重金属因其高毒性、难降解、易累积等特性(Armitage et al., 2007;Borgmann and Norwood， 1997)，成为干扰河流和湖泊等水体功能正常发挥的重要因素(Peng et al., 2009)，而当沉积环境发生改变时，吸附于沉积物中的重金属通过一系列物理、化学和生物过程释放出来，造成水环境的“二次污染”(Vallee and Ulmer， 1972; Peng et al., 2009).河流沉积物作为其水生环境中重金属的最大储存库，国内外学者在河床沉积物重金属空间分布、相互关系、来源以及生态评价等方面取得了重要成果(Salati and Moore， 2010;Kaushik et al., 2009; Zhang et al., 2011;Memet，2011; Ahmad et al., 2010).但也存在一些问题，如研究中经常忽略河流潜流交换对重金属含量的影响；对河流等易受干扰的沉积物重金属研究较多关注沿水流方向沉积物的空间变化，且在河流重金属评价中较多的评价某一固定时间0～-10 cm沉积物重金属的污染状况，有个别学者对河流沉积物重金属不同深度污染状况进行评价，而对其垂向变化机理和不同时间段重金属含量变化原因进行深入分析的相对较少.

河床沉积物的渗透系数是一个重要的水文地质参数(程春龙等，2011)，直接影响河水-地下水之间水力联系的强弱和潜流带水量交换大小，并影响物质反应在溶质中滞留时间与混合过程.研究河流沉积物渗透系数，有助于确定河水-地下水水量交换和污染物运移的量值与范围(宋进喜等，2009).本文基于野外沉积物垂向渗透系数试验，结合室内沉积物粒度分析结果与重金属(Cu、Zn、Pb、Cd)质量分数，探讨潜流带沉积物重金属时空变化及与水量交换、沉积物颗粒结构间的关系，以期为下一步开展渭河重金属污染评价和水污染防治与水环境修复提供基础数据.

渭河位于中国西部干旱半干旱地区，是黄河最大的一级支流，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，流经陇、宁、陕三省，于陕西省潼关注入黄河，全长818 km，总流域面积13.5×10⁴ km².渭河陕西段全长502km，流域面积6.76×10⁴ km²，流域南北跨越黄土高原、关中盆地、秦岭北麓山地3个地貌单元，气候类型属典型的大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，降水多集中于6～9月份且多暴雨，加之渭河流域大部分被黄土覆盖，质地疏松，易被水蚀致使渭河成为典型的冲淤性河流.

依据野外沉积物垂向渗透实验的客观要求在渭河干流陕西段主河道上选择了5个具有代表性的断面：宝鸡市眉县(N 34°14′31.13″，E 107°48′43.63″)、咸阳市附近的钓鱼台村(N 34°18′33.48″，E 108°40′36.96″)、以及西安市草滩(N 34°22′28.63″，E 108°50′01.70″)、西安临潼(N 34°25′13.52″，E 109°10′43.53″)和渭南华县(N 34°34′44.46″，E 109°40′35.14″)作为研究点(见图 1).在每个研究点上顺河流方向随机布置间距不等PVC测管，其中草滩共布设11根PVC测管，咸阳11根，临潼16根，华县16根，眉县11根，共计66个垂向渗透系数测试点位.

图 1(Fig. 1)

图 1 渭河陕西段检测点布设图 Fig. 1 Layout of study site of Weihe River

国内外研究者采用不同的研究方法测定潜流带渗透系数，鉴于本研究主要考虑河流潜流带沉积物的垂向渗透性能，通过对各类方法的比较分析，最终采用Chen等(2000; 2004)提出的水头下降竖管渗透试验法来测试河床沉积物渗透系数，其示意见图 1.首先将长1.6 m，内径54 mm，外径60 mm，两端开口的硬质透明 PVC 测管垂直插入河床，深度约40 cm，然后从测管上端注河水至满，并计时；最终记录5～6组不同时刻所对应的测管下降水头的位置.待全部测试实验结束，以记录数据为依据，按照式(1)精确计算各测管内河床沉积物的垂向渗透系数(K_v)值.

