渭河陜西段水體重金屬污染現(xiàn)狀及其來(lái)源探析

田渭花，王蕾，關(guān)建玲，王舒婷，張宇

陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西 西安 710054

渭河陜西段水體重金屬污染現(xiàn)狀及其來(lái)源探析

田渭花，王蕾*，關(guān)建玲，王舒婷，張宇

陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，陜西 西安 710054

基于重金屬及常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)渭河陜西段水體重金屬的污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用主成分分析等對(duì)重金屬(Hg、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Ca和Zn)與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)(NH3-N濃度、COD、EC、DO濃度和pH)的相關(guān)性及其來(lái)源進(jìn)行研究。結(jié)果表明：渭河陜西段水體中As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn濃度均在GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，Ni濃度低于《集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目》標(biāo)準(zhǔn)限值；渭河陜西段水體存在Hg污染。重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)有不同程度的相關(guān)性，其中As、Cr、Ni與NH3-N呈顯著正相關(guān)；As、Pb、Cd與EC呈極顯著正相關(guān)；As與DO呈極顯著負(fù)相關(guān)。主成分分析表明，第一主成分主要包括As、Pb、Cr、Ni、Cu，與NH3-N同源，主要與工業(yè)、生活等人為活動(dòng)污染有關(guān)；第二主成分主要包括Cd和Zn，主要為地球化學(xué)來(lái)源。

渭河陜西段；重金屬；常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)；相關(guān)性；來(lái)源

渭河是陜西的“母親河”，也是黃河的最大支流，在陜西境內(nèi)主要流經(jīng)寶雞市、楊凌區(qū)、咸陽(yáng)市、西安市、渭南市5個(gè)市(區(qū))，是該地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的重要來(lái)源[1]，渭河水質(zhì)的好壞直接影響到沿岸人民的生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。重金屬是流域中重要的污染物[2-4]，人類直接飲用被重金屬污染的水或間接食用被污染的水產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品，都會(huì)對(duì)其身體健康造成重大傷害[5]。張輝[6]的研究表明，污染水體的重金屬主要有Hg、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn等，其中，以As和Hg的毒性最大，Cd次之，Cr、Zn、Cu有一定的毒性。近年來(lái)，對(duì)渭河流域中常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(CODCr)等的研究較多[7-9]，對(duì)重金屬污染的報(bào)道也逐漸增多[10-11]；但對(duì)水體中重金屬和常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)〔如NH3-N、CODCr、電導(dǎo)率(EC)、溶解氧(DO)、pH〕的相關(guān)性研究鮮有報(bào)道。筆者針對(duì)渭河陜西段水體中的Hg、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn等8種重金屬進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其污染現(xiàn)狀，并對(duì)重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析及主成分分析，以期為渭河流域重金屬的污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為環(huán)境管理提供服務(wù)。

1 材料與方法

1.1樣品采集與制備

研究包括渭河干流及主要入渭支流共19個(gè)斷面(圖1)。干流斷面包括林家村、臥龍寺橋、虢鎮(zhèn)橋、常興橋、興平、咸陽(yáng)鐵橋、天江人渡、耿鎮(zhèn)橋、新豐鎮(zhèn)大橋、潼關(guān)吊橋10個(gè)；支流斷面包括清姜河入渭、金陵河入渭、黑河入渭、澇河入渭、新河入渭、灃河入渭、皂河入渭、灞河入渭、臨河入渭9個(gè)。水樣采集時(shí)間為2015年8—9月，樣品采集后，按500mL水樣加5mL鹽酸固定，用于Hg、As濃度測(cè)定；500mL水樣加5mL硝酸固定，用于Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn濃度測(cè)定；水樣加濃硫酸固定，使pH≤2，用于NH3-N濃度和CODCr測(cè)定；處理后水樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室2～4℃保存?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定EC、DO濃度和pH。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面示意Fig.1 Location of sampling sites

