楊碧瑩,楊金香,楊 陽,李小龍,胡友彪,劉 翔

(安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001)

水體中的重金屬污染物可對水生生物產生毒害作用,人類可通過飲水、食用水產品等方式攝入重金屬,并在人體內累積,對健康構成威脅[1-3]。近30年來隨著巢湖流域城市化進程加快及人口數(shù)量的增長,其工企業(yè)數(shù)、污水排放量、化肥施用量、重金屬等污染物排放量及水體富營養(yǎng)化情況均發(fā)生了不同改變,從而導致巢湖水環(huán)境受到一定影響,污染狀況逐漸加重[4-6]。針對巢湖水體重金屬污染,文獻[7]于1985年的春、夏和冬季進行采樣,研究結果表明巢湖水體中重金屬總量濃度含量甚微,與湖面降水中濃度相當;文獻[8]等對巢湖水體中Pb、Cu和Fe總量濃度進行分析,結果表明除少數(shù)采樣點的Pb和Cu達到地表水Ⅲ～Ⅴ類水質,其余采樣點水質均較理想;文獻[9]研究表明巢湖溶解態(tài)重金屬單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)均遠小于1,水質為清潔。

以上研究多以單次采樣和一年內的采樣時間為研究周期來分析巢湖水體重金屬污染的時空分布特征,而缺少對其進行連續(xù)多年采樣和分析評價的系統(tǒng)研究[10]。通過文獻收集1985～2017年巢湖水體中重金屬濃度數(shù)據(jù),對巢湖水體中重金屬總量與溶解態(tài)濃度連續(xù)多年的時空變化特征進行分析,并采用內梅羅指數(shù)法和污染指數(shù)法進行了重金屬污染評價,最后結合巢湖周邊多年的工農業(yè)發(fā)展及生活污水排放等因素對重金屬的主要來源進行了分析,以期為巢湖水體重金屬污染治理提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

巢湖(31°25′28″～31°43′28″N和117°16′54″～117°51′46″E)位于長江中下游地區(qū),是“三江三湖”重點污染治理地區(qū)之一。面積達770平方公里,平均水深2.7m。湖盆面積13 486平方公里,轄13個市縣,人口1 200多萬。是安徽省水稻、油料、水禽、魚類的主要產區(qū)之一。以“巢湖”、“水體”和“重金屬”等關鍵詞從CNKI及Web of Science等數(shù)據(jù)庫收集相關文獻14篇,水體重金屬數(shù)據(jù)為1985～2017年間。

2.2 數(shù)據(jù)說明

水體中的重金屬由于存在形態(tài)不同其濃度可分為總量、溶解態(tài)及懸浮顆粒態(tài)三種濃度,總量濃度可視為溶解態(tài)濃度與顆粒態(tài)濃度之和[11-12]。本次研究文獻按照總量與溶解態(tài)兩種濃度分別進行研究,文獻中所使用的重金屬檢測儀器主要為原子吸收光譜(AAS),電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)。每種儀器檢出限及精度不同,如ICP-MS的精度為μg·L-1,AAS及ICP-AES的精度為mg·L-1,因此檢測結果可能會存在一定差異。

3 結果與討論

3.1 重金屬污染的時間變化特征

重金屬濃度隨時間變化情況如圖1所示。由圖1可知重金屬總量與溶解態(tài)濃度范圍值差異較大。重金屬濃度變化的因素可能與周邊地區(qū)重金屬排放量情況、不同文獻中采樣點位置、季節(jié)、水中浮游生物的作用及沉積物再懸浮釋放等因素有關[13-14]。對于總量濃度[15-19],1985～2009年各重金屬濃度值在1985年普遍偏低,而在隨后幾年濃度值波動幅度則出現(xiàn)不同程度的變化(見圖1a)。不同重金屬濃度在水體中含量相差甚遠,總量濃度可達到溶解態(tài)濃度的幾倍，幾十倍甚至上百倍[20-21]。故出于風險的安全性考慮,本文僅將重金屬總量濃度與標準進行對比分析。Cu、Pb、Zn、Fe、Cd、Cr及Mn在已有年份的濃度均值分別為8.77μg·L-1、8.98μg·L-1、22.56μg·L-1、557.20μg·L-1、2.32μg·L-1、24.43μg·L-1及16.37μg·L-1.與《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)相比,除Fe超出限值,Cd和Cr符合Ⅱ類標準,其余重金屬元素均符合Ⅰ類標準。對于溶解態(tài)濃度[22-23]42,2009～2017年(見圖1b)各重金屬濃度均在2014年前后出現(xiàn)最大值,在2016年以后出現(xiàn)下降趨勢。Cu、Pb、Zn、Cd和Cr的總量濃度均值分別可達其溶解態(tài)濃度均值的3.68倍、4.68倍、1.37倍、5.27倍和19.39倍。

