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1、湖南大学 硕士学位论文 湘江长株潭段底泥重金属污染分析与评价 姓名：李军 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：刘云国 ;许中坚 20081105 摘要 本文以湘江长株潭段底泥为主要研究对象，开展重金属元素的污染研究。沿 湘江株洲至长沙段布置了 10个断面 19个代表性采样点，对底泥中的 Cr、 Mn、Ni、 Cu、 Zn、 Pb、 Cd七种重金属元素含量进行了测试分析，并应用地累积指数法、沉 积物质量基准法和潜在生态危害评价法对底泥重金属污染进行了评价。 文章首先分析了湘江长株潭段底泥重金属的沿程变化及存在形态，湘江表层 沉积物中不同重金属的含量变化并不相同， Mn沿程变化比较显著，
2、呈锯齿状，其他 六种金属含量沿程变化不大， Cu、 Cd、 Pb及 Zn的含量沿程大致呈下降趋势，这 说明株洲霞湾的工业废水污染是长株潭段底泥重金属 Cu、 Cd、 Pb和 Zn的主要来 源，随着水的自净作用重金属浓度逐渐降低；重金属 Cr、 Ni的含量则沿程呈现上 下波动分布。所有采样点中霞湾段、湘潭湘江三大桥以及长沙南大桥采样点的污 染情况比较严重，所有采样点中大部分重金属元素都在这几个断面出现不 同程度的 高值。与长江干流背景值比较得出，湘江长株潭段底泥重金属中，Zn、 Pb及 Cd的 含量均远远超出长江干流背景最高值，这说明三种元素的污染已相当严重。重金 属相关性分析表明， Cd、 P
3、b、 Cu、 Zn相互之间有显著相关性，沿岸工厂的排污有 可能是它们共同的污染来源，有机质与重金属元素的相关性均达到显著水平，说 明沉积物中有机物和粘土矿物对重金属的分布与富集起着重要的作用。 形态分析则表明，七种重金属元素中， Cr和 Ni主要存在于残渣态中，对环 境的影响不是很大， Mn、 Cu、 Pb的铁锰氧化物结合态较高，对周围生 态系统构 成一定的威胁。 Zn、 Cd虽主要存在于残渣态，但酸溶态也占有相当比例，潜在生 态危害不可忽视。 在此基础上应用三种方法对底泥重金属污染进行了评价，三种评价方法得出 的评价结果基本一致。湘江长株潭段表层沉积物中重金属元素地积累指数大致顺 序为 ：
4、Cd (极强 ） Zn (中 -强 ） Pb (中 -强 ) Mn (中 ） Cu (无 “中） Ni (无 ） Cr(无），总体上为中 -强度污染。应用沉积物质量基准法评价时，各重金属污染顺序 评价结果表明： Zn、 Cd、 Pb在各断面都具有较高的生物毒害作用，污染顺序为 ZnCdPbNiCuCr,总体达中 -高等生态危害。潜在生态危害指数法评价的 结果表明：湘江长株潭段底泥中重金属的生态危害总体很强， Cd是湘江长株潭段 重金属潜在生态危害的主要贡献因子，其次是 Pb。 结合区域地质背景和人为活动情况，湘江长株潭段己经受到重金属的污染， 尤其是 Cd、 Pb和 Zn。 通过湘潭锰矿污染土
5、壤的植物调研发现了对重金属耐性及富集能力较强的商 U 陆、早熟禾、鼠麴草、蕨、小飞蓬和威陵菜等几种植物，因此可为污染河道的综 合治理和修复及底泥填埋厂的植被覆盖提供参考，因此具备较大的继续研究价值。 最后对污染河道的综合治理和底泥植物修复措施进行了初步探讨。 关键词 .“ 湘江；底泥；重金属形态：污染评价 Abstract This passage sets the sediment of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan section of Xiangjiang River as the research object, and carries out the heavy
6、 metal element pollution research. Nineteen representative samples of ten cross-sections are selected from upriver to downriver and the concentration of heavy metals including Cr Mn Ni Cu Zn Pb and Cd are evaluated . The methods of Index of Geoaccumulation , Sediment Quality Guidelines and Potential
7、 ecological risk evaluation are applied to evaluate the heavy metal element contamination of superficial sediment in Xiangjiang River. First of all, the article analyzes the changes of heavy metals in sediment along river as well as its existing patterns . The changes of the contamination of differe
8、nt heavy metals in sediment of Xiangjiang River appears vary .The contamination of Mn along the river changes a lot,which is serrated . Six other metal content doesn change greatly . The contamination of Cu Pb Cd and Zn is in downward trend roughly . This shows that the industrial wastewater polluti
9、on of Xiawan of Zhuzhou is the main source of heavy metals-Cu, Pb, Cd and Zn in sediment of Changsha- Zhuzhou-Xiangtan section. With self-purification , the density of heavy metals is gradually reduced . The contamination of heavy metals- Cr and Ni is showing up and down distribution along the river
