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水陆交错带重金属污染土体特征分析与评价【硕论】

更新时间:2019-01-11
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水陆交错带重金属污染土体特征分析与评价

摘  要

近年来,太湖进行了多次分湖区清淤工程,在竺山湾湖滨缓冲带进行生态工程的建设,但污染现象仍旧十分严峻。本文以太湖宜兴市周铁镇流域作为研究靶区,使用表层抓斗式彼得森取样器及自主设计制作的柱状样取样器,采集该流域内太湖竺山湾水陆交错带表层沉积物及100cm深度范围沉积物样品,通过系统化的实验,测定沉积物样品7种重金属元素Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、As的含量及沉积物样品pH,对重金属元素的时空分布特征进行分析。之后利用Pearson相关性分析、主成分分析、地积累指数法及潜在生态危害指数法,初步探明了可用于沉积物污染的研究方法,以期探明一种完整的包含取样、检测以及数据分析的沉积物污染的研究路线及评价方法。主要得出以下结论:
(1)太湖竺山湾水陆交错带表层沉积物中重金属元素在水陆交错带、河口及开阔水体中含量分布不均,具有极大的不确定性,而在河口和开阔水体中的重金属含量明显高于水陆交错带,且河口地区重金属含量差异性更小。在Y1、Y2、Y3及D点4个取样点表层沉积物中,重金属元素Zn的含量最高,Cr的含量次之,Cd含量最低,仅有Pb的含量未超过自然背景值。
(2)研究区域水陆交错带深层沉积物中,Y1、Y3及D点3个取样点沉积物中,重金属含量大小均为Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>As>Cd,其中Zn、Cr最容易成为污染因子,Pb无明显累积,污染较轻。柱状样自下而上,各重金属元素含量呈局部波动,整体上升的趋势。且多项重金属元素近期浓度增加,河口区的含量提升明显,可能有新的污染源进入,需要尽快查清。
(3)研究区域表层及深层沉积物中pH并无显著变化,随深度变化呈现出上低下高式分布,但始终维持在7.15~7.45范围内,总体上表现为弱碱性环境。而在中性至弱碱性环境中,Zn2+、Cu2+等离子更容易形成氢氧化物沉淀而在沉积物中富集,而随时间推移,富集现象则会越来越明显。
(4) 研究区域内7种重金属元素的Pearson相关性分析与主成分分析表明,Cr、Cu、Ni、Zn和As这五种重金属呈显著正相关,为第一主成分的组成元素,相关系数介于0.680~0.920之间,其可能有相似的来源。而第二主成分Cd是农药中大量含有的物质。重金属元素Pb与其他元素没有显著相关性,且重金属含量较小,不是主要污染成分。
(5) 研究区域内沉积物中重金属元素的地积累指数Igeo排序为Cr > Cd > Zn > Cu > Ni > As > Pb,其中Cr污染最严重,呈中度到偏重度污染;Cd的重金属含量虽然最低,但是远超自然背景值,呈轻度到中度2污染;Pb的污染程度最小,为清洁状态。
(6) 研究区域内生态风险指数RI的贡献程度显示,Cd对RI的贡献值最大,占比约为59.22%~74.62%,剖面的污染等级为较重到严重。其他元素单因子生态风险参数Er均小于40,污染等级均为低。而整个区域的RI值范围是186.51~242.59,污染等级为中等到重度,表明竺山湾地区清淤工程以及竺山湾湖滨缓冲带生态工程虽有一定成效,但污染情况仍旧严重,需要后续持续治理。

关键词:  太湖竺山湾;  水陆交错带;  沉积物;  重金属污染;  风险评价

目  录

摘  要 I
ABSTRACT i
第一章  绪论 1
1.1  研究目的与意义 1
1.1.1  研究背景 1
1.1.2  研究意义 3
1.2  国内外研究现状 3
1.2.1  国外研究现状 3
1.2.2  国内研究现状 5
1.3  沉积物污染作用 6
1.3.1  重金属污染 6
1.3.2  有机质污染 7
1.3.3  总氮总磷污染 7
1.4  沉积物中重金属的主要来源及影响因素 8
1.4.1  沉积物中重金属的主要来源 8
1.4.2  影响重金属分布的主要因素 9
1.5  重金属污染评价 10
1.5.1  地积累指数法(Igeo) 10
1.5.2  Hakanson潜在生态风险指数法 10
1.5.3  富集因子法 10
1.6  主要研究内容及技术路线 10
1.6.1  主要研究内容 10
1.6.2  技术路线 11
第二章  研究区域概况 13
2.1  研究区域自然地理特征 13
2.1.1  地理位置 13
2.1.2  气候特征 14
2.1.3  水文水系 14
2.2  研究区域人口与经济发展 15
2.3  研究区域污染特征 16
2.4  本章小结 17
第三章  研究方案的设计 19
3.1  研究内容的确定 19
3.2  研究区域的选择 19
3.2.1  资料查找 19
3.2.2  取样点设置 19
3. 3  现场采样及样品的处理 21
3.3.1  取样器选取 21
3.3.2  样品性状 23
3.3.3  样品的预处理 24
3.4  室内测试试验 25
3.4.1  样品pH测定 25
3.4.2  重金属元素测定 25
3.5  本章小结 35
第四章  竺山湾周铁镇水陆交错带重金属污染特征 37
4.1  沉积物重金属元素含量的平面分布特征 38
4.2  垂直沉积物重金属元素含量及分布特征 40
4.2.1  Cd的空间分布特征 42
4.2.2  Pb的空间分布特征 43
4.2.3  Cu的空间分布特征 44
4.2.4  Zn的空间分布特征 45
4.2.5  Cr的空间分布特征 46
4.2.6  Ni的空间分布特征 47
4.2.7  As的空间分布特征 48
4.3  pH测定结果 49
4.4  本章小结 50
第五章  竺山湾周铁镇水陆交错带重金属污染评价 53
5.1  重金属主成分分析 53
5.2  pH与重金属相关性分析 55
5.3  重金属元素变化与沉积速率分析 58
5.4  地积累指数法评价 58
5.5  潜在生态危害指数法 61
5.6  沉积物疏浚深度的确定 64
5.6.1  用拐点法确定疏浚深度 64
5.6.2  疏浚深度的确定 64
5.7  本章小结 66
第六章  主要结论及需要进一步研究的问题 67
6.1主要结论 67
6.2需要进一步研究的问题 68
参考文献 71