通常湖泊中的營養(yǎng)鹽和重金屬可發(fā)生離子交換、絡合、共沉淀等化學作用,這些化學反應由于會受到水體理化指標的影響,進而可影響重金屬在湖泊中的分布形態(tài)和濃度[24]。研究表明,1985年巢湖為貧營養(yǎng),1995～2001年巢湖全湖處于重度富營養(yǎng)化,2003年富營養(yǎng)化情況有所好轉但仍處于中度富營養(yǎng)化,2009年至2017年全湖富營養(yǎng)化程度已改善為輕度,但其水質一直處于Ⅳ～Ⅴ類,尤其西湖區(qū)水質一直呈Ⅴ類[25]。此外據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒表明,巢湖流域主要排污產地合肥市2000～2009年GDP、人口數(shù)量及企業(yè)數(shù)一直呈持續(xù)增長趨勢,農業(yè)化肥施用量基本維持在191 316噸左右。而在2016年以后合肥市的企業(yè)數(shù)及化肥施用量都呈下降趨勢,且總人口數(shù)變化趨勢較平穩(wěn),這可能與“十一五”規(guī)劃后巢湖流域周圍工業(yè)污染治理和污水處理設施的改進及其各入湖河流的大力管控有關,使其水中重金屬濃度有所降低。

(a) 重金屬總量 (b) 溶解態(tài)圖1 歷年濃度時間變化圖

3.2 重金屬污染的空間變化特征

所收集的文獻中，2009～2017年的文獻研究區(qū)域涉及到整個湖區(qū),并以姥山島為界將巢湖劃分為東西兩個湖區(qū),其中西湖區(qū)周邊主要以建設用地為主,東湖區(qū)周邊主要以耕地為主,所測重金屬為溶解態(tài)濃度。相比于東湖區(qū),西湖區(qū)污染較嚴重,這與《安徽省環(huán)境狀況公報》中有關巢湖各湖區(qū)歷年的水質狀況相符(見圖2)。此外研究表明水體中重金屬含量最高值一般出現(xiàn)在南淝河口并逐漸向湖心及東巢湖方向降低。為更好了解東西湖區(qū)重金屬污染情況,根據(jù)圖3對2009～2017年湖區(qū)重金屬元素空間分布特征進行分析。除2009年Hg,2014年Cu,2016年Cu、Hg、Pb和Zn在東湖區(qū)高于西湖區(qū)外,其余各重金屬濃度均呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢,且主要集中在西湖區(qū)的南淝河、派河及十五里河入湖口區(qū)域,這與合肥市經濟、工農業(yè)的發(fā)展密不可分。大量工業(yè)廢水,生活污水及各種商業(yè)活動排放的重金屬隨著西湖區(qū)的主要入湖河流進入巢湖水體,給西湖區(qū)的水體帶來了嚴重的負擔[26]。此外,據(jù)文獻[27]研究表明南淝河、派河及十五里河水體中的Ni和As濃度最高。以裕溪河、烔煬河等為主要入湖河流的東湖區(qū),水體中的污染物主要來自城鎮(zhèn)生活污水和農業(yè)排水,其重金屬污染物排放相對較少。且巢湖湖區(qū)水流主要以風生流為主其流速較小,西湖區(qū)在垂向上存在幾個區(qū)域性環(huán)流,不利于該區(qū)域與外界的水量和物質交換,這也是造成全湖區(qū)域差異性污染的重要原因。

圖2 巢湖各湖區(qū)歷年水質及污染程度情況

圖3 歷年不同重金屬在東西湖區(qū)的濃度對比圖

3.3 重金屬污染評價

1)內梅羅指數(shù)法。內梅羅指數(shù)法可用于多種污染源的水污染評價,可以很好考慮到各污染物平均污染水平和最大污染狀況[28-29]。1985～2007年巢湖水體重金屬內梅羅指數(shù)評價結果表明(見表1),東湖區(qū)總量濃度的Pi評價結果中,2004年的Hg及2005年的Fe污染水平為“重度污染”;2003年的Cd、Cr和Fe及2007年的Cr污染水平為“中度污染”,其余年份的各重金屬污染水平均為“輕度污染”。PN評價結果表明2004年及2005年水質污染水平為“中度污染”;1985年、2003年及2007年污染水平均為“輕度污染”。分析東湖區(qū)重金屬PN的時空變化特征,時間上,東湖區(qū)PN值為2005>2004>2003>2007>1985;空間上,東湖區(qū)水質整體較好,Fe和Hg是東湖區(qū)污染最嚴重的兩種重金屬元素。

