沉積物重金屬污染：來源與樣本的快速分離

童立立+陸勝杰

摘要：本論文以安徽省北部汴河沉積物為研究對象，對其中的五種重金屬（Fe、As、Cr、Cu和Pb）濃度進行了測定，并結(jié)合因子分析和聚類分析探討它們的來源。因子分析結(jié)果表明，這些沉積物中的重金屬可能存在3個不同的來源，包括自然（1個）和人為（2個）兩大類，其中Fe主要來自于自然風(fēng)化。

關(guān)鍵詞：重金屬；沉積物；因子分析；K-均值聚類分析

1 引言：前人研究表明，在水生環(huán)境中，重金屬通常是以溶解態(tài)、膠體、懸浮和沉積形式存在。在這些階段，90%以上的重金屬附著在顆粒物上，隨后沉積到河床底部，從而導(dǎo)致沉積物中重金屬的富集。反之，河流沉積物亦可以向河水和水生植物釋放重金屬。因此，河流沉積物既是重金屬污染的匯，也是重金屬污染的源。

本論文的主要目的是：（1）識別這五種重金屬的不同來源；（2）識別出受人為活動影響（污染）的樣本（采樣點）。本研究對于保護汴河生態(tài)環(huán)境以及沉積物重金屬污染治理具有重要意義。

2 采樣與分析方法

2.1樣品的采集與處理

本論文研究數(shù)據(jù)來自于2011年的新汴河環(huán)境調(diào)查。采樣是沿著汴河河道，自宿州到泗洪進行采集的，共采集了45份表層沉積物（0～10 cm）作為樣本。

分析過程：取1克樣本溶于30 ml硝酸和氫氟酸的混合物中，在室溫條件下靜置10個小時，然后在50 ℃條件下保溫2天。在冷卻后利用0.45 μm濾紙過濾，并用硝酸（3%）稀釋至50 ml后送實驗室進行測試。Fe、As、Cr、Cu和Pb濃度利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進行測定，校準所用的標準樣品為河流沉積物

3 結(jié)果與討論

3.1變異系數(shù)

變異系數(shù)（標準偏差/平均值）對于污染的空間分布具有較好的指示作用，一般情況下，0.1以下的變異系數(shù)表明較低的變異程度，暗示幾乎沒有受到人為影響，而較高的變異系數(shù)（> 0.9）則暗示存在明顯的人為影響。從本次研究來看，F(xiàn)e的變異系數(shù)最?。?.22），而As、Cr、Cu和Pb分別為0.52、0.26、0.31和0.52，表明它們均具有中等的空間變異程度。

3.2正態(tài)分布

另外，相對于其它重金屬，F(xiàn)e的偏度值也是最低（0.345）。安德森 - 達林正態(tài)分布檢驗結(jié)果表明，只有Fe能夠通過正態(tài)分布檢驗，因為其p值高于0.05，而其他重金屬不能通過正態(tài)分布檢驗，因為它們的p值均小于0.05。相較而言，Cr更接近正態(tài)分布，因為其p值達到了0.03。這種分析結(jié)果表明，F(xiàn)e可能來自于單一的自然風(fēng)化，沒有明顯人為活動的貢獻；Cr受到了較為輕微的人為活動影響。而其他的3種重金屬元素可能受到了更多的人為活動的影響.

3.3因子分析

本研究所測試的5種重金屬至少具有2種不同的來源。上文研究表明， Fe受到人為活動的顯著影響。因此，因子1（包括Fe、Cu和Pb）可能代表自然或者地質(zhì)因素，而因子2則可能代表人為因素（包括As和Cr）。然而，這種推斷可能是存在錯誤的，因為上文研究已經(jīng)可以基本上推斷出，相對其他重金屬元素，雖然Fe可能并沒有受人類活動的顯著影響，但Cu和Pb是存在的。

據(jù)此，因子1并不能簡單的解釋為自然因子，可能是自然和人為的疊加所致?？梢园l(fā)現(xiàn)，因子1中Fe的載荷（0.737）高于因子2（0.447，取絕對值），這可能反映自然過程對于2個因子中的不同元素具有不同程度的影響。

3.4 K-均值聚類分析

由于共發(fā)現(xiàn)了3種不同來源，因此將聚類數(shù)目設(shè)置為3，可以看到，聚類1、2和3分別有31、14和4個樣本。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，聚類2中As和Cr平均含量最高，因此將聚類2中的樣品考慮為受到了As和Cr污染的樣品（包括樣本23-27，35-39和45-48）。聚類3中Cu 和Pb平均濃度最高，因此將這些樣品考慮為受到了Cu和Pb污染的樣本（包括樣本2，4，20和28）。剩余樣本歸類為聚類1，相對于聚類2和3，它們的特點是所重金屬元素的均值均為中等，因此可以將聚類1考慮為僅受自然因素影響。

因此，城市地區(qū)家庭和工業(yè)活動排放的污水可能是其最主要的來源。然而，Cu 、Pb的點污染是非常有限的，其中2個都位于主干道路的附近，可以推測其與交通有關(guān)。此外，其它2個均位于正常位置沒有任何特殊的特征，因此，可能是某種含Cu、Pb的點源污染所致。

結(jié)論：基于安徽省北部新汴河河流沉積物中5種重金屬（Fe、As、Cr、Cu和Pb）含量的因子分析和K-均值聚類分析，取得了如下結(jié)論：（1）這5種重金屬的濃度的貢獻主要有三種來源：其中Fe主要來自于自然環(huán)境（如巖石風(fēng)化），As和Cr除了自然來源外，還與城市中人類的生產(chǎn)生活有關(guān)，而Cu和Pb則是自然環(huán)境和點源污染的共同產(chǎn)物。（2）使用單純的因子分析只能給出可能的重金屬元素來源，在自然和人為貢獻疊加的情況下，其結(jié)果可能會得到錯誤的來源解釋。（3）將因子分析和K-均值聚類分析進行結(jié)合，不但可以獲取可能的重金屬來源，而且可以追蹤特定的污染位置。

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