烏梁素海水體重金屬元素統(tǒng)計分布特征研究

岳榮 張紅 史銳等

摘要[目的]研究烏梁素海水體中重金屬污染現(xiàn)狀。[方法]于2010年1月～2014年12月在烏梁素海湖區(qū)采集表層水樣，對湖水中重金屬及相關(guān)水質(zhì)因子含量進(jìn)行分析，然后利用非參數(shù)檢驗(yàn)、相關(guān)性分析及主成分分析，對水體中重金屬及相關(guān)水質(zhì)因子進(jìn)行相關(guān)分析及來源解析。[結(jié)果]參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)，烏梁素海水體中高錳酸鹽指數(shù)、Hg及Pb均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；不同的樣點(diǎn)水體中重金屬含量無顯著差異，不同時間段內(nèi)As、Hg、Pb、Zn和Cr含量存在顯著差異；河套灌區(qū)農(nóng)田面源污染、上游工業(yè)污水及烏梁素海周邊生活污水為影響烏梁素海水體中重金屬含量的3個主要因素。

關(guān)鍵詞湖泊水體；重金屬；分布特征；烏梁素海

中圖分類號S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）31-376-04

Research on Statistical Distribution Characteristics of Heavy Metals in Wuliangsuhai Lake

YUE Rong1， ZHANG Hong2， SHI Rui1* et al

（1. Institute of Environmental Science of Bayannur， Linhe， Inner Mongolia 015000； 2. College of Environmental Science and Resources， Shanxi University， Taiyuan， Shanxi 030006）

Abstract[Objective] The study aims to analyze water pollution of Wuliangsuhai Lake by heavy metals. [Method] After Surface water samples were collected from in Wuliangsuhai Lake from January 2010 to December 2014， the content of heavy metals in the lake water were analyzed， and the correlation of heavy metals was analyzed based on the principal component analysis. [Result] According to the Surface Water Environmental Quality Standards （GB38382002）， the potassium permanganate index， Hg and Pb content exceeded the nation standard. There were no significant differences in the content of heavy metals in different lake areas， while As， Hg， Pb， Zn and Cr content had significant differences in different periods. Nonpoint source pollution of Hetao irrigation farmland， industrial sewage and domestic pollution source are three main factors affecting the content of heavy metals in Wuliangsuhai Lake.

Key wordsLake water； Heavy metals； Distribution characteristics； Wuliangsuhai Lake

湖泊水體是人類賴以生存的重要自然資源，也是維系區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的重要組成部分，更是地球物質(zhì)生物化學(xué)循環(huán)的儲庫[1-2]。自工業(yè)文明興起的百年來，由于人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，如采礦、冶煉、化工、民用固體廢棄物不合理填埋和堆放以及大量化肥、農(nóng)藥的施用，導(dǎo)致進(jìn)入水體環(huán)境中的污染物種類和數(shù)量越來越多，給環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)健康造成了許多問題[3]。多年來，許多學(xué)者非常關(guān)注水體富營養(yǎng)化問題，因?yàn)槠浜暧^破壞性能引起人們的注意，而水體重金屬污染問題人們重視程度相對不夠。研究表明，水體中重金屬可以導(dǎo)致人群健康風(fēng)險[4-5]，如甲基汞是水俁病致病因，鎘是骨痛病致病因。重金屬污染物進(jìn)入水體后不易被微生物降解，難以治理，具有累積性效應(yīng)，并且絕大部分通過各種物理、化學(xué)、生物途徑迅速由水相轉(zhuǎn)入固相（懸浮物和沉積物），最終進(jìn)入沉積物中蓄積，又在有機(jī)質(zhì)的分解和生物活動等條件下被釋放出來，造二次污染[6-7]。此外，重金屬污染物進(jìn)入天然水體后，河流底泥沉積物將會對污染物中的重金屬離子進(jìn)行吸附富集[8-10]。研究證實(shí)水體中有些重金屬轉(zhuǎn)化的過程是可逆的，在各種水環(huán)境關(guān)鍵因子的作用下，顆粒態(tài)的重金屬又會向水體中解吸、釋放，從而污染水體[11]。烏梁素海是內(nèi)蒙古自治區(qū)的主要漁業(yè)基地，其湖水終將退水黃河，重金屬的理化性質(zhì)及生物毒性會影響湖區(qū)漁業(yè)與黃河水體安全，增加區(qū)域生態(tài)風(fēng)險[12]。因此，水體中重金屬含量常被用作判別水環(huán)境質(zhì)量的重要參考指標(biāo)[13]。目前，關(guān)于烏梁素海重金屬的研究主要集中在湖泊沉積物方面，對于表層水體中重金屬研究較為薄弱，且存在研究的水質(zhì)因子較少，主要針對某一重金屬因子開展環(huán)境行為研究，尤其缺少探討多種重金屬與其他相關(guān)水質(zhì)因子的關(guān)系等問題。此外，根據(jù)《水污染防治行動計劃》要求，內(nèi)蒙古自治區(qū)和巴彥淖爾市兩級政府決定啟動烏梁素海生態(tài)治理工程。因此，摸清烏梁素海水質(zhì)因子時間變化趨勢，探討重金屬污染物來源，對于實(shí)施烏梁素海生態(tài)治理工程意義十分重大。