1.2樣品測(cè)定與分析

重金屬和常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的測(cè)定均采用國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行：Hg、As濃度依據(jù)HJ694—2014《汞、砷、硒、鉍和銻的測(cè)定 原子熒光法》，使用AFS-830原子熒光光度計(jì)(北京吉天儀器公司)測(cè)定；Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn濃度依據(jù)HJ700—2014《水質(zhì)65種元素的測(cè)定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》，使用XSeries2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(賽默飛世爾科技公司)測(cè)定；NH3-N濃度依據(jù)HJ535—2009《納氏試劑分光光度法》測(cè)定；CODCr依據(jù)GB/T11914—1989《重鉻酸鹽法》測(cè)定；EC、DO濃度、pH采用Sension156多參數(shù)測(cè)定儀(美國(guó)哈希公司)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。試驗(yàn)所用儀器均在計(jì)量檢定有效期內(nèi)；所用試劑均為優(yōu)級(jí)純或分析純；試驗(yàn)用水均為超純水；塑料、玻璃器皿均在硝酸溶液中浸泡24h以上，并用超純水沖洗干凈后使用。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和精密度，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，并設(shè)空白樣和平行樣，所有測(cè)定元素的相對(duì)誤差(RE)均小于±20%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均低于10%。

1.3數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與處理

參照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]中各污染物分類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值及河流斷面各污染物的監(jiān)測(cè)濃度進(jìn)行污染程度評(píng)價(jià)；運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析及主成分分析，研究渭河陜西段水體中重金屬及常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性，并識(shí)別其污染來(lái)源[13-14]。

2 結(jié)果與討論

2.1測(cè)定結(jié)果

渭河陜西段水體中8種重金屬的測(cè)定結(jié)果如表1所示。由表1可知，渭河陜西段水體中As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn濃度在GB3838—2002Ⅰ～Ⅱ類濃度限值內(nèi)，其中As、Pb、Cr、Cu、Zn檢出率達(dá)100%，Cd的檢出率達(dá)89%，與楊學(xué)福等[15]的研究相比(渭河西安段各斷面Pb、Cd未檢出，Cu、As、Zn的檢出率3.5%～75%)，檢出率大幅提高，說(shuō)明水體中As、Pb、Cd、Cu、Zn等重金屬濃度有所增加；各斷面Ni濃度均低于《集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目》標(biāo)準(zhǔn)限值；26%的斷面Hg濃度超出了Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。胡月紅等[16]研究也表明，渭河西安段部分?jǐn)嗝鍴g濃度超過(guò)了Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，渭河陜西段干支流斷面均存在一定的Hg污染。

表1 渭河陜西段水體中重金屬濃度測(cè)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：ND代表未檢出；檢出率=(檢出樣品個(gè)數(shù)/實(shí)際檢測(cè)樣品個(gè)數(shù))×100%；計(jì)算平均濃度時(shí)未檢出按方法檢出限值計(jì)算。Hg、Cd的檢出限值分別為0.04、0.05 μg/L。

渭河陜西段水體中常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果如表2所示。由表2可知，渭河陜西段水體中NH3-N、CODCr和DO的平均濃度分別為1.840、25和6.47 mg/L，EC的平均值為600 μS/cm；渭河陜西段不同河段和不同支流NH3-N濃度、CODCr和DO濃度差異較大，超過(guò)GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的斷面分別占總斷面的53%、53%和26%，說(shuō)明該水體中存在一定的氮污染和有機(jī)物污染；95%的斷面pH大于7，平均為7.71，表明渭河陜西段水體呈弱堿性。