10、 . Among all the samples , the pollution of Xiawan, the Third Bridge of Xiangtan and the Southern Bridge of Changsha is very serious . Most of the heavy metal elements here are showing various degree of high-value. Comparing with the background value of the main stream of Yangtze River, the contamin
11、ation of Zn Pb and Cd in sediments of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan section is far beyond the maximum value . This indicates the pollution of these three elements is already rather serious .Correlation analysis of heavy metals shows that Cd、 Pb、 Cu and Zn are in a significant correlation .The pollution
12、discharge of plants along the river bank may be their common source of pollution . The relevance of organic and heavy metal elements reaches an outstanding level, which shows that organic and clay minerals in sediment play an important role in the distribution and concentration of heavy metals . The
13、 results of Morphological analysis shows that Cr and Ni in seven heavy metal elements mainly exist in a residue state, thus the environmental impact isn9t very great. The bound state of iron-manganese oxide in Mn、 Cu and Pb is relatively high， which is a threat to the surrounding ecosystem . Althoug
14、h Zn and Cd mainly exist in a residue state, the acid-soluble state is also taking up a considerable proportion , thus the potential ecological harm can not be ignored. On this basis, three methods are applied to evaluate the pollution of heavy metals in sediment. The results are basically the same
15、. The Index of Geoaccumulation of the heavy metal elements in superficial sediment of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan section is roughly in this order: Cd (very strong)Zn(moderate-strong)Pb (moderate-strong) Mn(moderate) Cu(light-moderate) Ni(light) Cr(light) .On the whole , the pollution is moderate. To
16、evaluate according to the Quality Guidelines, the harmful effect on ecology of Zn Cd and Pb in each cross-section is relatively great .The pollution order is :ZnCdPbNiCuCr, which reaches an average-high level in ecological harm. The Potential Ecological Risk Evaluation shows that the ecological harm
17、 of heavy metals in sediment of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan section of Xiangjiang River is very strong on the whole , Cd is the main factor in this part , followed by Pb. Combined with the regional geology background and man-made activities , the area discussed above has already been contaminated by h
18、eavy metals -Cd、 Pb and Zn in particular. Through the research of the plant in the polluted soil of Mn mine in Xiangtan, we find that several plants including Phytolacca esculenta VAN HOUTTE、 Poa pratensts、 Cudweed、 Ditch reed、 Comnyza Canadensis (L.) Cronqs and so on have strong tolerance and conce
19、ntration ability for the heavy metals. It provides reference for the comprehensive management and restoration of polluted rivers as well as the vegetation of sediment buried plants . Hence, it possesses value to go on the research. Finally, the comprehensive management of contaminated river and the
