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摘要

湖泊沉积物重金属与人类的生活紧密相关，对于湖泊沉积物的研究有利于了解沉积物对生态环境所存在的潜在危害,因此对我国湖泊沉积物重金属进行研究变得尤为迫切而重要。

本研究通过对我国湖泊沉积物重金属的统计数据进行分析，并在收集我国沉积物资料的基础上，运用GIS的空间分析功能和空间可视化手段，从空间的角度分析了我国分区湖泊沉积物重金属的空间变化特征以及影响沉积物重金属分布的各种因素。

通过本文的研究，首先得出了我国分区湖泊沉积物重金属分布的趋势，同时污染分布较严重的地区主要集中在南部和东北湖区，呈现出南部污染重，变化多，东西污染轻，变化少的空间格局；

其次，得出了我国分区湖泊沉积物重金属分布与pH，TN，TP的相关性，Cr与As，Zn与Cd，TN与pH，TP与Pb分别具有显著相关性；

最后为我国湖泊沉积物重金属保护和综合治理提供参考意见。

关键词:

湖泊沉积物，重金属，GIS，空间变化特征，影响因素

Abstract

Lakesedimentsofheavymetalandhumanlifeiscloselyrelatedtothestudyinlakesediments,tounderstandtheecologicalenvironmentofsedimentexistingpotentialdangertoourcountryinlakesediments,sotoresearchtheheavymetals,isparticularlyurgentandimportantresearch.

Thisstudyanalysesthestatisticaldataofheavymetalsinlakesedimentsinthecollectionareanalyzed,andinChina,onthebasisofsedimentdatausingtheGISspatialanalysisfunctionsandspatialvisualizationtools,fromtheperspectiveofspacedivisionofheavymetalsinlakesedimentsandspatialvariationcharacteristicsandtheinfluencefactorsofheavymetaldistributionsediments.

Theresearchinthispaper,firstobtainedinlakesedimentsinthedistributionofheavymetalsdivisionofthecontaminateddistributiontrends,whilstseriousmainlyconcentratedintheregioninthesouthandthenortheast,showingasouthlake,heavypollution,change,changesomethinglesslightpollutionthespatialpattern;

Secondly,itisconcludedthatthelakesedimentsinheavymetalsdivisiondistributionandpopulation,enterprises,thecorrelationofthebudgetaryrevenues,CrwithAs，ZnwithCd,TNwithpH,TPwithPbasignificantcorrelationbetweenrespectively;

Forourfinallakesedimentsheavymetalprotectionandcomprehensivegovernancereferences.

Keywords:

lakesedimentsheavymetals,GIS,spatialanalysisandspatialchangecharacteristics,influencefactors

