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随着社会经济和人口的快速发展,黄河的水质问题逐渐被关注。甘肃省、宁夏和内蒙古自治区(简称甘宁蒙地区)是典型的干旱或半干旱的农业和工业发展地区,同时也是我国重要的工业基地,甘宁蒙地区工农业的发展必然使黄河甘宁蒙段重金属污染的风险增加。本文以黄河与甘肃、宁夏和内蒙古省界交接处具有代表性采样点的水样、表层沉积物及当地居民头发为研究对象,以As、Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Pb、Zn等8种重金属元素含量水平为研究内容,以电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)为手段,分析不同介质中重金属元素的含量分布并对其污染状况进行分析、污染评价,同时探讨了 Cr、Pb等元素在黄河表层沉积物中吸附-解吸的特性,为改善和保护黄河,解决西北少数民族地区公众和环境健康问题提供可信数据和依据。结果表明:(1)过滤水中各元素含量平均值从大到小排序为:Fe>Mn>Zn>Pb>Cu>Cr>As>Cd。8种重金属元素空间分布规律相似,均在P3处出现最大值。虽然该地区只有少数工厂企业,但该点位于两个重要的工业城市一兰州和白银的下游。利用综水质指数法评价和综合污染指数法黄河甘宁蒙省界断面过滤水,P4、P1和P2属于无污染;P3属于微污染。出入省通量研究表明在P3采样点有新的污染源,黄河水体在甘肃段增加大量重金属污染物。和黄河上游、下游对比,本文所在的黄河甘宁蒙段Cd、Cr、Cu、Zn等元素含量均介于上游与下游之间,上游水质明显优于甘宁蒙段及黄河下游。(2)表层沉积物重金属含量水平结果揭示,不同个采样点之间同种重金属含量差异不大。以当地土壤背景值作为参比,地累积指数法(Igeo)评价结果显示P2点的Cd为中度污染,P1、P3和P4的Cd及P1-P4的As为偏中度污染,P2点的Zn为轻度污染,其他采样点的Zn与P1-P4的Cu、Cr、Fe、Pb和Mn均为无污染。潜在生态危害指数法(RI)评价结果显示各采样点RI值从大到小排序为 P2(247.84)>P3(216.26)>P4(206.05)>P1(175.01),表明四个采样点黄河表层沉积物中重金属处于中度生态危害。沉积物富集系数法(EF)表明四个采样点的Cd和As有较强污染,且是人为因素产生。与文献对比发现本研究黄河甘宁蒙省界点沉积物污染最严重的是As元素,约为黄土背景值的5倍,黄河中游的20倍,几乎超过文中报道文献参考值。甘宁蒙段表层沉积物重金属进行评价,Zn在P4点表现为轻度污染,其余3个采样点均无污染。Cd和As在4个采样点污染均相对严重,其中As在P1表现为偏中度污染,在P2、P3和P4表现为轻度污染;Cd在P1表现为轻度污染,在P2、P3和P4表现为偏中度污染。(3)人发重金属含量分析结果显示在P1-P4采样点的居民发样中Cr含量明显偏高,这表明甘宁蒙区域可能普遍存在高水平Cr暴露。Mn和Fe的含量在女性和男性之间存在显著性差异(pMn=0.001,pFe=0.001)。女性发样中Mn和Fe水平明显高于男性,这可能是不同性别对食物中微量元素摄取的差异导致,从而影响重金属的吸收和生物利用度。对于不同年龄组,Cr(p=0.021),Zn(p=0.003)和Pb(p=0.035)在不同年龄组呈现显著性差异。其中,低年龄组发样的Pb含量最高,其次是中年组,老年组最低。生物样本与环境样本相关性分析显示Mn和Cr在人发与沉积物中显著负相关,在研究区域,居民与沉积物之间几乎不存在食物链,可能的原因是,居民头发和沉积物Mn来源于矿产开采的锰排放。(4)黄河河曲段表层沉积物对Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附-解吸特性研究结果表明为在较强的酸度下,吸附剂具有较低的吸附效率,当pH为6.0时,吸附效率达到最大。在吸附的初始5min内,Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附率上升极快,随着时间的延长,吸附率变化缓慢,60min基本达到吸附平衡。动力学实验研究表明,沉积物对Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附过程符合准二级动力学吸附模型,吸附主要为化学吸附。吸附等温线实验表明Pb(Ⅱ)吸附过程符合Langmuir模型,而Cr(Ⅵ)符合Freundlich吸附模型。热力学结果显示沉积物对Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附是吸热过程,且自发进行。吸附态Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的解吸较慢,在360min左右基本达到平衡,且Cr(Ⅵ)的解吸量大于Pb(Ⅱ)。两个金属离子的解吸均符合Elovich方程,属于非均相扩散。解吸量随pH的增大而下降。共存离子的竞争吸附实验表明,沉积物对Pb(Ⅱ)吸附优于Cr(Ⅵ),二元离子共存体系中Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)竞争吸附率均低于单离子的吸附率。研究结果可以为实行最严格水资源管理制度,改善和保护黄河,解决西北少数民族地区公众和环境健康问题提供实验数据和科学依据。