野外原位渗透系数试验完成后，为防止测管内沉积物脱落，向其上端注满河水后盖上橡皮塞垂直从河床沉积物中拔出，然后将PVC测管中的沉积物按照0~-10 cm，-10~ -20 cm，-20~-30 cm，-30~-40 cm进行分层，之后分别装入聚乙烯封口袋中进行编号登记，带回实验室.将带回实验室的沉积物样品转入纸碟后自然风干，混合搅匀后按四分法对角取样，应用筛分法进行粒度分析.首先将试验样品倒入孔径由大到小，由上至下放置的筛子，将其置于8411型电动振筛机上震动约40 min，然后称量16个不同等级筛子的剩余土量并记录，其中筛子最大粒径为12 mm，最小粒径为0.075 mm.筛分误差<2%.取<0.075 mm的沉积物5～10g放入小型聚乙烯封口袋保存用于测定重金属质量分数.

重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量分析采用HNO₃-HF(5 mL HNO₃∶3 mL HF)微波消解，电热板赶酸，2% HNO₃定容至100 mL.用火焰原子吸收分光光度计(SHIMDZU AA6300，日本)测定其含量.所用试剂均为优级纯，水为超纯水，分析过程中所用聚四氟乙烯坩埚均在1∶1 硝酸中浸泡48 h，玻璃器皿经10%硝酸浸泡24 h 以上，使用前用超纯水冲洗干净.同批次样品设定2个空白对照样.

相关性分析应用SPSS21.0软件，其余统计数据主要在Excel 软件中完成.

从渭河陕西段沿河流流向选择了5个具有代表性的研究断面，于2013年春夏二次对其进行野外垂向渗透系数测定，共布设点位数66个.所测垂向渗透系数(K_v)就单个测管而言最大值出现在草滩为21.864 m · d^-1，其次是华县18.429 m · d^-1，最小值出现在眉县为0；就平均值而言最大值出现在春季草滩为8.6319 m · d^-1，其次是春季眉县4.9645 m · d^-1，最小值为眉县春季0.0115 m · d^-1.同时同一研究断面不同测管其沉积物渗透性能也有较大差别，从春夏二季的对比可以看出即使同一研究断面，只是时间不同，其K_v变化也较大.

对渭河陕西段各研究断面垂向不同深度春夏二季的沉积物样品进行粒度分析，得出渭河陕西段沉积物颗粒级配曲线(见图 2)，5个研究断面除草滩外，其余4个研究断面颗粒级配曲线较为集中，同时春夏二季各研究断面，沉积物颗粒继配曲线虽有变化，但是浮动较小.参照宋进喜等(2009)的研究进一步对河床沉积物进行分类：＜ 0.075 mm为粉砂和粘土，0.075～2 mm为沙，＞2 mm为砾石(见表 2).渭河陕西段河床沉积物沙含量＞50%，眉县、临潼2研究断面粉砂与粘土含量较大且春夏变化不大，而华县粘土与粉砂春夏变化较大，草滩沉积物粒径主要是砾石与沙，占总含量的97%.有研究表明对沉积物渗透性起主要作用的是沉积物的粒径大小，其中粒度越大，渗透性能越强(宋进喜等，2009;任朝亮等，2013)，对草滩与各研究断面的沉积物粒径分析，证实了这一观点(见图 2和表 1).然而即使是沉积物粒径分布相似的4个研究点其渗透性能也有较大差别，这与沉积物的垂向分层、排例组合有一定关系，野外与室内研究发现沉积物在垂向上呈现明显的分层现象(见图 2)，各层沉积物的不同排列会直接影响沉积物的整体渗透性能.同时在特定条件下，底栖生物的扰动也是影响沉积物渗透性能的重要因子(任朝亮等，2013).