目录

1绪论5

1.1目的和意义5

1.2国内外相关研究现状6

1.3本研究基本方法9

1.3.1研究内容9

1.3.2研究路线9

2我国区域环境特征及资料来源、分析方法11

2.1我国湖泊的分类11

2.2区域环境特征13

2.3社会经济环境及自然环境14

2.3.1社会经济环境14

2.3.2自然环境14

2.4资料来源、数据的加载与分析17

2.4.1资料来源17

2.4.2数据的加载与分析17

2.5分析方法21

3结果分析24

3.1我国湖泊沉积物重金属风险评价24

3.1.1我国湖泊沉积物重金属评价标准24

3.1.2我国湖泊沉积物重金属评价方法25

3.2我国湖泊沉积物重金属统计分析25

3.3我国湖泊沉积物重金属的空间分布29

3.4我国湖泊沉积物重金属的宏观影响因素及相关分析35

3.4.1我国湖泊沉积物重金属释放的宏观影响因素35

3.4.2pH值，总磷，总氮含量与我国湖泊沉积物重金属的相关分析37

4我国湖泊重金属污染防治措施39

4.1污染防治措施39

4.1.1我国污水综合排放关于重金属方面的排放标准39

4.1.2治理湖泊污染的建议39

4.2存在的主要问题40

5结论与展望43

5.1结论43

5.2展望43

5.2.1研究过程中的问题43

5.2.2深入的研究44

参考文献45

致谢46

附录外文资料翻译及原文47

1绪论

1.1目的和意义

沉积物中重金属的释放将会导致二次污染[1],重金属污染的威胁在于它不能被微生物分解。

然而,生物体可以富集重金属,并且能将某些重金属转化为毒性更强的金属-有机物。

自20世纪50年代在日本出现水俣病和骨痛病,并查明这是由于汞和镉污染所引起的“公害病”以后,重金属的环境污染问题受到人类极大关注。

在水环境中,沉积物是元素地球化学循环过程的重要控制因子,它能从天然水体中富集重金属等有害物质,起净化剂的作用,因而成为污染物的指示剂。

大量研究结果表明,排入水体中的重金属绝大部分能够迅速被水中悬浮颗粒和底部沉积物所吸附,并在其中富集,成为潜在的重金属二次污染源。

因而,研究沉积物中重金属释放的诱发因素（主要包括水体中盐浓度、氧化还原条件的变化、pH值、水环境中配合剂含量、水体紊动强度以及最新研究得出的影响因素等）,对于水生生态系统的稳定和维护、引用水的安全供给、研究水环境中污染物的迁移规律以及提高对污染物可能产生的环境效应的预测能力具有实际意义和理论价值。

重金属是广泛存在且具有潜在危害的重要污染物，它可通过食物链在生物体内富集，成为持久性污染物，积累到一定浓度时即可对生物体产生毒害作用，严重威胁着人类健康。

通过各种途径进入水体的重金属绝大部分被悬浮颗粒吸附，并在水动力作用的搬运过程中，当其负荷量超过搬运能力时，便逐步沉积下来。

因此，沉积物中重金属的含量分布有明显的规律性，是水环境[2]中重金属污染程度的“指示剂”。

重金属在湖泊沉积物中的聚集主要与周边地区人类活动有关，其垂向变化反映了沿岸人类活动与自然环境相互作用的历史，是评价环境现状及演变趋势、识别问题区域的重要标志。

湖泊沉积物[3]是排入湖水中的重金属污染物的主要藏身之处，它能从天然湖水中富集重金属，从某种意义上可以说是湖水中重金属的净化剂。

但天然湖水的环境条件变化会改变与沉积物结合的重金属的可迁移性，导致重金属重新释放出来，再次进入生态环境，造成二次污染，从而危害人类健康，破坏生态环境。

大量研究表明，在受重金属污染的水体中，水相中重金属的含量很少，而且随机性很大，常随排放状况与水力学条件的变化而变化，所以其含量分布往往规律性较差;

相反，沉积物中重金属的含量比相应水相中的重金属含量高很多倍，常常得到积累，并表现出较明显的含量分布规律性。

因此，沉积物中重金属具有丰度高、易于准确检测等特点，所以水体沉积物重金属变化具有重要的环境指示意义。

根据环境地球化学中的最小限制律，重金属相对于其环境本底值的变化直接反映了一个地区的环境质量，是环境评价中的一个重要指标。

因此，对沉积物中重金属污染的评价是很有必要的，也很有价值。

到目前为止，国内外对沉积物中重金属释放的研究已取得一些成果，不过这些研究的对象大部分都集中在天然湖泊及江河等淡水水体沉积物中的重金属释放，对湖底沉积物中重金属的释放研究则相对较少。

本研究通过对全国湖泊沉积物重金属含量的调查，得到全国湖泊沉积物的空间变化规律，为其预防与治理提供理论支持，初探湖泊重金属的治理方案，为其防治提供参考。

重金属进入湖泊后,首先和必然发生的过程是吸附和解吸,而吸附和解吸是控制湖泊重金属活性的重要物理化学过程之一。

因此研究湖泊中重金属的时空变化和释放规律对预测重金属的环境效应具有一定的指导意义,可以为确定环境容量,研究重金属在湖泊中的迁移提供理论依据。

从影响沉积物中重金属释放的上述因素入手,对于控制重金属的释放从而预防和改善内源污染意义深远。

1.2国内外相关研究现状

重金属污染不同于其他类型污染,具有隐蔽性、长期性、不可逆转性等特点。

进入环境中的重金属难被生物降解,且会通过生物富集和放大作用对生态系统构成直接和间接威胁。

因此,由重金属引起的环境污染问题日益受到关注。

进入水体的重金属可通过絮凝或沉淀作用进入沉积物。

具有源、汇双重作用的沉积物在重金属的污染研究中至关重要。

一般来讲,沉积物重金属总量可作为评价水环境污染程度的一个重要指标,但它不能真正反应其潜在的生态危害性,因为沉积物中的重金属具有不同的赋存形态,形态不同其环境行为和生态效应不同,甚至来源也不同。

