渭河西安段水体及水系沉积物重金属环境地球化学研究

论文摘要

由于人类和自然的相互作用，城市河流是时刻处于变化中的水动力环境，尤其是接收了来自城市和工业大量人为污染物后，其水体和沉积物来源变得更为复杂。在众多的污染物中，重金属由于其在环境中的持久性、生物地球化学可循环性以及潜在的生态威胁而倍受关注。沉积物既是水环境中重金属的主要汇集场所，又是潜在的次生污染源。研究沉积物中重金属含量、分布特征及赋存形态对于探寻水环境重金属的来源、评价污染现状、预测对生态系统的影响及河流环境保护具有重要的现实意义。本文以渭河西安段为研究区域，把地表水和沉积物作为一个有机整体，经详细调查、采样和实验，首次系统地研究了渭河西安段地表水的理化特性（pH值、电导率、DO、COD、BOD5、氟化物）和沉积物的理化性质（pH值、磁学性质、机械组成、烧失量、常量组分）；用X-Ray荧光光谱仪分析了沉积物中重金属元素Cu、Mn、Pb、Zn、Co、Ni、Cr、Fe和As的全量及在不同粒径颗粒中的含量，探讨了重金属的分布特征；采用欧共体修正BCR四步连续提取法及原子吸收分光光度计火焰法分析测定了表层沉积物重金属Cu、Mn、Pb、Zn、Co、Ni、Cr和Fe的赋存形态；通过相关分析和聚类分析讨论了重金属之间的相互关系及影响重金属含量和形态的因素，以期为合理开发利用渭河水资源，制定污染防治措施以及流域治理规划等提供科学依据。本研究主要结论如下：（1）渭河西安段地表水属中性水质，各项理化指标的均值分别为：pH值7．129，电导率528μs／cm，DO 0．29mg／L，COD 85．1mg／L，BOD522．6mg／L，氟化物0．4601mg／L。沉积物pH值为8．604，为碱性沉积物；粒径组成平均是黏粒10．050％，粉沙粒50．395％，沙粒39．555％，质地类型主要为粉沙粒：沉积物烧失量平均为3．563％；沉积物低频磁化率（χLF）、高频磁化率（χHF）和频率磁化率（χfd）均值分别为50．7×10-8m3／kg、46．2×10-8m3／kg和2．36％；常量元素K2O、Na2O、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3、SiO2和Ti的平均含量分别为：2．26％、1．86％、6．64％、2．09％、11．20％、3．69％、58．52％和3593．3mg／kg。（2）渭河西安段表层沉积物中Co、Cr、Fe、Cu和Pb的平均含量高于环境背景值，As、Mn和Ni的平均含量低于环境背景值，Zn平均含量与环境背景值持平。各重金属元素水平呈波折多峰型分布，其中As、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和Fe具有相似的水平分布特征；各断面重金属累积叠加值由高到低依次为：断面4>断面6>断面3>断面2>断面5>断面1，大部分元素高值区均位于河流中下游河段。（3）筛分实验结果表明：渭河西安段表层沉积物不同粒径颗粒中重金属含量分布具有一定的差异，主要富集于粒径为150-250μm、250-450μm、450-900μm和>900μm的较大颗粒中，其余粒径颗粒中重金属含量相对略小。（4）渭河西安段柱状沉积物中各重金属元素在垂向上明显地呈波折多峰型分布，其中As、Cu、Mn、zn、Ni和Fe表现出非常相似的垂向变化趋势，表明它们具有同一物质来源或相同的沉积后再迁移行为。Pb、Co和Cr在垂直剖面上变化规律性不强。（5）渭河西安段地表水中Cu和Zn主要以溶解态存在，Mn、Pb、Co、Ni、Cr和Fe主要以颗粒态存在。表层沉积物中各重金属主要以残余态存在，其中Pb的“非稳态”（易迁移转化部分）含量大于“稳定态”，其余元素“稳定态”占优势。（6）统计分析表明：地表水中Cu、Mn、Fe的溶解态、颗粒态、全量两两之间均显著相关：Zn的溶解态、颗粒态均与全量显著相关：Co、Ni、Cr的颗粒态与全量显著相关：Pb的全量与DO显著相关，Zn的溶解态与COD、BOD5、氟化物显著相关，Co的pH值分别与溶解态、全量显著相关。