图 2(Fig. 2)

图 2 沉积物颗粒级配曲线(a:春季；b：夏季；c:华县春季不同深度；d:眉县春季不同深度) Fig. 2 Average particle size distributions of streambed sediments from test sites in the Weihe River(a. in the spring; b. in the summer; c. different depth of the spring for the Huaxian site; d. different depth of the spring for the Meixian site)

表1(Table.1)

表1 潜流带沉积物野外垂向渗透系数测试结果 Table.1 Investigation date and locations and tested results for the sediment hydraulic conductivities

表1 潜流带沉积物野外垂向渗透系数测试结果 Table.1 Investigation date and locations and tested results for the sediment hydraulic conductivities 研究断面 时间 研究点位数 Kv值范围/(m·d-1) 平均值/(m·d-1) 中位数/(m·d-1) 眉县 2013/3/21 7 0～0.03756 0.0115 0.0097   2013/6/2 4 0.04932～2.246485 0.6151 0.0823 咸阳 2013/3/18 11 0.012109～0.237364 0.0883 0.0661 草滩 2013/3/10 7 0.82429～21.86398 8.6319 6.8709   2013/6/19 4 0.362364～1.444082 0.7074 0.5116 临潼 2013/3/14 9 0.232609～1.290278 0.6525 0.6656   2013/6/19 7 0.015807～0.030511 0.0255 0.0268 华县 2013/3/19 9 0.090727～18.42933 4.9645 1.9326   2013/6/25 7 0.12424～0.524323 0.2487 0.1704

表2(Table.2)

表2 渭河沉积物粒径分布 Table.2 The sediment particle size distribution in the Weihe River

表2 渭河沉积物粒径分布 Table.2 The sediment particle size distribution in the Weihe River 研究断面 季节 粉砂与粘土 沙 砾石 眉县 春季 32.10% 67.89% 0.51%   夏季 26.55% 65.43% 2.46% 咸阳 春季 23.30% 76.41% 0.29% 草滩 春季 0.40% 62.46% 37.14%   夏季 2.48% 71.04% 26.48% 临潼 春季 41.51% 58.44% 0.050%   夏季 45.70% 54.30% 0 华县 春季 7.65% 91.84% 0.51%   夏季 28.36% 71.29% 0.35%

对渭河陕西段5个研究断面所有原位PVC测管中潜流带沉积物重金属进行测定，得出春夏二季不同深度沉积物重金属质量分数(见表 3).由表 3可知，渭河陕西段沉积物重金属质量分数w_Cu、w_Zn、w_Pb、w_Cd的垂向变化特点.其中w_Cu眉县春夏二季不同深度均值不同，其中最大值均出现在-30～-40 cm，最小值出现在-10～-20 cm；咸阳春季最大值出现在-10～-30 cm，最小值为0～-10 cm；草滩最大值为-30～-40 cm，最小值-20～-30 cm；临潼春夏二季最大值出现在-30～-40 cm，最小值出现在-10～-20 cm；华县春季最大值出现在0～-10 cm，最小值出现在-30～-40 cm，夏季最大值出现在-10～-20 cm，最小值与春季相同出现在-30～-40 cm.同时w_Zn、w_Pb、w_Cd也呈现出与w_Cu相同的变化，即不同深度重金属含量不同.对渭河陕西段不同深度沉积物的野外试验观测和实验室粒径研究结果表明：不同深度沉积物颗粒级配曲线不同，沉积物在垂向上具有明显的分层现象(见图 2c、2d).已有研究表明不同降水强度、径流对区域冲刷与挟带能力不同，导致其挟带物理化学性质的不同，造成不同深度河流沉积物自身重金属含量的不同.同时不同深度沉积物当时的水力交换条件不同，河流污染程度也不尽相同，这可能也是影响不同深度沉积物重金属的质量分数差异的重要原因.而对同一重金属在不同深度沉积物中的质量分数进行相关性分析(见表 6)，结果表明Cu、Zn、Pb、Cd等单一重金属含量在垂向上具有显著正相关，由表 1可知各研究断面潜流带沉积物在垂向上均存在不同程度的交换，同时研究也表明水相间重金属具有显著正相关性(见表 4)，因此推断是潜流交换造成其单一重金属在沉积物中垂向上呈显著正相关的重要原因.河床沉积物组成不同于湖泊，更加容易受到洪水冲刷的影响.对于不同河流由于其所处气候环境不同，其洪水发生的时间、强度、频率不同，其冲刷与挟带能力也有较大差异，对河流沉积物的构成组分及扰动深度有较大差别，同时人为泄洪也会对其造成影响.陕西省气象资料统计表明渭河陕西段区域降水主要集中在6—9月且多暴雨，期间沉积物冲刷和淤积频繁且程度各异；冬季和春季降水较少，河床沉积物一般较为稳定，所以春季5研究断面沉积物稳定时间为6～7个月.与其它研究点相比华县出现异常主要是因为华县野外实验取样是在宝鸡峡泄洪后的第3天，其河水浑浊，固体颗粒含量较大，原有河床沉积物破坏，而新的沉积物并未稳定.通过温度传感器对潜流带不同深度温度测定，应用热扩散对流方程计算出潜流带渗流量，也同样证实华县潜流交换异常，同时对竖管沉积物颗粒构成进行研究发现宝鸡峡泄洪对华县的影响深度可达40～50 cm，而这可能是导致华县不同于其它研究点重金属质量分数垂向变化的原因.