因此重金属的形态分析可以提供更多的有关重金属的潜在迁移性、生物有效性及其生态毒性等方面的有效信息。

我国关于这方面的研究一般情况是围绕某湖，通过采样，然后实验分析得到重金属释放及时空分布的数据，然后结合以空间信息和湖泊环境信息为基础而确定的GIS系统来分析。

地理信息系统[4]（GeographicInformationSystem,简称GIS）作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。

由于信息技术的发展，数字时代的来临，理论上来说，GIS可以运用于现阶段任何行业。

从技术和应用的角度，GIS是解决空间问题的工具、方法和技术；

从学科的角度，GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系；

从功能上，GIS具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；

从系统学的角度，GIS具有一定结构和功能，是一个完整的系统。

简而言之，GIS是一个基于数据库管理系统（DBMS）的分析和管理空间对象的信息系统，以地理空间数据为操作对象是地理信息系统与其它信息系统的根本区别。

GIS即地理信息系统（GeographicInformationSystem），经过了40年的发展，到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术，并且得到了极广泛的应用。

尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能，在GPS及路径优化中发挥着越来越重要的作用。

GIS地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。

简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。

目前，全国27个省级环保局及一百多个城市环保部门都己购置了ESRI公司的ARCGIS、ARCVIEW地理信息系统平台软件和相应的硬件设施，大部分省市已经建立环境基础数据库，在GIS平台上开发了城市环境地理信息系统、重点流域水资源管理、环境污染应急预警预报系统等，取得了显著的成效。

下面列举一些GIS在环境方面的应用：

（1）应用GIS技术制作环境专题图

环境地图是环境科学研究的基本工具和手段。

GIS的制图方法比传统的人工绘图方法要灵活得多，在基础电子地图上，通过加入相关的专题数据就可迅速制作出各种高质量的环境专题地图。

可以根据实际需要从符号和颜色库中选择图件，使之更好地突出专题效果和特性。

（2）应用GIS技术建立各种环境地理信息系统

各级环保部门在日常管理业务中，需要采集和处理大量的、种类繁多的环境信息。

而这些环境信息85％以上与空间位置有关。

GIS的强大功能之一是它的空间数据的采集、编辑、处理功能和对空间数据的管理能力。

使用GIS，可以建立各种环境空间数据库。

例如：

污染源空问信息数据库（包括工业、农业、交通等污染源数量、属性和污染源发生的地域范围）、环境质量信息数据库（包括空气、水、噪声等），GIS能够把各种环境信息与其地理位置结合起来进行综合分析与管理，以实现空间数据的输入、查询、分析、输出和管理的可视化。

例如，基于GIS平台，厦门市建立了城市环境空问数据库和污染源监测属性数据库，开发了网络化城市环境质量地理信息系统，该系统涵盖了大气、地表水、声学环境的监测信息，以分布图、专题图、三维模型等形式，生动直观地反映环境质量状况。

（3）GIS技术应用于环境监测[5]

在环境监测过程中，利用GIS技术可对实时采集的数据进行存储、处理、显示、分析，实现为环境决策提供辅助手段的目的。

如广东省以东深流域自然环境地理信息为基础，对东深流域的监测数据进行存储处理，利用GIS技术开发了东深流域水环境管理信息。

该系统直观显示和分析东深流域水环境现状、污染源分布、水环境质量评价，追踪污染物来源。

可结合数字地图查询历年监测数据及各2种统计数据，进行空间分析（如缓冲区查询与分析）、辅助决策（容量计算及污染状况的预测）为流域水环境的科学化管理和决策提供了先进的科学手段。

另外，随着计算机科学技术在地图制图与地图出版领域的应用，数字地图制图理论和方法的不断完善，地图出版的数字原图为主要信息源，以电子出版为操作平台，使数字地图制图与电子出版的结合更加紧密了。

地图数据输入、地图设计、地图编辑、版面设计、组版等工序均可以在计算机环境下来完成上述的生产过程。

关于GIS[6]技术在环保及重金属时空变化和释放规律的应用，各国家及其各级政府机构，尤其是美国，花费了巨大的人力、物力和财力，不仅成立了相关的信息机构（PLSS、USGS、NSDC、NCGIA），建立起了庞大的资源信息数据库，提供廉价的信息数据，而且还制定了相应的政策、标准、法令法规（SDTS）主题图及图层的拆分重叠，不仅是GIS产生及展示技术的基础，同时也影响着美国许多环境设计大师的设计理念。

因此，某种程度上可以说，GIS技术[7]的发展与某些领域尤其是环境规划设计领域的实践是相互促进的。

基于GIS技术在环境方面的应用，目前地理信息科学的发展趋势是:

对地理信息系统的表示，按空间物体的维数，由2维、2.5维向3维发展;

按空间物体的变化，由静态模型、动态模型向实时模型发展。

在地理信息查询和空间分析方面向专题分析方面发展，如洪水预报、洪水淹没分析、大地质量评价、矿藏资源分析等。

目前专业的GIS技术全面向城市、矿藏、土地、环境、生态、农业、水利、交通、森林、海洋、电力等领域发展。

综上所述，国外GIS技术[8]对于我国主要湖泊不是在同一地区的特定条件下，不具有空间和时间上的可移植性，我们可以充分利用GIS的空间分析和可视化手段，以图形的形式定性地分析和表达时空演变态势，可以比较准确、客观、形象的反映重金属沉积物的时空变化和释放规律。

1.3本研究基本方法

1.3.1研究内容

本文通过查阅大量国内外相关文献，利用《中国国家标准汇编》（1998年编制），从空间这方面研究我国湖泊沉积物重金属的时空变异特征，并结合当时的社会、经济因素综合分析其成因，以求准确的把握重金属的时空变化及释放规律[9]。

（1）重金属沉积物空间变化分析

利用查找的资料总结重金属的空间变化，并结合SPSS和ArcMap软件进行数据输入，数据处理，成图等分析。

（2）影响重金属沉积物的时空变化和释放规律的因素分析

通过对比图表和表格分析出影响重金属的时空变化和释放规律的因素分析，一般情况下有以下几个方面的影响因素要纳入考虑。

1.水体pH值的影响

2.水体总氮的影响

3.水体总磷的影响

1.3.2研究路线

（1）通过检索中国一些有关湖泊沉积物重金属的研究论文，从监测数据库中整理出近几年我国湖泊沉积物重金属空间变化数据和相关影响因素数据。

（2）通过大量的文献检索与阅读，了解中国的区域概况、自然环境特征和社会经济环境状况。

（3）对基础地理数据和重金属专题数据进行处理和筛选，提取出研究需要用到的空间数据，进行投影转换后导入到统一的地理数据库中。

同时利用环境综合分析方法对原始监测数据进行统计分析和综合评价，并对分析结果制作各种统计图。

（4）用SPSS软件作为数据处理的辅助，对处理和筛选过的数据进行SPSS输入和处理，利用到的处理方法有线性回归法和矩阵法。

（5）用ArcMap制作各种专题地图，并利用其空间分析功能，对沉积物重金属进行空间可视化，从空间分布和时间演变的角度对我国湖泊沉积物重金属时空变化进行综合分析，并总结出重金属的时空变化和释放规律。

2我国区域环境特征及资料来源、分析方法

2.1我国湖泊的分类

我国天然湖泊24,000多个，湖泊总面积74,250km2，占内陆水域总面积的42.2%。

我国湖泊以小型湖泊为主，面积在1km2以上的湖泊有2,300多个。

其中面积在670km2以上的大型湖泊有7个；

面积在100km2以上的有124个；

大于500km2的大型湖泊仅有31个。

湖泊面积5849km2，主要湖泊有青海湖、鄱阳湖、洞庭湖和太湖等。

可养面积187×

104hm2，已养面积71×

104hm2。

全国湖泊可分五大区：

（1）东部平原湖区：

东部平原的范围包括长江中下游平原及三角洲平原、淮河中下游平原、黄河和海河中下游平原以及京杭大运河沿岸。

这里地势低平，濒临海洋，气候温暖，降水丰沛，河网交织，湖泊星罗棋布，一共有总面积为22,900km2的湖泊在这里安家，约占全国湖泊总面积的28.1%，湖泊率为2.4%。

（2）青藏高原湖区：

其范围包括西藏自治区和青海省的全部及新疆南部一角。

本区湖泊总面积为36,899km2，约占全国湖泊总面积的45.2%，湖泊率为2%，它是地球上海拔最高、数量最多和面积最大的高原内陆湖区，也是我国湖泊分布密度最大的两个稠密湖区之一。