筆者以烏梁素海為研究對象，研究了2010年1月～2014年12月湖區(qū)表層水體中As、Hg、Pb、Cu、Zn、Cr含量及高錳酸鹽指數(shù)、pH分布特征，分析了其與其他相關(guān)水質(zhì)因子的關(guān)系及可能的來源，目的在于通過對烏梁素海重金屬濃度的監(jiān)測及時間分布特征分析比較，掌握湖區(qū)水體中重金屬污染現(xiàn)狀，為烏梁素海水質(zhì)變化趨勢研究積累資料，并為“十三五”期間烏梁素海生態(tài)治理和水質(zhì)管理提供可參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)、呼和浩特、包頭、鄂爾多斯三角地帶的邊緣（圖1），距烏前旗政府所在地西山嘴鎮(zhèn)13 km，距110國道22 km，是黃河改道形成的河跡湖，我國八大淡水湖之一，是全球荒漠半荒漠地區(qū)極為少見的大型草原湖泊，也是地球同一緯度最大的濕地，現(xiàn)有水域面積293 km2，其中蘆葦區(qū)面積為11897 km2，明水區(qū)面積為111.13 km2。烏梁素海是內(nèi)蒙古自治區(qū)的主要漁業(yè)基地，每年產(chǎn)魚量約700多萬t[14]，其湖水終將退水黃河，因此也是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)排灌水系統(tǒng)的重要組成部分，河套灌區(qū)多年來的農(nóng)田退水、上游工業(yè)污水不斷攜帶污染物入湖，加速了烏梁素海的水質(zhì)惡化[15]。

2.2水體中重金屬因子時間分布特征

2.2.1年際變化。

由圖3可知，2010～2014年烏梁素海水體中各重金屬的含量基本上都有各自的規(guī)律。Zn、Pb和Cd元素在采樣時間段內(nèi)含量差別不大，Hg、Cu 3個樣點(diǎn)均在2011年出現(xiàn)峰值，其中As元素在2010年出現(xiàn)峰值，2011年湖心區(qū)樣點(diǎn)中Hg的含量達(dá)0.26 μg/L，較低的入口區(qū)樣點(diǎn)中Hg含量也達(dá)0.13 μg/L，全部超過Ⅲ類地表水體標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門烏梁素海入口歷史水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)顯示，2011年黃河來水中Cu含量出現(xiàn)峰值8.3 μg/L，其余年份為1.5～46 μg/L，由此判斷，2011年Cu含量異常升高在很大程度上受到來水影響；其次，2010～2014年上游來水中Hg含量為0.04～0.10 μg/L，As含量為2.50～4.18 μg/L，年均含量差別不大，烏梁素海內(nèi)部水體-沉積物循環(huán)狀況的變化、小尺度區(qū)域內(nèi)污染物排放量及庫容水量都有可能是導(dǎo)致2011年度Hg含量異常升高的原因?？傮w來看，各重金屬元素在出現(xiàn)峰值后含量下降趨勢不明顯，甚至有含量升高現(xiàn)象。

