巢湖水體中重金屬污染特征及評價

楊碧瑩,楊金香,楊 陽,李小龍,胡友彪,劉 翔

(安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001)

水體中的重金屬污染物可對水生生物產(chǎn)生毒害作用,人類可通過飲水、食用水產(chǎn)品等方式攝入重金屬,并在人體內(nèi)累積,對健康構成威脅[1-3]。近30年來隨著巢湖流域城市化進程加快及人口數(shù)量的增長,其工企業(yè)數(shù)、污水排放量、化肥施用量、重金屬等污染物排放量及水體富營養(yǎng)化情況均發(fā)生了不同改變,從而導致巢湖水環(huán)境受到一定影響,污染狀況逐漸加重[4-6]。針對巢湖水體重金屬污染,文獻[7]于1985年的春、夏和冬季進行采樣,研究結果表明巢湖水體中重金屬總量濃度含量甚微,與湖面降水中濃度相當;文獻[8]等對巢湖水體中Pb、Cu和Fe總量濃度進行分析,結果表明除少數(shù)采樣點的Pb和Cu達到地表水Ⅲ～Ⅴ類水質(zhì),其余采樣點水質(zhì)均較理想;文獻[9]研究表明巢湖溶解態(tài)重金屬單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)均遠小于1,水質(zhì)為清潔。

以上研究多以單次采樣和一年內(nèi)的采樣時間為研究周期來分析巢湖水體重金屬污染的時空分布特征,而缺少對其進行連續(xù)多年采樣和分析評價的系統(tǒng)研究[10]。通過文獻收集1985～2017年巢湖水體中重金屬濃度數(shù)據(jù),對巢湖水體中重金屬總量與溶解態(tài)濃度連續(xù)多年的時空變化特征進行分析,并采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和污染指數(shù)法進行了重金屬污染評價,最后結合巢湖周邊多年的工農(nóng)業(yè)發(fā)展及生活污水排放等因素對重金屬的主要來源進行了分析,以期為巢湖水體重金屬污染治理提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

巢湖(31°25′28″～31°43′28″N和117°16′54″～117°51′46″E)位于長江中下游地區(qū),是“三江三湖”重點污染治理地區(qū)之一。面積達770平方公里,平均水深2.7m。湖盆面積13 486平方公里,轄13個市縣,人口1 200多萬。是安徽省水稻、油料、水禽、魚類的主要產(chǎn)區(qū)之一。以“巢湖”、“水體”和“重金屬”等關鍵詞從CNKI及Web of Science等數(shù)據(jù)庫收集相關文獻14篇,水體重金屬數(shù)據(jù)為1985～2017年間。

2.2 數(shù)據(jù)說明

水體中的重金屬由于存在形態(tài)不同其濃度可分為總量、溶解態(tài)及懸浮顆粒態(tài)三種濃度,總量濃度可視為溶解態(tài)濃度與顆粒態(tài)濃度之和[11-12]。本次研究文獻按照總量與溶解態(tài)兩種濃度分別進行研究,文獻中所使用的重金屬檢測儀器主要為原子吸收光譜(AAS),電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)。每種儀器檢出限及精度不同,如ICP-MS的精度為μg·L-1,AAS及ICP-AES的精度為mg·L-1,因此檢測結果可能會存在一定差異。

3 結果與討論

3.1 重金屬污染的時間變化特征

重金屬濃度隨時間變化情況如圖1所示。由圖1可知重金屬總量與溶解態(tài)濃度范圍值差異較大。重金屬濃度變化的因素可能與周邊地區(qū)重金屬排放量情況、不同文獻中采樣點位置、季節(jié)、水中浮游生物的作用及沉積物再懸浮釋放等因素有關[13-14]。對于總量濃度[15-19],1985～2009年各重金屬濃度值在1985年普遍偏低,而在隨后幾年濃度值波動幅度則出現(xiàn)不同程度的變化(見圖1a)。不同重金屬濃度在水體中含量相差甚遠,總量濃度可達到溶解態(tài)濃度的幾倍，幾十倍甚至上百倍[20-21]。故出于風險的安全性考慮,本文僅將重金屬總量濃度與標準進行對比分析。Cu、Pb、Zn、Fe、Cd、Cr及Mn在已有年份的濃度均值分別為8.77μg·L-1、8.98μg·L-1、22.56μg·L-1、557.20μg·L-1、2.32μg·L-1、24.43μg·L-1及16.37μg·L-1.與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)相比,除Fe超出限值,Cd和Cr符合Ⅱ類標準,其余重金屬元素均符合Ⅰ類標準。對于溶解態(tài)濃度[22-23]42,2009～2017年(見圖1b)各重金屬濃度均在2014年前后出現(xiàn)最大值,在2016年以后出現(xiàn)下降趨勢。Cu、Pb、Zn、Cd和Cr的總量濃度均值分別可達其溶解態(tài)濃度均值的3.68倍、4.68倍、1.37倍、5.27倍和19.39倍。