区内湖泊大多发育在一些与山脉平行的大小不等的山间盆地或纵型河谷之中，一些大中型湖泊系在构造断裂基础上发育形成的，故往往是沿构造方向呈带状排列，都属构造湖类型。

这类湖泊的深度一般都比较大，且湖岸陡峻。

区内尚有一些中小型湖泊分布在山岭的峡谷地区，属冰川湖或堰塞湖类型。

区内湖泊又集中分布在藏北高原和柴达木盆地干旱、闭流的高原腹地，故又多为内陆湖泊并是内陆河流的尾闾和汇水中心。

湖泊亦以咸水湖和盐湖为主。

由于青藏高原气候寒冷、干燥，湖水补给不丰而蒸发量大，使得极大多数以高山冰雪融水为补给水源的湖泊，即使是面积较大的湖泊亦出现了明显的干化和湖面退缩现象。

许多地质历史时期的一些大型湖泊已被分解为若干子湖，有的已演化成盐湖或干盐湖。

我们从现代卫星像片上所看到的在湖泊周围呈同心状分布的图形即是古湖岸线的遗迹，它说明了近代青藏高原上的湖泊仍在萎缩和咸化中。

据调查，区内大约有20%～30%以上的湖泊已发展到盐湖和干盐湖阶段。

本区虽然大多数湖泊为内陆盐水湖，但也有外流的淡水湖泊，像青海南部宽阔平坦的构造盆地内发育的著名的鄂陵湖和扎陵湖及一些小湖，它们是我们母亲河——黄河的上游，也是青藏高原上面积较大的淡水湖。

此外，在藏东南地区亦发育有少数外流淡水湖泊，如玛旁雍错和扎昂错等。

（3）蒙新高原湖区：

本湖区湖泊的总面积为16,400km2，约占全国湖泊总面积的20.1%，湖泊率为0.6%。

蒙新高原地区地处内陆，大部分区域处于东南季风的边缘，故降水不丰，气候干旱，但潜水却易于向汇水洼地中心集聚，从而形成众多的内陆湖泊，湖泊一般占据着构造洼地的最低洼部分，成为盆地的汇水中心和河流的尾闾。

一些大中型湖泊往往是内陆盆地水系的归宿，如内蒙古的岱海、呼伦湖和黄旗海以及新疆的巴里坤湖和乌伦古湖等。

由于地表径流补给水量少而蒸发量大，湖水不断浓缩而发育成闭流型的咸水湖或盐湖。

季风降水量则是影响本区湖泊演化的主导因素，故湖泊的水补给量会时多时少，湖面也随之时升、时降，湖形多变，如呼伦湖。

新疆的北部地区的湖泊，其演化的主导因素则是区域大气候的变化，特别是水热条件的配置。

（4）东北湖区：

该区主要是指我国东北的黑龙江、吉林和辽宁三省。

本区湖泊总面积3,800km2，约占全国湖泊总面积的4.6%，湖泊率为0.3%。

本区山区为近代火山活动较频繁的地区，所以区内湖泊多与火山活动关系密切，如牡丹江上游的镜泊湖、德都县境内的五大连池。

镜泊湖是由玄武岩流形成的天然堰堤拦截牡丹江河床，垫高水位而形成。

五大连池则是在260多年前，一次火山喷发的熔岩流堵塞河流而形成的串珠状的堰塞湖。

广袤的东北平原，三面环山，属现代沉降地区，河流造成了宽广的冲积平原。

平原上有大片湖沼湿地分布，同时也发育了大小不一的小型湖泊，当地称之为泡子或盐泡子。

这类湖泊的成因多与近期地壳沉陷、地势低洼、排水不畅和河流摆动有关。

它们具有面积小、湖盆坡降平缓，现代沉积物深厚，湖水浅和矿化度高等特点，如月亮泡和龙虎泡等。

东北地区地处温带湿润、半湿润气候区，夏季短而温凉多雨，入湖水量颇丰；

冬季长而寒冷多雪，湖泊封冻期长。

　　（5）云贵高原湖区：

本区湖泊总面积为1,200km2，约占湖面总面积的1.5%，湖泊率为0.3%。

云贵高原自中新世晚期以来，新构造运动强烈，夷平面、高山深谷和盆地等交错分布。

一些较大的湖泊都分布于断裂带和各大水系的分水岭地带并沿褶皱断裂构造方向排列，湖泊长轴与深大断裂走向基本一致，多为构造湖。

本区湖泊主要分布在滇中和滇西的一些断裂带上，以其海拔较高，湖岸陡峻，面积较小而湖水较深为其主要特征。

主要湖泊有滇池、洱海、抚仙湖、泸沽湖、阳宗海和程海等，其中抚仙湖深155m，为我国第二深水湖。

本区纬度较低，属印度洋季风气候区，降水主要受夏季风即西南季风控制，干湿季节分明，5——10月降水量约占全年降水总量的80%以