陳月芳 士青允 曲盡妍 侯榮榮 許錦榮 劉 錚

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京市工業(yè)污染物資源化處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬污染已成為全球性環(huán)境問題。許多重金屬在土壤以及工業(yè)廢水中微量存在[1-3]，重金屬易富集、難降解、來源廣，污染具有不可逆性[4-5]，水體中重金屬會(huì)通過生物鏈的富集作用，對(duì)人體健康造成威脅。陸海等[6]的調(diào)查顯示，我國(guó)江河湖底泥的污染率高達(dá)80.1%。何佳等[7]的研究表明，在我國(guó)八大流域中Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Hg、Cr在水體中的超標(biāo)率均較高。因此，對(duì)水體水質(zhì)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)其中的重金屬來源進(jìn)行解析，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

丹金溧漕河是太湖西部地區(qū)主要水運(yùn)干線，北起丹陽連接大運(yùn)河和長(zhǎng)江，南至溧陽與安徽連通，全長(zhǎng)約66.9 km。具有洪水調(diào)蓄、航運(yùn)、納污等功能，促進(jìn)了城市城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展。目前，對(duì)于丹金溧漕河的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要通過水體的常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)如BOD5、氨氮、TP等對(duì)水樣進(jìn)行評(píng)估，但對(duì)于丹金溧漕河重金屬污染來源的研究鮮有報(bào)道，故本研究以丹金溧漕河為研究對(duì)象，設(shè)置采樣點(diǎn)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)運(yùn)用主成分分析、正定矩陣因子分解模型(PMF)對(duì)水體中Hg、Pb、Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr的可能來源進(jìn)行解析，為丹金溧漕河重金屬污染防治提供依據(jù)。

1 采樣點(diǎn)布設(shè)與樣品采集

根據(jù)丹金溧漕河的河流分布與地理環(huán)境，設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，分別記為S1、S2、S3，其中S1位于上游，S3位于下游，采樣點(diǎn)分布見圖1。S1附近工廠以電子廠為主，S2附近以煤炭廠為主，S3附近以印染紡織廠為主。水樣采集時(shí)間為2017年1月至2018年12月，每月采集一次，采集水面以下30～50 cm的水樣，共72個(gè)水樣，4 ℃冷藏保存，測(cè)定前需用硝酸在微波消解儀(Mars 6)中消解(硝酸與水樣體積比為1∶5)；將經(jīng)過消解的水樣用0.45 μm微孔濾膜過濾待測(cè)。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling points distribution

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)法

采用單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)對(duì)重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[8]，根據(jù)綜合污染指數(shù)將重金屬污染分為6個(gè)等級(jí)，見表1。單因子污染指數(shù)<1.000為無污染。

表1 綜合污染指數(shù)污染程度分級(jí)Table 1 Pollution degree classification of comprehensive pollution index

2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法能同時(shí)體現(xiàn)單個(gè)重金屬的污染程度和多種重金屬對(duì)水環(huán)境的影響[9]。內(nèi)梅羅污染指數(shù)分為5個(gè)等級(jí)，見表2。

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)污染程度分級(jí)Table 2 Pollution degree classification of Nemero pollution index

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬分布特征

S1、S2采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，S3采用GB 3838—2002 Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表3可知，各采樣點(diǎn)重金屬含量較低，S1、S2低于GB 3838—2002 Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，S3低于GB 3838—2002 Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值；該流域地表水中各種重金屬平均質(zhì)量濃度表現(xiàn)為Cu>Zn>As>Cr>Se>Pb>Cd>Hg；丹金溧漕河Pb、Zn、As濃度與太湖流域[10]、九龍江流域[11]相比較低；Cu、Cd濃度與太浦河[12]、洞庭湖[13]相比較高。

表3 丹金溧漕河采樣點(diǎn)的重金屬質(zhì)量濃度1) Table 3 Heavy mental mass concentration at sampling points in the Danjinlicao River μg/L

3.2 重金屬污染評(píng)估

由表4可知，所監(jiān)測(cè)的重金屬在各時(shí)期的單因子污染指數(shù)均小于1.000，各采樣點(diǎn)的各時(shí)期均處于無污染狀態(tài)，重金屬污染情況表現(xiàn)為Se>Cd>Hg>As>Cr>Pb>Zn>Cu；Pb、Cd在不同采樣點(diǎn)的單因子污染指數(shù)波動(dòng)較大，在S1、S2較高，S3相對(duì)較低。除Pb、Cd外，其他重金屬單因子污染指數(shù)波動(dòng)幅度較小。各采樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)均小于0.200，整體水質(zhì)良好。各采樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)都小于1.000，呈無污染狀態(tài)，但S2相對(duì)較高，S1、S3較低。