表2 渭河陜西段水體中常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果

注：ND代表未檢出；CODCr的檢出限值為10 mg/L。

2.2重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性及其來(lái)源探析

通過(guò)SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算渭河陜西段水體中重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表3。由于僅有36%的斷面檢出Hg，故未進(jìn)行Hg的相關(guān)性分析。由表3可知，渭河陜西段水體中7種重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)存在不同程度的相關(guān)性，其中As、Cr、Ni與NH3-N呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.545、0.457、0.503；As、Pb、Cd與EC呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.650、0.583、0.579；Ni與EC呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.544；As與DO呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.620；Cd、Ni與DO呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.530、-0.492。此外，重金屬之間也有不同程度的相關(guān)性，其中As與Ni、Pb呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.750、0.620；Cu與Pb、Cr、Ni呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.788、0.909、0.846。說(shuō)明渭河陜西段水體中的重金屬有相似的來(lái)源和污染水平。

表3 渭河陜西段水體中重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

注：**為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(極顯著)；*為在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(顯著)。

進(jìn)一步利用主成分分析[17]研究了渭河陜西段水體中重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性及其來(lái)源，如表4所示。由表4可以看出，根據(jù)主成分分析的因子選取原則(特征值大于1)，選出第一主成分(F1)和第二主成分(F2)，其重金屬的特征值分別為4.005和1.333，這2個(gè)主成分因子對(duì)流域水體中7種重金屬影響因子的貢獻(xiàn)率達(dá)76.252%，2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為57.208%(F1)和19.044%(F2)，基本上反映了7種重金屬的大部分信息。渭河陜西段水體中重金屬的成分矩陣由表5所示。由表5可以看出，F(xiàn)1主要包括As、Pb、Cr、Ni、Cu，F(xiàn)2主要包括Cd、Zn。

表4 渭河陜西段水體中重金屬的主成分分析

表5 渭河陜西段水體中重金屬的成分矩陣

為了更深入了解重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性，對(duì)其來(lái)源進(jìn)行了分析。將F1、F2作為新的變量指標(biāo)分析其與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，F(xiàn)1與NH3-N呈顯著正相關(guān)，表明F1中的重金屬As、Ni、Cu、Cr、Pb與NH3-N可能同源，皂河入渭、新河入渭、虢鎮(zhèn)橋等點(diǎn)位都具有工業(yè)生產(chǎn)集中、人口密集等特點(diǎn)，可見(jiàn)F1中的重金屬As、Ni、Cu、Cr、Pb濃度較高主要是受各種人為活動(dòng)的影響，該結(jié)果與張莉等[18]的研究結(jié)果相似；而NH3-N的點(diǎn)源污染也主要來(lái)自城鎮(zhèn)排放的含有大量有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮污染物的工業(yè)廢水和生活污水，這些污染物在微生物的作用下分解成NH3-N[19]，進(jìn)一步說(shuō)明了F1中的重金屬As、Ni、Cu、Cr、Pb與NH3-N同源，都與工業(yè)及生活等人為活動(dòng)污染有關(guān)。F1與EC呈顯著正相關(guān)、與DO呈顯著負(fù)相關(guān)，是因?yàn)樗兄亟饘贊舛仍礁撸潲}類濃度越高，溶解的鹽類大都是強(qiáng)電介質(zhì)，所以電導(dǎo)率也越大[20]，而重金屬的增加可能對(duì)水體微生物有毒害作用，因此導(dǎo)致水體DO濃度的降低。F2中Cd、Zn與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性，有研究表明，Cd、Zn主要受母質(zhì)和成土過(guò)程的影響[21]，如Cd、Zn的高濃度區(qū)潼關(guān)吊橋區(qū)域礦產(chǎn)資源豐富，礦產(chǎn)資源鈣礬石中的Ca2+能被許多陽(yáng)離子不同程度地替換，導(dǎo)致Cd、Zn等元素進(jìn)入鈣礬石或其他礦物晶格內(nèi)[22]，說(shuō)明Cd、Zn主要為地球化學(xué)來(lái)源。