20、resorting measures of plants in sediment are discussed initially. Key Words： Xiangjiang River; sediment; heavy metal form; pollution evaluation 插图索引 图 3.1西岸底泥重金属沿程分布图 . 21 图 3.2东岸底泥重金属沿程分布图 . 21 图 3.3 Cr在各形态中的含量 . 25 图 3.4 Cr在各形态中的百分比含量 . 26 图 3.5 Mn在各形态中的含量 . 29 图 3.6 Mn在各形态中的百分比含量 . 29 图 3.7 Ni在各形
21、态中的含量 . 32 图 3.8 Ni在各形态中的百分比含量 . 32 图 3.9 Cu在各形态中的含量 . 35 图 3.10 Cu在各形态中的百分比含量 . 35 图 3.11 Zn在各形态中的含量 . 38 图 3.12 Zn在各形态中的百分比含量 . 38 图 3.13 Pb在各形态中的含量 . 41 图 3.14 Pb在各形态中的百分比含量 . 41 图 3.15 Cd在各形态中的含量 . 44 图 3.16 Cd在各形态中的百分比含量 . 44 图 4.1表层沉积物中重金属含量与生物效应阈值水平 . 56 附表索引 表 1.1 Tessier连续萃取实验方案 . 11 表 2.1采
22、样断面地理位置 . 15 表 3.1各采样点 PH值及有机质含量 . 19 表 3.2各采样点沉积物中重金属含量 . 20 表 3.3湘江长株潭段沉积物中各元素间的相关知阵 (n=19) . 22 表 3.4表层沉积物中重金属含量变化情况 . 23 表 3.5 Cr的形态分析结果 . 24 表 3.6 Cr的各形态所占的百分比 . 25 表 3.7 Mn的形态分析结果 . 27 表 3.8 Mn的各形态所占的百分比 . 28 表 3.9 Ni的形态分析结果 . 3 表 3.10 Ni的各形态所占的百分比 . 31 表 3.11 Cu的形态分析结果 . 33 表 3.12 Cu的各形态所占的百分
23、比 . 34 表 3.13 Zn的形态分析结果 . 36 表 3.14 Zn的各形态所占的百分比 . 37 表 3.15 Pb的形态分析结果 . . . 39 表 3.16 Pb的各形态所占的百分比 . 40 表 3.17 Cd的形态分析结果 . 42 表 3.18 Cd的各形态所占的百分比 . 43 表 4.1地积累指数 （ Igeo)与污染程度分级 . 47 表 4.2湖南省表层沉积物重金属元素背景值 43 . 47 表 4.3湘江 (长株潭段 )底泥重金属地积累指数与污染程度分级 . 47 表 4.4计算潜在生态危害指数所需的参比值 . 50 表 4.5沉积物中重金属生态危害程度划分标准
24、 . 51 表 4.6湘江底泥中重金属的潜在生态危害系数和危害指数 (工业化前背景） “51 表 4.7湘江底泥中重金属的潜在生态危害系数和危害指数 (湖南表土背景） “52 表 4.8沉积物中重金属对底栖生物产生毒性效应的阈值 . 54 表 4.9湘江长株潭段底泥中重金属在不同阈值范围内的发生几率 . 56 表 5.1湘江长株潭段水体水质重金属污染状况 . 58 表 5.2 2005年湘江株洲段断面水质状况 . 58 表 5.3 2006年丰水期和枯水期湘江株洲段霞湾港监测断面两次检测结果 . 59 表 5.4 2006丰水期和枯水期湘江株洲段马家河监测断面两次检测结果 . 59 表 6_1
25、尾矿坝不同层次土壤的容重 . 63 表 6.2 土壤质地 . 64 表 6.3 土壤样理化性质 . 64 表 6.4 土样中重金属含量与湖南背景值 . 65 表 6.5植物样中重金属 Mn含量测定结果 . 65 表 6.6植物样中重金属 Pb含量测定结果 . 66 表 6.7植物样中重金属 Cd的含量测定结果 . 66 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的
26、 法律后果由本 人承担。 作者签名： 曰期：年丨卜月 曰 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文版权使用授权书 1、 保密 ，在 _ 年解密后适用本授权书。 2、 不保密 (请在以上相应方框内打 / ） 作 者 签 名 ： 曰 期 ： 公年 A月 3 曰 日 期 ： 年 月 彡 日 第 1 章 绪 论 1.1重金属及重金属污染 重金属是
27、指比重大于 5g/cm3的金属元素，在自然界中大约存在 45种，但是由于 不同的重金属对生物的毒性差别很大，所以在环境科学中人们通常关注 Hg、Cd、 Pb、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Mu、 Co等。 As是一种准金属，但由于其化学性质和环境 行为与重金属有相似之处，通常也归属于重金属范畴进行研究。 1.1.1重金属污染的特征 重金属的污染与有机污染物的污染本质不同，重金属不能被分解或消失，他 们的有害作用也决不会消失，即使发生物理变化有害作用有时可能会暂时减弱， 当条件合适时他们又可能会恢复其原来的毒性。所以处理不当，会使重金属迁移 所到之处受到二次、三次污染。 有机物进入土壤后被保
28、留下来，在一定浓度范围内能被土壤微生物分解，能 被淋溶流失，不会在土壤中积累。重金属在土壤中移动性小， 残留在土壤中很难 消失，且一般在耕层积累，往往成为土壤污染的主要问题。它很容易从土壤转移 到生物体内，影响作物生长，引起食物中毒。 1.1.2重金属污染的危害 重金属引起的土壤污染，可分为两类：一类是当污染超过一定限度时，作物 的生长发育就会受到危害，如铜等重金属，虽然能够在一定程度上被作物吸收， 但大部分积累在作物根部，几乎不向地上部分转移，在重金属尚未增高到对人畜 有害以前，作物就枯死或者生长受到显著危害；另一类是作物的生长不易受到引 起危害的元素，在它们的浓度增高到作物生长产生危害以前
29、，就己经使作物受到 潜在的有害污染，如汞、镉等。很多重金属对生物有显著的毒性，并且能被生物 吸收后通过食物链浓缩千万倍，最终进入人体造成慢性中毒或疾病。 重金属污染由于其潜伏周期长，不易降解，直接影响动、植物及水生生物的 生长和繁殖，对生物产生较大的危害从而危及产品的食用安全及人体健康。 1.1.3 土壤中重金属元素的存在形态及化学行为 重金属多属于过渡元素，具有独特的电子层结构，使其在土壤环境中的化学 行为具有如下特点：过渡元素有可变价态，能在一定幅度内发生氧化还原 反应， 同时，同一种重金属其价态不同，呈现的活性和毒性差异也大。重金属在土壤环 境中易发生水解反应，生成氢氧化物，也可以与土壤中的有机酸如富里酸、胡敏