2)污染指數(shù)法。污染指數(shù)法(Degree of contamination,Cd)用作估算金屬污染程度的參考[30-32]。當Cd的值小于1時,代表水質污染程度較低,當Cd的值為1～3時,代表水質污染程度為中度污染,當Cd的值大于3時,代表水質污染程度較高。

由表2東湖區(qū)水體中重金屬總量濃度的Cfi值與各年Cd值評價結果可知,除2005年Fe的Cfi值為正值外,其余年份重金屬的Cfi值均為負值,且所有年份的Cd值均小于1。分析東湖區(qū)重金屬Cd的時空變化特征,時間上,東湖區(qū)Cd值為2005>2007>2003>2004>1985;空間上,東湖區(qū)整體污染程度較低,水質較好。

表1 東湖區(qū)歷年重金屬總量濃度的Pi與PN值匯總表

表2 不同年份重金屬總量濃度的Cfi與Cd值匯總表

兩種評價方法從時空分布特征對比來看,時間上東湖區(qū)重金屬總量濃度的污染指數(shù)均在2005年達到最高,1985年最低。從本身差異對比來看,內梅羅指數(shù)法表明巢湖水體中主要的污染因子為Fe和Hg,需著重加強防控管理;污染指數(shù)法屬于重金屬綜合評價法,可更直觀有效的評價巢湖水質情況,此方法顯示巢湖水質污染水平為“輕度污染”。

3.4 水體中重金屬來源解析

根據(jù)文獻[22]81數(shù)據(jù)，巢湖水體采樣點的主成分分析結果如圖4所示,共提取出3個主成分,累計方差貢獻率為93.651%,說明污染物可能具有3種不同的來源，主成分1包括Cr、Cu、Ni和Zn,方差貢獻率為61.189%,表明其具有相似的來源,其中Cr主要來自電鍍行業(yè),Cu主要來自鋼鐵、機械制造等工業(yè)廢水,Ni主要來自冶金、鍛造等工業(yè)污染物,Zn主要來自工業(yè)燃煤[33]。工業(yè)污染源可導致巢湖水體受到重金屬的污染,合肥市主導產業(yè)包括汽車和零部件制造及裝備制造等易排放重金屬廢水的工業(yè)制造業(yè),據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒,合肥市工業(yè)廢水排放量2012年至2017年平均值可達5 627.08萬噸,肥東縣依然有直排現(xiàn)象[34]。主成分2包括Cd,方差貢獻率為21.660%,該成分主要來自農業(yè)生產帶來的農藥化肥污染, 2012年至2017年合肥市化肥施用量一直高達300萬噸左右, 肥東和肥西縣是巢湖流域農業(yè)面源污染排放的主要來源。 主成分3包括Hg, 方差貢獻率為10.802%, 該成分主要來自生活污水、 合肥及巢湖市的燃煤電廠及垃圾或生活物質的焚燒, 2012年至2017年安徽省城鎮(zhèn)生活污水排放量平均為19 5821.3萬噸,電力、熱力生產供應業(yè)從153家增至192家,燃氣供應業(yè)從39家增至62家,因此巢湖周邊的人類活動及燃燒源是Hg污染增加的重要來源。

圖4 主成分分析圖

4 結論

(1)重金屬總量濃度在1985年普遍較低,在2003～2009年其濃度值出現(xiàn)不同程度的升高,與地表水環(huán)境質量標準相比,除Fe超出限值,Cd和Cr屬于Ⅱ類標準外,Cu、Pb、Zn、和Mn均屬于Ⅰ類標準;溶解態(tài)濃度在2014年前后出現(xiàn)最大值,在2016年以后出現(xiàn)下降趨勢。不同重金屬總量濃度為溶解態(tài)濃度的幾倍到幾十倍。重金屬空間分布特征結果表明,西湖區(qū)污染情況普遍高于東湖區(qū)。

(2)內梅羅指數(shù)法結果表明,重金屬總量濃度在東湖區(qū)的主要污染因子為Fe和Hg,2005年的污染程度最高。污染指數(shù)法結果表明,歷年的Cd值均小于1,巢湖污染水平為“輕度污染”,水質較清潔。

(3)巢湖水體中重金屬來源可分為三類:Cr、Cu、Ni和Zn主要來自工業(yè)污染源;Cd主要來自農業(yè)生產源;Hg主要來自生活污水和燃煤焚燒的混合源。