水体中重金属污染实例

水体中重金属污染实例

1 引言

20世纪70年代以来快速发展的环境磁学，由于其测量简便、快速、经济和无破坏性的特点，被广泛应用于地球科学和环境科学领域.近年来，国内外许多学者利用环境磁学手段对湖泊、河

口和海洋沉积物、城市和交通道路土壤、大气悬浮物及降尘、植物等进行了表征，并探讨了其在

指示重金属、有机化合物污染方面的应用.不少研究发现，在受工业、交通排放显著影响的城市

土壤、大气悬浮颗粒物和降尘中，重金属污染与磁性特征具有显著相关关系，其机制在于工业活动、燃料燃烧、汽车尾气等排放的颗粒污染物中，往往含有亚铁磁性矿物(如Fe3O4)，因而利用

磁学方法可以诊断上述物质中的重金属污染情况.

河流沉积物因受水体和大气污染的输入，往往存在重金属污染现象.在河流开放的环境中，

探讨环境磁学对重金属污染的指示，国内近年来已有相关报道，多集中在干旱半干旱区域，而季

风气候控制下的我国南方地区研究较少.这些研究也揭示出河流沉积物磁性参数与重金属污染关

系的复杂性，二者之间并非简单的线性关系.因此，在不同的研究区域，在利用磁学方法进行重

金属污染诊断前，需要对磁性特征的变化因素，及其与重金属污染关联的机制加以分析.我国南

方江浙地区由于工业发达，河流沉积物已遭受不同程度的重金属污染.本研究以浙江省金华市义

乌江城区段边滩沉积物为对象，拟通过系统环境磁学、地球化学、粒度和有机碳分析，旨在探讨

环境磁学方法诊断河流沉积物重金属污染的可行性.

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

义乌江位于浙江省中部金华市(119°13′～120°47′E，28°31′～29°41′N)境内，上游

称为东阳江，发源于金华市磐安县龙鸟尖，入义乌接纳南江后，称义乌江，流域面积3407 km2，上游属山区性河流，流至义乌后坡降逐渐平缓.流域地处金衢盆地，属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温17°C，年均降水量超过1400 mm，降水季节性差异明显.流域流经的东阳市、义乌市

均为浙中经济重镇和交通中心，经济活动频繁，人口密度大.商品贸易、磁性电子、建筑建材等

产业等是义乌江流域重要经济支柱，经济发展的同时也造成了河流严重的污染.

2.2 样品采集与实验方法

研究样品取自义乌江金华城区建筑艺术公园附近，距离下游拦江橡皮坝5 km左右，洪季和

橡皮坝蓄水期间，采样点为水淹没，物理扰动干扰较小.在枯季(2010年12月)使用PVC管获得

30 cm柱样YW.在实验室用按2 cm间隔逐层取样，得到15个样品.去除样品中植物根系、砂石等

异物杂质后，40 ℃低温下烘干，以备分析.

图1 研究区域和采样点位置

磁学参数测量: 称取样品5 g 左右，装入样品盒中，按如下次序进行室温下的环境磁学测量: ①利用Bartington磁化率仪测量样品的低频(0. 47 kHz)和高频(4. 7 kHz)磁化率(χlf、χhf)，计算频率磁化率及百分频率磁化率; ②使用Dtech 2000 交变退磁仪(交变磁场峰值100 mT，直

流磁场0. 04 mT)获得非磁滞剩磁(ARM)，利用Minispin旋转磁力仪测定，计算非磁滞剩磁磁化

率χARM; ③样品用MMPM10脉冲磁化仪获得1 T 条件下的等温剩磁，之后将样品在100 mT、300 mT反向磁场中退磁，分别用Minispin旋转磁力仪测得等温剩磁IRM1T、IRM- 100mT和IRM-

300mT.本文定义1 T磁场下等温剩磁IRM1T为饱和等温剩磁，并计算退磁参数.选取典型样品，

利用Agico公司生产的MFK1FA磁化率仪在氩气环境下完成温度磁化率曲线的测量.

粒度测量：样品经10%HCl和10%H2O2去除钙质和有机质后，加入六偏磷酸钠后超声振荡使

其彻底分散，采用Malvernsizer 2000型激光粒度仪，测量范围为0.02～2000 μm，重复测量误差小于2%.

