调水调沙期间黄河入海物质特征及重金属研究.docx

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1、调水调沙期间黄河入海物质特征及重金属研究陈钮莹:刘明y张喜林弋部雪娇1陈竟博：吴晓BI中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛2661002自然资源部天然气水合物重点实验室中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东青岛2660713青岛海洋科学与技术国家实验室,海洋地质过程与环境功能实验室，山东青岛266061刘明，高级实验师摘要：黄河调水调沙极大地改变了自然状态下黄河水沙入海情况，势必对黄河入海物质、河口乃至渤海的生态环境造成重大影响。本研究基于2018年调水调沙期间在黄河口海域获取的33个表层沉积物样品，开展了黄河入海物质组成特征及对调水调沙过程的响应、入海沉积物中重金属来源和

2、环境质量的研窕。结果表明调水调沙期间黄河入海沉积物粒级较粗，以粉砂为主；重金属元素含量CrZnNiCuPbAs0调水调沙显著的阶段性特征及其导致的入海沉积物来源的差异对沉积物物质组成特征造成重要影响，与第一阶段相比，第二阶段沉积物粒度较细，除AS外，重金属元素相对含量均增大，黏土矿物含量增大。沉积物中大多数重金属以自然来源为主，重金属污染程度较低，但AS的来源可能受到了人类活动的影响，应引起重视。Abstract:33surfacesedimentsamp1esfromtheYe11owRiverestuaryduringthe2018Water-SedimentRegu1ationSchem

3、e(WSRS)werestudiedbasedonthegrainsizeana1ysis,X-rayf1uorescencespectrum(XRF)andX-raydiffraction(XRD).Theresu1tsshowedthatcomparedwiththefirststageofWSRS,thesedimentsinthesecondstagewerefinebutmorepoor1ysorted,thecontentsofe1ementsexceptSiO2increased,thecontentsofquartzandp1agioc1asedecreased,whi1e(h

4、econtentsofc1ayminera1sandca1citeincreased.Heavymeta1smost1ycamefromnatura1sources,asaresu1t,thepo11utiondegreewasre1ative1y1ow.However,thesourceofAswasprobab1yaffectedbyanthropogenicactivities,whichshou1dbeva1ued.关键词：黄河口；调水调沙；入海沉积物；重金属；污染评价黄河是中国第二大河，以沙多水少闻名于世。近几十年来，受气候和人类活动影响，黄河断流频发，水沙关系急剧恶化-峋。自200

5、2年起，黄河水利委员会开始利用黄河干流大型水库联合调度实施调水调沙，使得不到一个月时间内黄河入海水沙通量可占全年总量的1/3以上，极大地改变了黄河水沙入海情况141o多年来，前人对黄河调水调沙期间水沙通量、物质组成以及沉积动力学等开展了一系列研究-，调水调沙分行洪、排沙两个阶段实施15山，导致河口区沉积环境短期内急剧改变，且大量泥沙、营养盐、有机碳、重金属等物质突发性入海，势必对黄河入海物质组成与黄河口以及渤海的生态环境造成重要影响。因此，开展黄河调水调沙期间入海沉积物的物质组成及重金属环境效应的研究，对深入了解黄河调水调沙对黄河入海物质组成及对黄河口乃至渤海生态环境的影响有着重要意义。基于此

6、，本文对2018年调水调沙期间获取的33个黄河口沉积物样品进行了物质组成和重金属含量的测试分析，查明了黄河入海沉积物组成特征，探讨了重金属的主要来源，并开展了重金属的环境质量评价。2018年7月10日到7月22日针对黄河调水调沙的两个阶段于北纬37.8。至38.3。,东经118.8。至119.5区间内开展海上调查取样，使用抓泥斗采集33个黄河口表层沉积物样品，站位信息如图1所示：其中，图中红色站位为调水调沙第阶段的调查站位，黑色所示为第二阶段的调查站位。国家级大学生创新创业训练计划支持项目O于2023年5月发表于MarinePo11utionBu11etin作者简介：陈铉笔(1999-),女，

7、广东佛山人，地质学，2018级.（红色站位为第一阶段取样；黑色站位为第二阶段取样）图1黄河入海沉积物采样点站位示意于帅等人研究表明，调水调沙期间，黄河入海泥沙快速沉积在河口口门附近，主要向东北及偏东北方向扩散，扩散范围主要约IOkm区域1。本研究的调查站位布设在黄河口口门东北方向附近海域，并结合现场水文调查，正是调水调沙期间黄河入海沉积物迅速沉积的海域，因此能反映这一特殊时期黄河入海沉积物的特征。取定量样品依次加入30%O2除去有机质、30%HC1除去碳酸盐，反应完全后离心至中性，之后经超声波振荡20-3Omin确保样品完全分散后，使用英国Ma1vern公司的Mastersizer2000型激

8、光粒度仪测定粒度，测试采集粒级间隔为6/4,重复测试相对误差V2%,采用FoIk和Ward公式计算得出粒度相关参数取一定量的沉积物样品烘干研磨至200目以下，装入直径为32mm聚乙烯样品杯内压实，保证底面绝对压平，采用德国斯派克分析仪器公司的SPECTROXEPOS台式偏振X射线荧光光谱仪进行测定。利用粉末X射线衍射仪完成分析，仪器型号为BrUker公司的D8Advance,测试电压为40kV,电流为40mA,测试步长0.02c7step,速度47min,采用靶材为铜，测试用X射线波长为0.15406nm0调水调沙期间黄河入海沉积物的各粒度参数如图2所示。沉积物平均粒径主要集中在57中，组成成