2.2.2非參數(shù)檢驗(yàn)。非參數(shù)檢驗(yàn)是對不滿足方差分析條件樣本的一種可調(diào)整的方法，因?yàn)榉菂?shù)檢驗(yàn)不要求樣本的分布是正態(tài)的和方差齊性的，它是通過對數(shù)據(jù)從小到大的排序，并由數(shù)據(jù)的秩代替原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。該研究中分析測試的數(shù)據(jù)分布不屬于正態(tài)分布，因此采用多個獨(dú)立樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)對樣本進(jìn)行分析，檢驗(yàn)方法為KruskalWallis H 法。由表2可知，當(dāng)分組變量為樣點(diǎn)時，檢驗(yàn)結(jié)果中未得到的顯著性概率 P<0.05的水質(zhì)因子，在一定程度上說明不同的采樣位置水質(zhì)因子含量無顯著差異；當(dāng)分組變量為采樣時間時，顯著性概率 P< 0.05的水質(zhì)因子有As、Hg、Pb、Zn和Cr，說明不同時間段內(nèi)這些水質(zhì)因子的含量差異顯著。

2.2.3不同水期重金屬分布。

從不同水期烏梁素海水體中重金屬分布來看（圖4），Hg和Pb呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，即平水期>枯水期>豐水期，As呈現(xiàn)豐水期>枯水期>平水期，Cu與Zn呈現(xiàn)平水期>豐水期>枯水期，Cr呈現(xiàn)平水期>豐水期>枯水期，這些規(guī)律除與湖區(qū)水量、區(qū)域污染源有關(guān)外，還與重金屬本身的理化性質(zhì)與外部環(huán)境有關(guān)。pH是影響水體水質(zhì)因子至關(guān)重要的因子[19]，烏梁素海整體呈現(xiàn)堿性環(huán)境，在這種環(huán)境中，Cr、Zn的活性較大，而As和Cu則轉(zhuǎn)入穩(wěn)定態(tài)在底泥中富集；其次，烏梁素海N、P元素富集較為嚴(yán)重，水體中COD濃度相對較高[20]，當(dāng)湖體中N、P富集會引起水體中微生物和浮游植物的大量繁殖，造成水體富營養(yǎng)化，進(jìn)而造成水體中溶解性有機(jī)質(zhì)增多，而溶解性有機(jī)質(zhì)可以作為重金屬遷移轉(zhuǎn)化的的一個媒介，控制著重金屬的遷移和溶解性[21]，使得重金屬由水體向底泥的遷移轉(zhuǎn)化效果增加，表現(xiàn)為水體中重金屬含量降低，同時，COD會通過影響重金屬離子的價態(tài)，從而影響重金屬的行為，使得重金屬在水相與沉積相之間得到重新分配。當(dāng)水體中 COD濃度增加時，沉積物及周圍環(huán)境的氧化還原電位升高，水體的金屬離子和有機(jī)物之間的離子交換、吸附、螯合及氧化還原等一系列反應(yīng)也相應(yīng)改變[22]；再次，烏梁素海地處北方干旱區(qū)，一年內(nèi)溫差較大，藻類的生長、有機(jī)物的合成均受到明顯影響，這些因素均可能導(dǎo)致重金屬元素濃度時間分布特征的改變。