表3(Table.3)

表3 潜流带沉积物不同深度重金属质量分数测试值 Table.3 Calculated mass fraction for the heavy metals in sediments with different depths

表3 潜流带沉积物不同深度重金属质量分数测试值 Table.3 Calculated mass fraction for the heavy metals in sediments with different depths 断面 重金属 季节 重金属质量分数w/(mg·kg-1) 0～-10 cm -10～-20 cm -20～-30 cm -30～-40 cm 范围 均值 范围 均值 范围 均值 范围 均值 眉县 Cu 春 34.45～61.20 50.39 37.69～67.06 48.32 28.34～77.11 51.52 37.71～80.89 58.46 夏 8.89～26.91 17.78 8.90～26.91 17.78 8.89～25.75 16.03 7.43～29.66 18.55 Zn 春 186.60～540.80 338.75 178.90～426.90 307.02 166.40～427.30 288.71 154.31～447.3 370.96 夏 42.37～61.12 55.50 42.37～61.12 55.50 29.45～66.43 51.60 34.23～66.80 50.51 Pb 春 5.61～53.33 33.03 14.00～72.77 35.59 8.45～55.67 28.25 12.58～52.95 29.19 夏 11.67～15.23 13.44 11.67～15.23 13.44 13.36～28.82 19.06 13.39～25.10 19.24 Cd 春 4.16～17.35 9.62 0.40～21.02 8.50 2.61～15.97 9.46 0.40～15.50 6.74 夏 0.82～4.11 2.10 0.82～4.11 2.10 1.22～7.47 3.30 4.91～5.23 5.07 咸阳 Cu 春 15.08～84.63 34.64 16.65～93.33 47.87 16.65～93.33 47.87 0.99～115.98 39.24 Zn 春 40.21～219.9 114.84 57.42～267.20 185.22 57.42～267.20 185.22 96.31～262.7 177.91 Pb 春 20.41～70.89 47.09 6.05～103.34 61.80 6.05～103.34 61.80 26.22～90.97 56.74 Cd 春 0～8 4.47 0.20～12.28 5.64 0.20～12.28 5.64 1.64～9.61 5.39 草滩 Cu 春 - - - - - - - - 夏 19.66～25.34 21.92 15.18～28.45 21.78 9.08～25.27 19.61 11.46～39.95 22.90 Zn 春 - - - - - - - - 夏 49.60～62.25 56.42 51.95～68.89 58.06 21.70～66.87 45.36 44.65～77.18 58.02 Pb 春 - - - - - - - - 夏 12.60～27.59 20.60 22.31～32.28 27.55 8.04～30.56 18.84 13.43～35.87 25.74 Cd 春 - - - - - - - - 夏 0.82～6.28 3.68 2.05～5.12 3.28 0.41～3.08 1.80 0.21～9.52 5.31 临潼 Cu 春 28.16～58.96 45.28 18.38～54.95 40.75 10.37～87.43 42.44 17.32～90.75 47.59 夏 11.91～37.77 23.28 18.95～26.06 22.24 17.42～34.93 26.18 20.59～41.14 31.47 Zn 春 151.50～227.90 186.62 131.90～275.70 183.83 106.10～216.90 161.49 101.99～249.74 174.56 夏 41.44～79.76 60.37 40.57～62.93 53.91 45.97～99.96 65.81 52.10～114.26 76.96 Pb 春 15.43～89.87 53.59 32.29～78.83 55.29 2.82～93.66 47.64 20.98～78.49 43.53 夏 12.50～35.82 23.33 13.85～36.91 20.44 9.72～27.59 19.14 11.03～34.16 21.50 Cd 春 0.24～13.91 6.25 2.86～15.54 7.65 1.45～12.59 6.23 3.36～12.31 6.66 夏 2.73～6.96 4.32 1.92～5.07 3.17 2.39～4.31 3.46 2.07～5.81 4.05 华县 Cu 春 46.82～166.6 102.51 15.34～143.5 75.33 46.94～135.70 84.86 48.39～118.12 71.35 夏 5.59～45.70 21.45 5.85～58.53 24.05 4.61～33.07 18.37 9.94～18.29 13.59 Zn 春 26.87～142.20 102.72 26.70～136.67 78.58 28.20～198.99 113.05 71.78～187.23 114.74 夏 99.06～120.60 108.80 100.20～129.5 111.37 21.30～120.66 95.72 97.75～120.54 112.29 Pb 春 34.09～151.5 76.34 18.31～134.2 69.32 56.31～96.45 76.35 28.56～141.67 71.58 夏 4.34～25.78 14.67 10.88～25.13 17.98 9.98～118.76 30.21 15.11～23.55 19.36 Cd 春 1.66～6.27 3.92 2.61～5.87 4.38 2.87～5.79 4.39 2.77～6.06 4.19 夏 2.58～9.48 4.23 2.00～5.76 3.71 2.21～6.12 3.96 2.70～4.16 3.51

