安寧河涼山段重金屬時空分布及主要因子分析

唐雋 付醒東 李軍 王洪波 李在林

摘要：本文統(tǒng)計(jì)了2013-2015年安寧河涼山段重金屬所有監(jiān)測值，運(yùn)用主成份分析法對安寧河涼山段重金屬分析，得出主要污染因子為鉛、鋅、鐵、錳，根據(jù)主要污染因子2013-2015年年際均值變化趨勢的研究及各斷面間的對比分析，推斷了其成因。

關(guān)鍵詞：安寧河；重金屬；時空分布；主要因子

中圖分類號：X501 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）05-0138-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.082

Abstract ： In order to understand the changes and causes of heavy metal concentration in Anning River， this paper has collected all the monitored values of heavy metals in Liangshan Section of Anning River from 2013 to 2015， and analyzed the heavy metals in Liangshan Section of Anning River by using principal component analysis method. The main pollution factor was lead， Zinc， iron， and manganese， the inter-annual average change trend of the main pollution factor from 2013 to 2015 and comparative analysis among various sections， inferred the causes.

Key words： Anning River； Heavy metal； Spatio-temporal distribution； Main factors

隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷提高和人類社會快速發(fā)展，污染物排放加劇，大量污染物不斷通過地表徑流排入天然河流，導(dǎo)致河流被污染得十分嚴(yán)重。Thornton報道，被譽(yù)為是世界熔煉工業(yè)中心的英國威爾士南部港口城市斯旺西，由于各種重金屬冶煉，導(dǎo)致水環(huán)境中銅、鋅、鉛、鎘等重金屬污染較嚴(yán)重[1]。Zhang W等研究發(fā)現(xiàn)[2]，石洞口附近水體中銅、鋅、鉛高濃度現(xiàn)象，是由于污染物在長江沿岸這五個區(qū)域內(nèi)直接排放。王曉蓉、許鷗泳[3-4]等人對金沙江水體中重金屬濃度的分析研究表明，水生生物對重金屬具有明顯的富集作用，重金屬可以通過顆粒物的吸附絡(luò)合作用遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)行形態(tài)、價態(tài)的變化。因此研究河流中重金屬具有重要意義。

在河流水質(zhì)重金屬分析評價研究中，以模糊綜合評價法、主成分分析法、單因子評價法、多因子評價法[5]、灰色系統(tǒng)理論方法[6]等最為常見。本文采用主成分分析法，使分析過程得以簡化，但又能得出2013-2015年間的重金屬指標(biāo)中對水質(zhì)影響較大的主要影響因子，并進(jìn)行時空分析和原因分析[1]。

1 主成份分析法對水質(zhì)重金屬的分析

1.1 主成分分析法的步驟

（1）首先統(tǒng)一量綱，由于原有各監(jiān)測指標(biāo)的量綱不同無法進(jìn)行計(jì)算，為了各監(jiān)測因子之間具有可比性，對原始數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理，其計(jì)算公式為：。

（2）根據(jù)特征根計(jì)算出主成分的貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率，選著m個主分量。當(dāng)m個主分量達(dá)到一定的累積貢獻(xiàn)率水平時，說明前r個主成分已經(jīng)可以用來表達(dá)原來全部樣本含有的所有信息量已達(dá)到要求。計(jì)算公式如下：

結(jié)合環(huán)境監(jiān)測分析方法和評價方法對所選擇的主成分給出解釋。以上所有計(jì)算過程均在SPSS24.0軟件中進(jìn)行。

1.2 主成份分析結(jié)果

利用SPSS 24.0計(jì)算得出的主成分特征值與累計(jì)貢獻(xiàn)率如表1-1所示，安寧河涼山段干流斷面上均值、南河及孫水河兩個支流斷面上提取出4個主成分，南河斷面上提取出5個主成分，它們的第一個主成分累積貢獻(xiàn)率均是最高的，分別達(dá)到28.15%、26.58%及30.25%。并且所提取主成分最終的累積率均在70%以上，說明了這些個主成分能夠表達(dá)出絕大部分原有監(jiān)測因子的信息，用主成分分析法是可接受的[2-4]。

成分矩陣反應(yīng)的是監(jiān)測因子對評價結(jié)果的影響程度，主成分分析提取的新變量，得到的成分矩陣絕對值都小于1，當(dāng)成分矩陣絕對值越接近1，表明各個水質(zhì)指標(biāo)對評價結(jié)果越重要越應(yīng)保留下來。如表2所示，水溫、pH、銅、六價鉻、砷、鐵這些重金屬指標(biāo)在第1主成分中的載荷較高，而鉛、鋅、錳、鎳分別在第2、3、4、5主成分上的荷載較高。其中，pH和水溫作為理化指標(biāo)的代表僅在第1主成分中具有較大荷載，尤其pH值載荷是最高的，說明pH是影響安寧河涼山段水質(zhì)重金屬變化的重要影響因素，相關(guān)研究也表明pH越大，水體中重金屬越容易沉淀在沉積物中。同樣的如表3、4所示，水溫、pH、銅、鋅、鉛、六價鉻、鎳、鐵、錳、砷這些水質(zhì)指標(biāo)對南河的水質(zhì)重金屬有較大影響；水溫、pH、銅、鋅、鉛、六價鉻、砷、鐵、錳對瀘沽老橋的水質(zhì)重金屬影響較大，其余水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的影響可以略去。支流重金屬指標(biāo)負(fù)荷高低程度略與干流重金屬指標(biāo)的負(fù)荷不同，但是總體上可以看出，除去pH、水溫后，重金屬鉛、鋅、鐵、錳這個四個指標(biāo)的載荷絕對值較高，因此，這個4個污染因子是此次評價得出的主要重金屬污染因子。