表6 渭河陜西段水體中重金屬主成分與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

注：*為在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)渭河陜西段水體中重金屬As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn平均濃度均在GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值內(nèi)，但其濃度較2012年有所增加；各斷面Ni的濃度均低于集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；渭河陜西段水體中存在一定的Hg污染現(xiàn)象。

(2)渭河陜西段水體中各重金屬與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)之間存在不同程度的相關(guān)性：其中As、Cr、Ni與NH3-N呈顯著正相關(guān)；As、Pb、Cd與EC呈極顯著正相關(guān)；Ni與EC呈顯著正相關(guān)；As與DO呈極顯著負(fù)相關(guān)；Cd、Ni與DO呈顯著負(fù)相關(guān)。

(3)主成分分析及相關(guān)性分析結(jié)果顯示，渭河陜西段水體中重金屬污染物有2個(gè)主成分：第一主成分包括As、Pb、Cr、Ni、Cu，與NH3-N同源，與工業(yè)及生活等人為活動(dòng)污染有關(guān)；第二主成分包括Cd、Zn，其與常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性，其元素主要為地球化學(xué)來(lái)源。

在今后的工作中，渭河陜西段水體重金屬污染防治應(yīng)重點(diǎn)控制Hg污染，同時(shí)需及時(shí)監(jiān)測(cè)重金屬As、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn的污染變化并依據(jù)其主要污染來(lái)源適時(shí)采取有效的預(yù)防措施。如對(duì)As、Pb等重金屬應(yīng)重點(diǎn)控制人為污染，尤其應(yīng)加強(qiáng)對(duì)企業(yè)排污的監(jiān)測(cè)；而對(duì)Cd和Zn的防治則應(yīng)主要從其周圍地殼、成土母質(zhì)等自然環(huán)境要素入手。

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HeavymetalpollutionandsourceanalysisofWeiheRiverinShaanxiProvince

TIAN Weihua, WANG Lei, GUAN Jianling, WANG Shuting, ZHANG Yu

Shaanxi Environmental Monitoring Center, Xi'an 710054, China

Based on the measured data of heavy metals (Hg, As, Pb, Cd, Cr, Ni, Cu and Zn) and related routine monitoring indexes (NH3-N, COD, EC, DO and pH), the heavy metal pollution of the Weihe River in Shaanxi Province was evaluated according to theEnvironmentQualityStandardsforSurfaceWater(GB 3838-2002), and then the heavy metals sources in the region studied by principal component analysis and correlation analysis in and between the heavy metals and the routine monitoring indexes. The results indicated that the contents of As, Pb, Cd, Cr, Cu and Zn of the Shaanxi section of the Weihe River were below the standard limits for category Ⅰ or Ⅱ surface water, the content of Ni was below the limit of specific items for the drinking water and surface water sources, and the river was polluted at a certain degree by Hg. Heavy metals were correlated with routine monitoring indexes in different degrees, in which As, Cr, Ni had significant positive correlations with NH3-N, As, Pb, Cd showed highly significant positive correlations with EC, while As showed a significant negative correlation with DO. According to principal component analysis, the first principal component mainly included As, Pb, Cr, Ni, Cu, all were homology with NH3-N, and they were mainly from various human activities including of industry and life. The second principal component mainly included Cd and Zn, being of the geochemical sources.

Shaanxi Province section of Weihe River; heavy metals; routine monitoring indexes; correlation; source

田渭花，王蕾，關(guān)建玲,等.渭河陜西段水體重金屬污染現(xiàn)狀及其來(lái)源探析[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(6):684-690.

TIAN W H, WANG L, GUAN J L, et al.Heavy metal pollution and source analysis of Weihe River in Shaanxi Province[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):684-690.

2017-06-13

陜西省社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015SF282)

田渭花(1983—)，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究，weihua1983lyh@163.com

*通信作者：王蕾(1983—)，女，高級(jí)工程師，博士，主要從事環(huán)境質(zhì)量綜合分析研究，19416253@qq.com

X824

1674-991X(2017)06-0684-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.094