沉积物中大多数重金属的全量和形态与低频磁化率（χLF）、高频磁化率（χHF）、黏粒、粉沙粒含量、烧失量（LOI）及常量组分中的K2O、Na2O、MgO、Al2O3、Fe2O3、SiO2、Ti之间相关性较好，反映了影响沉积物重金属富集及赋存形态的主要因素。As、Cu、Mn、Pb、Zn、Ni和Fe两两之间均显著相关，Co、Cr与上述元素相关性较弱。Cu的可氧化态、残余态、全量两两之间显著相关；Mn的弱酸提取态、可还原态、残余态、全量两两之间显著相关；Pb的弱酸提取态与残余态、可还原态与全量显著相关；Zn的可还原态与弱酸提取态、全量显著相关;Co和Cr的残余态均与其全量显著相关；Ni的全量分别与弱酸提取态、残余态显著相关；Fe的弱酸提取态、残余态、全量两两之间显著相关，可还原态与可氧化态显著相关。（7）重金属元素来源分析表明：渭河西安段沉积物中As、Cu、Mn、Pb、Zn、Co、Ni和Fe可能以自然来源为主，Cr可能以人为来源为主，重金属元素在时间跨度内的分布特征反映了其自然来源和人为来源的差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 水体及沉积物重金属污染研究进展
• 1.2.2 水体及沉积物重金属形态分析方法研究进展
• 1.2.3 研究区以往工作概述
• 1.3 本研究的主要内容
• 1.4 研究区概况
• 1.4.1 地理位置
• 1.4.2 地质地貌
• 1.4.3 水文气候条件
• 1.4.4 土壤
• 1.4.5 动植物及矿产资源
• 1.4.6 研究区工业企业分布概况
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 样品采集与处理
• 2.1.1 样品采集与保存
• 2.1.2 样品预处理
• 2.2 分析与测定方法
• 2.2.1 地表水理化参数的测定
• 2.2.2 沉积物理化参数的测定
• 2.2.3 沉积物重金属全量的测定
• 2.2.4 水体及沉积物重金属赋存形态分析
• 2.2.5 不同粒径沉积物的筛分分析
• 2.3 实验数据可靠性分析
• 第3章 渭河西安段地表水及沉积物的理化特征
• 3.1 研究区地表水的理化特征
• 3.1.1 地表水pH值及电导率
• 5'>3.1.2 地表水DO、COD及BOD₅
• 3.1.3 地表水氟化物含量
• 3.2 研究区沉积物的理化特征
• 3.2.1 沉积物pH值
• 3.2.2 沉积物磁化率
• 3.2.3 沉积物粒径组成
• 3.2.4 沉积物烧失量
• 3.2.5 沉积物常量元素含量水平
• 第4章 渭河西安段沉积物重金属含量及分布特征
• 4.1 研究区内表层沉积物重金属含量及分布特征
• 4.1.1 表层沉积物重金属元素含量水平
• 4.1.2 表层沉积物重金属元素的空间分布特征
• 4.1.3 不同粒径表层沉积物重金属的含量及分布特征
• 4.2 研究区内柱状沉积物重金属含量及分布特征
• 4.2.1 柱状沉积物重金属元素含量水平
• 4.2.2 柱状沉积物重金属元素的空间分布特征
• 4.3 相关分析
• 4.3.1 重金属元素与理化指标的相关分析
• 4.3.2 重金属各元素间的相关分析
• 4.4 聚类分析
• 4.5 研究区重金属元素来源及影响因素浅析
• 第5章 渭河西安段地表水及沉积物重金属赋存形态
• 5.1 地表水重金属赋存形态
• 5.1.1 地表水重金属形态结果分析
• 5.1.2 地表水重金属各赋存形态及全量之间的相关分析
• 5.1.3 地表水重金属赋存形态及全量与理化指标的相关分析
• 5.2 沉积物重金属赋存形态
• 5.2.1 BCR四态结果分析
• 5.2.2 沉积物重金属各赋存形态及全量之间的相关分析
• 5.2.3 沉积物重金属赋存形态与理化指标的相关分析
• 第6章 结论及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在的不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果