9、分以粉砂为主（平均约为75.7%）,其次是砂（平均约为15.1%）,黏土含量较低（平均约为9.2%）。图2黄河入海沉积物粒度组成特征调水调沙的阶段性特征及其导致的入海物质来源的差异，势必对入海沉积物的物质组成特征造成重要影响。研究表明，黄河中上游小浪底等水库的运用促使下游河道全年处于被冲刷状态，下游河床粒级逐年增大，同时黄河口近岸沉积物粒度也有粗化趋势“吐】，因此在调水调沙的第一阶段，人造洪水对河床的冲刷能力强，导致该时期入海沉积物主要来源于下游河道冲刷，沉积物粒度粗化，因此，调水调沙第一阶段黄河入海沉积物平均粒径粗，砂含量高。在调水调沙的第二阶段，小浪底水库释放巨量早先沉积的细颗粒泥沙并被携

10、带入海口叫导致该阶段黄河口表层沉积物粒度较细，砂含量降低，黏土含量增加。表1调水调沙期间黄河口表层沉积物元素及黏土矿物含量A12O3CaOFe2O3CrNiCuZnPbAs黏土矿物最小值8.645.423.1354.1223.9113.4240.2210.806.962.5最大值12.439.195.9185.2437.1140.7192.7231.4822.9547.5平均值11.107.014.4672.1930.5323.1765.5420.1513.9523.3第一阶段平均10.906.794.2971.5129.9521.4862.4218.0114.8820.8第二阶段平均11.7

11、27.705.0274.3332.3828.5375.4226.9411.0027.7注：常量元素单位为;重金属元素单位为gg.重金属元素中，重金属元素含量CrZnNiCuPbAso调水调沙过程中重金属元素分选得到很好的响因，第二阶段Cr、Ni、Cu.Zn、Pb含量均比第一阶段高，而AS含量除受调水调沙不同阶段影响外，可能还受区域和人类活动影响。重金属元素主要受粒度和矿物含量的影响，其来源分为自然来源与人为来源。为了解研究区域内重金属的来源，开展了重金属元素与AI2O3、CaO.Fe2O3以及平均粒径（Mz）、黏土矿物含量（C1ay）之间的PearSon相关性分析与主成分分析，结果分别见表2、

12、3。PearSOn相关性分析得出Cr、Ni、Cu,Zn、Pb等元素之间相关性较高，反映了它们来源与迁移规律的相似性，此外，其与AI2O3、Fe2O3.Cao等有较高的相关性，表明Cr、Ni.Cu.ZnPb等重金属元素以自然来源为主。而As元素与其他元素的相关性较低，这表明其来源及迁移规律与其他重金属元素存在差异。表2研究区重金属元素与AbCh.CaO、FsCh、平均粒径（M4）黏土矿物含量（C1ay/%）的相关性AhOjFe2O3CaOCrNiCuZnPbAsMzC1ayA12O31.00FezCh0.92*1.00CaO0.84”0.96“1.00Cr0.68*0.680.74*1OoNi0

13、.870.94”0.910.771.00Cu0.78”0.94*0.95*0.54-0.871.00Zn0.921OO*0.96*0.67-0.95*”0.94x1.00Pb0.81”0.92”0.88*0.59,0.81”0.90,0.911.00As0.48,0.390.310.43x0.43X0.210.41*0.101.00Mz0.180.300.27-0.010.110.250.270.4440.041.00C1ay0.76*0.9Iw0.93*0.51*0.87*0.920.910.86”0.310.271.00注：*.在0.01级别（双尾）相关性显著：*在0.05级别（双尾）相关

14、性显著。经过主成分分析得到的2个主成分，反映了重金属元素的不同来源（表3）。第一个主成分贡献率为73.8%,A12O3.CaO、Fe2O3.Cr、NisCu.Zn.PbsA12O3和黏土矿物占较高的载荷。AbCh在沉积物形成过程中相对稳定，在黏土粒级中富集，常被作为陆源成分的指标H2Fe2O3与AI2O3具有类似的地球化学特性12叫而黄河沉积物以富Ca为特征，因此均可作为黄河沉积物物源参考指标。因此，第一个主成分反映了这些元素是自然风化的产物，且来源于黄土流失。第二个主成分贡献率为10.7%,AS和Cr占较高载荷。结果表明AS和Cr与其他元素以及黏土矿物相关性较低，且其含量略高于黄土背景值3】，可能与煤的燃烧、金属冶炼、油田采油、船舶溢油等人类活动有关。因此，第二个主成分反映了人类活动造成的重金属污染。值得注意的是，Pearson相关性分析和主成分分析中平均粒径与各地球化学元素的相关性均较低，表明调水调沙期间元素分异与粒级之间的关系受到破坏。而重金属元素与黏土矿物含量之间的相关性较高，这表明重金属元素主要通过与黏土矿物相吸附进行迁移。但调水调沙期间水沙通量巨大，沉积物以异重流形式入海后迅速堆积，混合严重，分选不及时，使沉积物粒度大小对各元素含量制约较小。表3主成分分析的因子载荷、特征值及累计方差