表4(Table.4)

表4 上覆水、间隙水、地下水中重金属相关矩阵 Table.4 Correlation matrix of the heavy metals from the interstitial water，groundwater and overlying water

表4 上覆水、间隙水、地下水中重金属相关矩阵 Table.4 Correlation matrix of the heavy metals from the interstitial water，groundwater and overlying water   上覆水Cu 间隙水Cu 地下水Cu 上覆水Zn 间隙水Zn 地下水Zn 上覆水Pb 间隙水Pb 地下水Pb 上覆水Cd 间隙水Cd 地下水Cd 上覆水 1     1     1     1     间隙水 0.871* 1   0.961* 1   0.916* 1   0.762* 1   地下水 0.985* 0.884* 1 0.927* 0.993** 1 0.992** 0.959* 1 0.973* 0.592* 1

渭河陕西段潜流带沉积物重金属质量分数春夏季节变化较大(见表 3；图 3).从沉积物分层实验结果看测试断面w_Cu在同一深度范围内其均值夏季均小于春季；从整体来看眉县、草滩、临潼、华县春季的w_Cu值均大于夏季，其中华县春夏差异最大，春季是夏季含量的4倍多.w_Zn分层结果看测试断面除华县-20～-30 cm，-30～-40 cm两层其平行层均值夏季大于春季外，其余各层值夏季均小于春季；从整体来看除华县外其余各研究断面夏季值都小于春季值，其中眉县差别最大，最大值是最小值的7倍多.从分层结果看眉县、临潼和华县三研究点w_Pb值相同深度春季大于夏季；从季节上看除草滩w_Pb夏季明显高于春季，其余均夏季小于春季.除华县0～-10 cm的w_Cd值春季小于夏季，其余分层结果均春季大于夏季；与w_Pb值变化相同除草滩外，其余3个研究断面w_Cd值春季均大于夏季.为进一步探究影响春夏二季沉积物中重金属含量变化的原因，对5个研究点中河水、潜流带沉积物间隙水和浅层地下水中重金属浓度的关系进行分析(见表 4)，结果发现上覆水、间隙水和地下水中单一重金属浓度呈显著正相关，说明其具有同源性并相互迁移转化，重金属在沉积物水-固两相中的分配特征取决于沉淀剂和络合剂对重金属离子的争夺，水中有机络合剂对沉积物重金属具有剥夺稀释作用，它可增加空隙水、河水、浅层地下水溶解态重金属；而沉淀剂会使水中部分溶解态重金属以固相形态转移到沉积物中(樊庆云，2007;秦延文，2012)，潜流带沉积物重金属含量不仅与自身理化性质相关而且与上覆水、间隙水、地下水理化性质紧密相关.上覆水春夏二季各重金属浓度存在明显差异，春季明显高于夏季且上覆水与间隙水重金属存在着显著正相关，而各研究点沉积物的颗粒级配曲线并没有明显差异，因此推断上覆水重金属浓度差异是造成春夏二季沉积物重金属含量变化的重要因素.而华县研究点选择在赤水河与渭河的汇合点下游约50 m，赤水河为华县的主要排污河流，河水Zn、Cd离子浓度春夏变化不大可能是导致华县潜流带沉积物w_Zn、w_Cd重金属春夏季节变化较小的主要原因.