表4 丹金溧漕采樣點(diǎn)重金屬污染指數(shù)Table 4 Pollution index of heavy metals at sampling points in the Danjinlicao River

3.3 相關(guān)性分析和來源分析

3.3.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

重金屬之間的相關(guān)性見表5。Hg與Cu、Cr呈顯著正相關(guān)；Pb與Zn、Cd呈顯著正相關(guān)；Cu與Hg、Cr呈顯著正相關(guān)；Zn與Pb、Se、Cd呈顯著正相關(guān)；Se與As、Zn呈顯著正相關(guān)。以上重金屬之間相關(guān)系數(shù)越大，同源性越高。

表5 重金屬間的相關(guān)性1)Table 5 Correlation of heavy metals in the Danjinlicao River

3.3.2 主成分分析

對(duì)重金屬進(jìn)行主成分分析，最終將8個(gè)變量提取出3個(gè)主成分，方差貢獻(xiàn)率分別為33.50%、32.50%、19.40%，累積貢獻(xiàn)率為85.40%，旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷系數(shù)見表6。結(jié)合該流域用地分布情況和相關(guān)性分析結(jié)果可推測(cè)重金屬的可能來源。

表6 旋轉(zhuǎn)后的主成分載荷系數(shù)Table 6 Principal component load factor after rotation

主成分1包括Pb、Zn、Cd、Se，Pb、Zn、Cd為高載荷，Se為中等載荷。由于Pb、Zn、Cd在S1的濃度相對(duì)較高，且S1附近有較多電子廠分布，其生產(chǎn)廢水中含有較多的Pb、Zn、Cd，故得出主成分1來源于電子行業(yè)；主成分2包括Hg、Cu、Cr，均為高荷載，由于Hg、Cu、Cr在S3的濃度較高，同時(shí)S3附近有較多印染紡織廠，該行業(yè)的特征污染物包括Hg、Cu、Cr[14]，故得出主成分2主要來源于印染紡織行業(yè)；主成分3包括As、Se，其中As為高荷載，Se為中等荷載，由于砷化物會(huì)通過采礦業(yè)、礦物加工業(yè)進(jìn)入水體中，引起水體污染[15-16]，故推測(cè)主成分2主要受煤炭行業(yè)的影響。

3.4 PMF分析

經(jīng)計(jì)算，最終確定因子個(gè)數(shù)為3個(gè)。因子1為電子行業(yè)，污染物主要為Pb、Zn、Cd、Cr、Se，因子1對(duì)Pb、Zn、Cd、Cr、Se的貢獻(xiàn)率分別為91.33%、76.16%、79.15%、23.76%、24.37%(見圖2)；因子2為煤炭行業(yè)，主要污染物為As、Se、Hg、Cu、Zn、Cr，因子2對(duì)以上重金屬的貢獻(xiàn)率分別為90.01%、52.35%、42.16%、25.45%、23.84%、23.40%；因子3為印染紡織行業(yè)，主要污染物為Cu、Cr、Hg、Se，因子3對(duì)以上重金屬的貢獻(xiàn)率分別為67.33%、52.84%、46.93%、23.28%。該結(jié)果與多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果出入較小，結(jié)果具有可信度。

圖2 丹金溧漕河污染源貢獻(xiàn)率Fig.2 Contribution rate of pollution sources in the Danjinlicao River

該河段Hg、Cu、Cr主要來源于印染紡織行業(yè)，As主要來源于煤炭行業(yè)，Pb、Zn、Cd主要來源于電子行業(yè)，Se同時(shí)受以上3種行業(yè)的影響，但主要受煤炭行業(yè)影響。以上工廠生產(chǎn)廢水排放到河流中會(huì)造成重金屬污染，為維持水體生態(tài)健康，應(yīng)對(duì)工業(yè)廢水排放進(jìn)行嚴(yán)格管理與監(jiān)督。

4 結(jié) 語

(1) 丹金溧漕河水質(zhì)整體較好，S1、S2低于GB 3838—2002 Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，S3低于GB 3838—2002 Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值；水體中重金屬污染情況表現(xiàn)為Se>Cd>Hg>As>Cr>Pb>Zn>Cu。

(2) 該流域重金屬來源復(fù)雜，其中Pb、Zn、Cd主要來源于電子行業(yè)，Hg、Cu、Cr主要來源于印染紡織行業(yè)，As、Se主要來源于煤炭行業(yè)。