重金属测量：利用HNO3 HClO4 HF混合酸全溶法消化样品，使用电感耦合等离子体发射光谱

仪(ICPOES，iCAP7000)测定Fe、Al、Ti、Mn、Cr、Zn、Ni等元素，使用原子吸收光谱仪(AAnalyst 800)火焰法测定Cu，石墨炉法测定Cd和Pb元素.每批样品消化过程中均加入两个空

白样品以及国家标准样品(GSD9)进行质量监控.分析结果表明，GSD9元素的测量值在推荐值的

±10%范围以内.

总有机碳(TOC)测量: 采用重铬酸钾法测定，采用国家标准样品(GSD9)进行质量监控，测试

值在推荐值的±5% 以内.

粒度实验完成于浙江师范大学地理过程实验室，其余实验均在华东师范大学河口海岸学国家

重点实验室完成.

3 实验结果

3.1 粒度特征

河流沉积物的粒度特征与河流水动力关系密切，可以指示沉积动力环境，对沉积物磁性特征

和重金属含量具有一定影响.如图 2所示，义乌江YW柱样可分为3层.第一层(30~28 cm)，沉积

物较细，以粉砂和粘土为主，平均粒径9 μm.第二层(28~12 cm)，粘土和粉砂含量随深度变浅而增加，砂含量下降，指示了该层底部水动力较强，向上有变弱趋势.第三层(12~0 cm)，粒度变化

不大，组成类似第一层.从粒度频率分布曲线来看，30~28 cm 及12~0 cm层样品呈现多峰分布，

分选较差;而28~24 cm 深度样品以单峰分布为主，分选较好.除第二层底部部分样品外，其他深

度样品粒级组成十分相似，指示其具有相似的沉积动力环境.

图2 义乌江柱样粒度垂向特征

3.2 磁性特征

3.2.1 磁性矿物的类型及含量

S-100mT 、S-300mT 反映沉积物中亚铁磁性矿物(如磁铁矿)与不完整性反铁磁性矿物(如赤铁

矿、针铁矿)的相对组成，随着不完整反铁磁性矿物含量的增加而下降.义乌江柱样的S-100mT 均

在70%以上，S-300mT 均在90%以上，说明亚铁磁性矿物主导了沉积物的磁性特征.相比第一、二

层，第三层S 比值向上呈现下降趋势，表明高矫顽力组分的相对贡献上升.

磁性参数χ和SIRM 一般指示沉积物中磁性矿物的含量，与χ不同，SIRM 不受顺磁性和抗

磁性矿物的影响，主要反映亚铁磁性矿物的含量.义乌江柱样χ和SIRM 之间显著相关(r=0.80，

p<0.05)，进一步说明了义乌江沉积物磁性特征由亚铁磁性矿物主导.典型样品热磁曲线显示了

580 ℃的居里温度，说明样品磁学性质由磁铁矿主导.加热曲线上磁化率随着温度升高至300 ℃

附近达到峰值，然后下降，至400 ℃附近后迅速升高，在520~530 ℃之间达到峰值后急剧下

降.300 ℃附近出现的峰值可能是亚铁磁性矿物解阻所致，520~530 ℃的峰值主要是由于顺磁性

矿物分解产生新的亚铁磁性矿物.冷却曲线位于加热曲线的上方，说明在加热过程中有弱磁性矿

物转化为强磁性矿物.

χARM 受到磁性矿物晶粒的显著影响，单畴(SD)颗粒的亚铁磁性矿物χARM 显著高于多畴(MD)

或超顺磁(SP)颗粒.磁性参数χ、SIRM 、χARM 总体上第一、二层值较低，12 cm 以上值较高，反

映了亚铁磁性矿物含量自下而上的增加趋势.HIRM 反映了不完整反铁磁性矿物的含量，随不完整

反铁磁性矿物含量的增加而增大.除第一层外，义乌江柱样HIRM 自底部向上单调上升.

3.2.2 磁性矿物晶粒特征

χfd%对细粒径的超顺磁性(SP)颗粒较为敏感，反映了其对磁性特征的贡献.义乌江柱样的

χfd%小于5%，说明SP 颗粒总体含量很低，但20~2 cm 深度SP 颗粒比例明显高于柱样底部和表

层.比值参数χARM/χ指示磁性矿物颗粒的大小，较高的比值反映了单畴(SD)颗粒，较低的比值

指示了多畴(MD)或超顺磁(SP)颗粒.χARM / SIRM 的指示作用与χARM/χ类似，但不受超顺磁

SP 晶粒的影响.自第一层到第二层，随深度变浅，义乌江柱样χARM 、χARM/χ和χARM/ SIRM

呈现增加趋势，第一层中，上述两个参数又下降，反映了磁性矿物晶粒由底部向上呈现先变细再

变粗的趋势

.