图 3(Fig. 3)

图 3 渭河陕西段春夏二季潜流带沉积物重金属含量对比 Fig. 3 Comparison of heavy metal concentrations for the hyporheic sediments tested in the spring and summer

河流沉积物中重金属质量分数与当地土壤的重金属元素背景值有很大关系(路永正和阎百兴，2010)，且渭河各研究断面沉积物背景重金属质量分数与陕西省土壤重金属背景值差异较小(见表 5)，因此以陕西省土壤重金属背景值作为参考值.由表 5与表 3、图 3对比可知，渭河陕西段春季w_Cu、w_Zn、w_Pb和w_Cd与背景值相比，均高于其背景值；而夏季除Cd外，其余Cu、Zn、Pb重金属质量分数或小于背景值或只是在某一层中高于背景值.富集系数法(Enrichment Factor，EF指数)，因其同时考虑人为与自然因素而成为沉积物重金属来源分析的主要方法之一，研究表明EF指数＜1.5时，说明重金属含量主要来源于地壳和岩石圈的自然风化过程；EF指数＞1.5时，重金属含量受人为源影响较大(李珊珊等，2013;王岚等，2012).研究发现春季渭河陕西段不同研究断面河床沉积物在不同深度：Cu均有富集，且EF指数明显＞1.5，特别是华县EF值更是＞3.9，说明人为输入源是造成渭河Cu污染的主要原因；Zn元素除华县外，眉县、咸阳、临潼EF指数均＞1.5，富集严重，尤其眉县更是＞4，因此除华县Zn含量受人为因素影响较小外，其余各研究点人为输入源为其主要污染源；Pb除眉县外，其余各研究点EF值均＞2，华县EF值更是＞3，污染主要源于人类活动排放；重金属Cd在渭河陕西段富集严重，其EF值最小值为41.7，最大值为102.4，其受人为输入源的影响最大.夏季渭河陕西段各研究断面Cd的EF值明显＞1.5，Cu、Zn、Pb的EF值均＜1.5，说明夏季Cd主要来源于人为污染源，而其他3种重金属来源于地壳和岩石圈的自然风化过程.非常规水源是河流重金属污染物的主要输入源之一(李珊珊等，2013)，李家科在对渭河陕西段点源与非点源污染的负荷与比重研究中发现，点源污染是渭河陕西段的水质影响的主要因素，非点源污染只占20%～30%(李家科等，2011).王东琦研究发现造成渭河西安段铝污染主要来源于工业企业废水系统排放量(王东琦等，2009).进一步调查发现，渭河沿岸各城市生活与生产污水 排放量受季节变化较小.然而渭河陕西段春夏沉积物EF指数变化较大，根据渭河陕西段气象水文资料与野外试验推断：冬春季节，渭河处于枯水期，水量较小，重金属离子浓度较高，河床沉积环境稳定，易于重金属累积，所以EF指数较高；夏季渭河流域暴雨频繁，水量、流速变化较大，河水重金属浓度较低，同时河床沉积理化环境易发生变化，易于沉积物重金属释放，而不利于累积，导致EF指数较低.

