

4.2 汾河水体三相中重金属元素分布特征

4.2.1 汾河水体中水地球化学样品元素分布特征

4.2.2 重金属元素在悬浮物中的分布特征

4.2.3 汾河枯水期底泥的重金属元素分布特征

4.2.4 不同相中重金属元素含量特征

4.2.5 重金属元素通量估算

4.3 汾河悬浮物稀土元素地球化学特征

4.3.1 丰水期悬浮物的稀土元素特征

4.3.2 枯水季节悬浮物的稀土元素特征

4.3.3 枯水期与丰水期悬浮物的稀土元素特征比较

4.3.4 与世界其他河流比较

4.4 汾河水体悬浮物中其他元素地球化学特征

4.4.1 丰水期汾河水体悬浮物中元素地球化学特征

4.4.2 枯水期汾河水体悬浮物中元素地球化学特征

4.4.3 讨论

4.5 悬浮物中重金属与其他元素关系讨论

4.5.1 重金属与主要元素关系

4.5.2 重金属与微量元素关系

4.5.3 重金属与稀土元素关系

4.6 小结

第五章汾河河漫滩沉积物中元素地球化学特征

5.1 河漫滩沉积柱采集与环境背景

5.2 河漫滩沉积物中元素纵向分布特征

5.2.1 静游沉积柱（MHH1414）元素的地球化学分布特征

5.2.2 介休沉积柱（MHH1417）元素的地球化学分布

5.2.3 小店沉积柱（MHH1418）元素的地球化学分布

5.2.4 河津沉积柱（MHH1419）元素的地球化学分布

5.2.5 临汾沉积柱（MHH1420副）元素的地球化学分布

5.2.6 洪洞沉积柱（MHH1421）元素的地球化学分布

5.2.7 讨论

5.3 汾河河漫滩沉积物中重金属元素横向分布特征

5.4 河津沉积物铅同位素特征

5.5 沉积速率估算与沉积通量历史变化

5.6 小结

第六章汾河河流生态地球化学评价与预警

6.1 评价方法

6.2 水质评价

6.3 悬浮物质量评价

6.4 底泥质量评价

6.5 沉积物质量评价

6.5.1 静游沉积物质量评价

6.5.2 汾河介休沉积物质量评价

6.5.3 小店沉积物质量评价

6.5.4 河津沉积物质量评价

6.5.5 临汾沉积物质量评价

6.5.6 洪洞沉积物质量评价

6.6 重金属污染的生态风险预警

6.6.1 底泥生态风险预警

6.6.2 河漫滩沉积物生态风险预警

6.7 小结

第七章汾河水体及沉积物中重金属来源分析

7.1 重金属的自然来源

7.2 汾河水体中重金属来源

7.3 汾河沉积物重金属的来源

7.3.1 静游沉积柱（MHH1414）重金属来源

7.3.2 介休沉积柱（MHH1417）重金属来源

7.3.3 小店沉积柱（MHH1418）重金属来源

7.3.4 河津沉积柱（MHH1419）重金属来源

7.3.5 临汾沉积柱（MHH1420副）重金属来源

7.3.6 洪洞沉积柱（MHH1421）重金属来源

7.4 结论

第八章沉积物中重金属赋存形态与迁移机制

8.1 汾河河漫滩沉积物中重金属赋存形态

8.2 重金属元素的迁移强度比较

8.3 重金属的相对迁移与非迁移

8.4 影响重金属迁移转化因素

8.4.1 胶体的吸附

8.4.2 有机质的吸附

8.4.3 配位体的络合-螯合作用

8.4.4 汞的甲基化作用

8.5 小结

第九章结论

参考文献

致谢

研究生期间论文发表情况

附录

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