2.3烏梁素海水體中重金屬可能的來源

對烏梁素海水體中重金屬元素進(jìn)行主成分分析，用較少的綜合指標(biāo)綜合存在于各變量中的信息。由表3可知，前4個主成分對大多數(shù)變量的信息給出了較充分的概括，可以解釋總方差變異的67532%。從各因子與原始變量的關(guān)系來看，第1個因子（Factor 1）基本反映了高錳酸鹽指數(shù)、As，其負(fù)荷分別為0731、0819，其他變量的信息在第1個因子上所占的負(fù)荷很少；第2個因子（Factor 2）基本反映了Pb和Cr的信息，因子負(fù)荷分別為0.676、0.778，其他變量的信息在第2個因子上也表現(xiàn)出較小的負(fù)荷；第3個因子（Factor 3）基本反映pH特征，其負(fù)荷分別為0.727；第4個因子（Factor 4）無明顯得分較高水質(zhì)因子（表4）。這說明上述因子之間是密切相關(guān)的，pH對上述因子的影響較大。剩余重金屬因子所反映的信息在前4個因子中沒有提取出來。采用前兩個主成分為坐標(biāo)軸作圖（圖5），可以更好地反映各個變量在前兩個主成分軸上的分布情況，圖中各點(diǎn)在X軸和Y軸上的投影分別代表各個變量在Factor 1和Factor 2的貢獻(xiàn)率。由圖5可知，Cu、pH相對位于原點(diǎn)附近，表明其在這兩個軸上的投影都較小，這些變量所解釋的方差也較小。同時，各水質(zhì)因子對X軸和Y軸的貢獻(xiàn)率均不同，如Cr和Pb對Y軸的貢獻(xiàn)率較高，As、高錳酸鹽指數(shù)在X軸方向有較高的貢獻(xiàn)率。這可以推斷出，相同樣點(diǎn)中不同水質(zhì)因子受到的影響差異也比較明顯，距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)的因子受到的影響較大，距離遠(yuǎn)點(diǎn)較近的因子受到的影響較小。從目前關(guān)于水體中重金屬輸入的研究結(jié)論來看，非點(diǎn)源的重金屬輸入主要由人為活動如農(nóng)田耕作、畜牧養(yǎng)殖等引起，且輸入貢獻(xiàn)較大。烏梁素海濕地處于河套灌區(qū)排灌系統(tǒng)末端，屬于典型灌區(qū)湖泊，接受來自于流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染，研究表明制造化肥使用的工業(yè)硫酸、磷礦石及各類有機(jī)質(zhì)中含有Cd、Pb、Hg等重金屬元素，化肥流失所攜帶的重金屬流入湖泊，致使水體中重金屬含量增加。此外，流域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，工業(yè)廢水排入也會造成烏梁素海水環(huán)境重金屬的富集與污染。F1矩陣中包含的高錳酸鹽指數(shù)與As表明工業(yè)廢水對于烏梁素海水體有明顯影響；F2矩陣中包含部分重金屬與F1矩陣中確定的主成分有關(guān)，表明該重金屬有部分源自F1矩陣所確定的污染源。在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，出口區(qū)周圍5 km范圍內(nèi)有分散分布的居民區(qū)與養(yǎng)殖戶，說明生活污水與養(yǎng)殖廢水有可能是除灌區(qū)農(nóng)田退水及工業(yè)源之外的重要污染源。

3結(jié)論

（1）參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)，烏梁素海水體中各樣點(diǎn)在采樣時間段內(nèi)Hg及Pb均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

（2）非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明，不同的湖體分區(qū)重金屬含量無顯著差異，不同時間段內(nèi)As、Hg、Pb、Zn和Cr的含量存在顯著差異。

（3）主成分分析顯示，河套灌區(qū)農(nóng)田面源污染、上游工業(yè)污水及周邊生活污水為影響烏梁素海水體中重金屬含量的3個主要因素。

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