表5(Table.5)

表5 土壤、沉积物重金属元素背景值 Table.5 Background values of heavy metal elements in soil and sediments

表5 土壤、沉积物重金属元素背景值 Table.5 Background values of heavy metal elements in soil and sediments mg · kg-1 类别 wCu wZn wPb wCd 陕西背景值 21.4 69.4 21.4 0.094 渭河宝鸡段 22.6 74.2 26.0 0.097 渭河咸阳段 24.0 64.4 16.9 / 渭河西安段 20.1 66.1 20.9 / 渭河渭南段 / / / /

张远等(2013)研究发现滇池沉积物重金属质量分数高值基本出现在粒径较小的粉砂中，其w_Cu、w_Zn、w_Pb和w_Cd具有相同的粒径效应，同时在对不同粒径沉积物的百分比含量与这4种重金属质量分数进行相关性分析时发现粉砂和他们的相关系数＞0.9(p＜0.01)，重金属粒径效应显著.而本研究通过Pearson相关分析，得出渭河粉砂粒径百分比与沉积物重金属质量分数之间的相关系数，其中w_Cu、w_Pb与沉积物粉砂百分比呈负相关，相关系数为-0.154(p＜0.05)、-0.202(p＜0.01)，w_Zn、w_Cd与其呈正相关，相关系数0.177(p＜0.01)、0.144(p＜0.05).二者之间呈弱相关性，重金属粒径效应不显著，粒径不是控制渭河重金属含量的主要环境因子，这与王鸣宇等(2011)对湘江表层沉积物重金属与粒径的关系的研究结果相似.出现这一结果可能是由于河流与湖泊沉积物颗粒组成、沉积环境等不同所致.

潜流带是河水和浅层地下水混合的河床多孔渗透区和河岸(Packman et al., 2001;金光球和李凌，2008)，伴随着潜流交换，溶质、颗粒、胶体在河水与沉积物中迁移与转化，对河流水化学环境有着重要影响.与河道底沉积物发生的垂向潜流交换是潜流交换的主要方式之一(金光球和李凌，2008)，而沉积物垂向渗透系数K_v作为度量潜流交换能力的重要参数，宋进喜等(2009)在研究河床沉积物渗透系数深度变化特征中明确指出河床沉积物K_v值有助于了解地下水和河流之间水量交换以及水质运移程度.研究表明渭河陕西段各研究断面均存在不同程度的渗透性能(见表 1).为进一步验证垂向渗透系数对沉积物中重金属含量的垂向变化的影响，利用SPSS软件中进行Pearson相关性分析，对春夏二季不同研究断面，所有测试试管中不同深度沉积物重金属含量进行分析，得到Cu、Zn、Pb、Cd各重金属质量分数不同深度的相关矩阵(见表 6).从矩阵中可以看出沉积物Cu、Zn、Pb、Cd含量在垂向具有显著正相关性(p<0.01)，这一方面说明各层重金属具有同源性，另一方面也验证了沉积物各层之间存在着重金属的相互迁移与转化，而这种迁移与转化是通过潜流交换实现的.

表6(Table.6)

表6 潜流带不同深度沉积物重金属质量分数相关矩阵 Table.6 Correlation matrix for the mass fraction values of heavy metals with different depths of hyporheic sediments

表6 潜流带不同深度沉积物重金属质量分数相关矩阵 Table.6 Correlation matrix for the mass fraction values of heavy metals with different depths of hyporheic sediments 注:* * p＜0.01(双侧检验)

图 4(Fig. 4)

图 4 渭河潜流带沉积物重金属EF值春夏变化 Fig. 4 Variation of the mass fraction values for the tested heavy metals in the spring and summer

为探究渭河沉积物中Cu、Zn、Pb、Cd含量及有机质(OM)、总磷(TP)、总氮(TN)之间的关系，利用Pearson相关性分析计算各指标间的相关系数，结果见表 7所示.由表 7可知，Cu与Zn、Pb在p＜0.01水平上呈正相关，但相关系数较小；Cd与Zn、Pb在p＜0.01时呈正相关，相关系数更小.OM与Zn、Cd在p＜0.01时呈正相关，相关系数为0.482、0.256，而TP、TN与4种重金属的相关性未通过检验，说明其无相关性.

