【流域治理】水体中重金属污染实例

4.2 重金属污染的磁学诊断

对比磁性参数χ、SIRM、χARM、χARM/χ和χARM/  SIRM和重金属含量及其富集因子的垂向变化，发现二者具有较为相似的垂向变化特征.相关性分析结果(表 2、表  3)表明，Cr、Cd、Zn、Cu、Pb含量及其富集因子与磁性参数χ、χfd%、HIRM具有显著相关性，说明磁性特征对重金属含量和富集状况具有指示作用，可以用来表征重金属污染.在受重金属污染的环境中，χ、SIRM通常能较好地指示重金属污染，义乌江柱样中重金属含量及其富集因子与χ具有较强相关性，反映了磁性矿物含量与重金属污染存在密切关系.根据EF因子，选出粒度组成相似但污染程度不同沉积物样品(除柱样28~24  cm部分外，其余13个样品粒级组成类似，其中24~18 cm和14~12 cm  4个样品各重金属元素富集因子低于平均水平，定义其为污染较轻样品，其余为污染较重样品)，比较其磁性特征.如图  7a所示，污染较重样品具有相对较高的SIRM和χ值，但SIRM和χ线性拟合曲线斜率较小，也即SIRM/χ值较低，说明磁性矿物颗粒较粗，图  7b表明污染较重样品具有较低的χARM/χ和χARM /  SIRM值，也说明含有较多的粗颗粒磁性矿物，与人类活动排放的污染物通常富含粗颗粒假单畴、多畴磁性颗粒磁性矿物相吻合，而污染较轻样品较高的χARM/χ和χARM  /  SIRM值则说明天然成因磁性矿物颗粒较细.前人对金华市或周边地区土壤、降尘等的重金属污染研究表明，工业燃料燃烧、汽车尾气排放和垃圾燃烧是金华地区重金属污染的主要来源.义乌江上游义乌地区是著名的小商品城，商业发达，经济活动频繁，燃料燃烧、汽车尾气排放等会产生大量污染物质，包含磁性颗粒，一旦进入河流中沉积下来，会导致沉积物的重金属污染，并伴随χ增加，从而χ对重金属含量能作出较好的响应.

表2 重金属与磁学参数和TOC的相关分析结果

表3 重金属富集因子与磁学参数相关分析结果

图7 义乌江柱样不同污染程度样品磁性参数的比较

χfd%、HIRM分别反映了超顺磁颗粒的比例以及不完整反铁磁性矿物的含量，这两类颗粒通常是成土过程中形成的，因而主要在细颗粒沉积物中富集，粒度分析也表明了这一点(表  2).由于较细氧化铁颗粒具有较大的比表面积，对重金属具有较强的吸附作用.长江口潮滩沉积物以及义乌江下游的五百滩区域的研究结果表明，χfd%与重金属含量具有较强的相关性，本研究结果与之一致，指示了细晶粒磁性矿物对重金属的吸附作用，或者二者在细颗粒沉积物中的共存.

需要指出的是，利用磁性特征诊断重金属污染，也要考虑沉积后的次生变化的影响.橡皮坝建成蓄水回流，使柱样上部沉积物处于缺氧还原条件，有机质降解驱动的早期成岩作用改变了磁性矿物的组合特征，导致了柱样上部磁性参数的变化，使得磁性特征与重金属含量变化不同步，导致磁性参数对重金属污染的指示性下降.

此外，义乌江重金属与磁性特征相关性最强的是污染较轻的Pb元素，而不是污染最严重的Cu，而污染较为严重的Ni元素与磁性参数相关性极差，说明重金属富集与沉积物磁性的增强不是简单的线性关系.河流作为开放性环境系统，沉积物中的磁性矿物和污染物质来源复杂，加之本研究区域复杂的地质和气候条件，河流水动力条件复杂多变以及人类活动频繁，造成影响磁性矿物、重金属等的因素十分复杂，因此，在河流沉积物中利用磁性特征指示重金属污染，需要充分考虑河流环境的复杂性.本文主要旨在探讨在复杂的河流环境中磁性特征指示污染的复杂性问题，目前分析结果初步说明了这一复杂性问题，后续研究中会在河流其他区域(上游、源头等)布点采样，并加大分析样品的数量，结合测年、矿物鉴定技术等，深入探讨人类活动对沉积物磁性特征和重金属污染的影响，以更深入地认识河流系统中磁性特征与重金属污染关联的复杂机制.

5 结论

1)义乌江柱样Cr、Cd、Zn、Cu、Pb、Ni等重金属元素存在不同程度的富集和污染，Cu、Cd两种元素污染最严重，污染程度自柱样底部向上层呈增加趋势，人类活动是造成重金属污染的重要原因.

2)义乌江柱样沉积物的磁性特征由亚铁磁矿物磁铁矿主导，磁性矿物含量自底部向表层呈增加趋势，磁性矿物晶粒自底部向上先变细后变粗.磁性特征的变化受到粒度和早期成岩作用影响.

3)受污染沉积物中，亚铁磁性矿物含量增加，同时颗粒变粗.磁性参数χ、HIRM、χfd%与重金属含量具有显著相关性，说明磁学方法可以定性地诊断重金属污染.但由于粒度、早期成岩作用等诸多因素的影响，增加了磁性参数定量指示重金属污染的复杂性.