2 安寧河涼山段重金屬年際變化趨勢

2.1 支流水質(zhì)重金屬的年際變化

南河和孫水河這兩條安寧河支流2013-2015年Zn、Pb、Fe、Mn四項(xiàng)水質(zhì)重金屬指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1、2、3和4所示。由圖可以看出，南河Zn、Pb、Fe、Mn這四種重金屬元素逐年降低，主要因?yàn)槟虾由嫌蜗⊥灵_采礦山建立了尾礦庫，同時關(guān)閉了非法洗選企業(yè)，減少了因稀土開采洗選冶煉排入南河的重金屬污水。孫水河Zn、Pb、Mn這三個重金屬元素沒有明顯的變化規(guī)律，Zn、Pb的年均濃度均維持在低濃度水平，Mn元素是2014年年均值明顯高于2013年和2015年，而Fe元素則是呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，可能是由于孫水河上游鐵礦洗選廠的關(guān)閉后污染源截?cái)嗨隆?/p>

2.2 安寧河涼山段干流水質(zhì)重金屬的年際變化

安寧河涼山段的觀音巖、漫水灣、阿七大橋、昔街大橋這四個監(jiān)測斷面的2013 - 2015年Zn、Pb、Fe、Mn共4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的年均值如圖5、6、7和8所示。從圖中可以看出，四個監(jiān)測斷面的Zn在較低濃度范圍內(nèi)呈逐年降低趨勢，而Pb、Mn在各斷面上年均值沒有明顯特征趨勢，F(xiàn)e雖然在各斷面年均值上沒有明顯的變化趨勢，但可以看到，除了背景斷面觀音巖外，2013年、2014年Fe在其他斷面年均值上都是超標(biāo)的，說明安寧河涼山段上的鐵礦洗選和冶煉企業(yè)對安寧河涼山段Fe元素的貢獻(xiàn)較大，同時也符合安寧河涼山段上各鐵礦類企業(yè)分布特征，富集特征較為明顯[5-6]。

3 安寧河涼山段重金屬分布特征

根據(jù)上面章節(jié)分析結(jié)果，結(jié)合表3-1的結(jié)果匯總，我們可以得出各斷面各監(jiān)測因子的年均值，各金屬元素的分布情況見圖3-1。

從上圖可知，鉛、鋅分布擁有較為明顯的相同變化趨勢，都在2號南河斷面出現(xiàn)峰值，并且變化幅度較大，在隨后的斷面濃度逐漸降低。從鉛、鋅的分布規(guī)律上，可以得出2號南河斷面是主要的污染源，這與南河上游牦牛坪稀土礦區(qū)有著直接的關(guān)聯(lián)，牦牛坪稀土礦區(qū)的開采和洗選以及歷史遺留問題導(dǎo)致鉛、鋅無序排放，使這兩個重金屬指標(biāo)在南河斷面驟然升高，隨后下游基本無此企業(yè)，重金屬鉛、鋅在稀釋和沉降的作用下逐步降低。鐵分布大致為逐步升高的變化趨勢，在最后一個斷面達(dá)到峰值；錳的多年均值分布特征是從重金屬的濃度上來看，F(xiàn)e、Mn維持在較高的濃度水平，F(xiàn)e的多年均值除了在背景斷面觀音巖沒有超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類水質(zhì)限值，其余斷面超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類水質(zhì)限值，而Mn則是在所有斷面均超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類水質(zhì)限值。

4 成因分析

安寧河涼山段上，F(xiàn)e、Mn兩元素濃度較高，除了地處釩鈦礦區(qū)外，還有可能是由釩鈦磁鐵礦洗選、冶煉企業(yè)的排污及河道上無序采砂所致。Zn、Pb兩元素濃度較高與南河上游牦牛坪稀土礦區(qū)有著直接的關(guān)聯(lián)，牦牛坪稀土礦區(qū)的開采和洗選以及歷史遺留問題導(dǎo)致鉛、鋅無序排放所致。因此在南河上游進(jìn)行重金屬生態(tài)修復(fù)和控制河道采砂顯得極為重要。

參考文獻(xiàn)

[1]Thornton GJ P，Walsh P D.Heavymentals in the waters of the Nanty 2 Fendrod：change in pollution levels and dynamics associated with the redevelopment of the Lower Swansea Valley，South Wales，UK[J].The Science of the Total Environment，2001，278（1-3）：45-55.

[2]Zhang W，Yu L，Hutchinson S M，etal.Chinaps Yangtze Estuary：Geomorphic influence on heavy metal accumulation in intertidal sediments[J].Geomorphology，2001，41（2，3）：195-205.

[3]王曉蓉等.金沙江顆粒物對重金屬的吸附[J].環(huán)境化學(xué)，1983，2（1）：23-32.

[4]許鷗泳，曾燦星.金沙江下游沉積物某些金屬的化學(xué)形態(tài)和分布特征[J].中國環(huán)境科學(xué)，1985，6（5）：20-34.

[5]張叢.環(huán)境評價教程[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：100-112.

[6]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1987：31-33.

收稿日期：2018-04-04

作者簡介：唐雋（1984-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測。