表7(Table.7)

表7 重金属含量与OM、TP、TN的相关性矩阵 Table.7 Correlation matrix for the tested values of heavy metals with OM，TP and TN

表7 重金属含量与OM、TP、TN的相关性矩阵 Table.7 Correlation matrix for the tested values of heavy metals with OM，TP and TN   Cu Zn Pb Cd OM TP TN 注: * p＜0.05, * * p＜0.01(双侧检验). Cu 1             Zn 0.231** 1           Pb 0.362** 0.071 1         Cd 0.096 0.224** 0.216** 1       OM -0.038 0.482** -0.05 0.256** 1     TP -0.161 -0.027 0.101 0.083 0.143 1   TN 0.130 -0.059 0.135 0.083 -0.102 -0.054 1

渭河潜流带沉积物粒径组成主要以沙为主，其次是粉砂和粘土，砾石所占比例最小(见表 2).沉积物存在明显分层且各研究点沉积物粒径曲线存在明显变化(见图 2)，粒径与重金属相关分析检验说明粒径不是控制潜流带沉积物重金属含量的主要控制因素.不同深度沉积物的粒径表明其各层沉积环境存在较大差异，其当时沉积环境可能是造成沉积物重金属含量差异的重要因子.粒径结果显示春夏各研究点(除华县)沉积物并没有明显变化，而重金属含量却差异明显(见表 3)，潜流交换使上覆水、间隙水、浅层地下水存在紧密水力联系(见表 1)，单一重金属相关性分析显示其存在显著正相关(见表 6)，春夏渭河水相重金属浓度的巨大差异，可能是造成沉积物重金属季节变化的主要原因，同时沉积物不同深度单一重金属之间存在显著相关性(见表 6)，表明其存在源与汇的关系，而垂向渗透系数结果表明其均存在不同程度的水量交换(见表 1)，所以潜流带水量交换可能是造成渭河不同深度重金属含量显著相关的重要原因.

1)渭河陕西段河床沉积物渗透系数春夏二季不同研究断面均有变化，影响其变化的主要因子是沉积物颗粒粒径，同时沉积物垂向分层的不同也是影响因素之一.

2)渭河沉积物重金属Cu、Zn、Pb、Cd在垂向上均呈现出不同深度其重金属含量大小不同的趋势，除华县Zn、Cd外，春夏二季沉积物重金属变化明显.EF分析结果显示春季Cu、Zn(除华县)、Pb(除眉县)、Cd富集严重且主要受人为输入源影响，夏季除Cd元素外，Cu、Zn、Pb的EF值均＜1.5，说明其含量主要来源于地壳和岩石圈的自然风化过程.

3)Pearson相关分析发现粘土与粉砂(粒径＜0.075 mm)百分比与沉积物重金属质量分数呈弱相关，重金属粒径效应不显著，粒径不是控制重金属含量的主要环境因子；对单一重金属垂向不同深度含量进行相关性研究发现除Cd外，其余3种重金属在垂向上的相关系数均＞0.5(p＜0.01)，说明单一重金属在垂向上具有同源性且存在相互迁移与转化.对沉积物中Cu、Zn、Pb、Cd含量及有机质(OM)、总磷(TP)、总氮(TN)之间相关分析发现：Cu与Zn、Pb在p＜0.01水平上呈正相关，但相关系数较小；Cd与Zn、Pb在p＜0.01时呈正相关，相关系数更小.OM与Zn、Cd在p＜0.01时呈正相关，相关系数为0.482、0.256，而TP、TN与4种重金属的相关性未通过检验，说明其无相关性.

致谢： 西北大学城市与环境学院张波、龙永清、王子侨博士及龙冬平硕士在实验测试与论文撰写过程中提出宝贵意见！在此衷心感谢！