通常湖泊中的營養(yǎng)鹽和重金屬可發(fā)生離子交換、絡合、共沉淀等化學作用,這些化學反應由于會受到水體理化指標的影響,進而可影響重金屬在湖泊中的分布形態(tài)和濃度[24]。研究表明,1985年巢湖為貧營養(yǎng),1995～2001年巢湖全湖處于重度富營養(yǎng)化,2003年富營養(yǎng)化情況有所好轉(zhuǎn)但仍處于中度富營養(yǎng)化,2009年至2017年全湖富營養(yǎng)化程度已改善為輕度,但其水質(zhì)一直處于Ⅳ～Ⅴ類,尤其西湖區(qū)水質(zhì)一直呈Ⅴ類[25]。此外據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒表明,巢湖流域主要排污產(chǎn)地合肥市2000～2009年GDP、人口數(shù)量及企業(yè)數(shù)一直呈持續(xù)增長趨勢,農(nóng)業(yè)化肥施用量基本維持在191 316噸左右。而在2016年以后合肥市的企業(yè)數(shù)及化肥施用量都呈下降趨勢,且總人口數(shù)變化趨勢較平穩(wěn),這可能與“十一五”規(guī)劃后巢湖流域周圍工業(yè)污染治理和污水處理設施的改進及其各入湖河流的大力管控有關,使其水中重金屬濃度有所降低。

(a) 重金屬總量 (b) 溶解態(tài)圖1 歷年濃度時間變化圖

3.2 重金屬污染的空間變化特征

所收集的文獻中，2009～2017年的文獻研究區(qū)域涉及到整個湖區(qū),并以姥山島為界將巢湖劃分為東西兩個湖區(qū),其中西湖區(qū)周邊主要以建設用地為主,東湖區(qū)周邊主要以耕地為主,所測重金屬為溶解態(tài)濃度。相比于東湖區(qū),西湖區(qū)污染較嚴重,這與《安徽省環(huán)境狀況公報》中有關巢湖各湖區(qū)歷年的水質(zhì)狀況相符(見圖2)。此外研究表明水體中重金屬含量最高值一般出現(xiàn)在南淝河口并逐漸向湖心及東巢湖方向降低。為更好了解東西湖區(qū)重金屬污染情況,根據(jù)圖3對2009～2017年湖區(qū)重金屬元素空間分布特征進行分析。除2009年Hg,2014年Cu,2016年Cu、Hg、Pb和Zn在東湖區(qū)高于西湖區(qū)外,其余各重金屬濃度均呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢,且主要集中在西湖區(qū)的南淝河、派河及十五里河入湖口區(qū)域,這與合肥市經(jīng)濟、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展密不可分。大量工業(yè)廢水,生活污水及各種商業(yè)活動排放的重金屬隨著西湖區(qū)的主要入湖河流進入巢湖水體,給西湖區(qū)的水體帶來了嚴重的負擔[26]。此外,據(jù)文獻[27]研究表明南淝河、派河及十五里河水體中的Ni和As濃度最高。以裕溪河、烔煬河等為主要入湖河流的東湖區(qū),水體中的污染物主要來自城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)業(yè)排水,其重金屬污染物排放相對較少。且巢湖湖區(qū)水流主要以風生流為主其流速較小,西湖區(qū)在垂向上存在幾個區(qū)域性環(huán)流,不利于該區(qū)域與外界的水量和物質(zhì)交換,這也是造成全湖區(qū)域差異性污染的重要原因。

圖2 巢湖各湖區(qū)歷年水質(zhì)及污染程度情況

圖3 歷年不同重金屬在東西湖區(qū)的濃度對比圖

3.3 重金屬污染評價

1)內(nèi)梅羅指數(shù)法。內(nèi)梅羅指數(shù)法可用于多種污染源的水污染評價,可以很好考慮到各污染物平均污染水平和最大污染狀況[28-29]。1985～2007年巢湖水體重金屬內(nèi)梅羅指數(shù)評價結果表明(見表1),東湖區(qū)總量濃度的Pi評價結果中,2004年的Hg及2005年的Fe污染水平為“重度污染”;2003年的Cd、Cr和Fe及2007年的Cr污染水平為“中度污染”,其余年份的各重金屬污染水平均為“輕度污染”。PN評價結果表明2004年及2005年水質(zhì)污染水平為“中度污染”;1985年、2003年及2007年污染水平均為“輕度污染”。分析東湖區(qū)重金屬PN的時空變化特征,時間上,東湖區(qū)PN值為2005>2004>2003>2007>1985;空間上,東湖區(qū)水質(zhì)整體較好,Fe和Hg是東湖區(qū)污染最嚴重的兩種重金屬元素。

2)污染指數(shù)法。污染指數(shù)法(Degree of contamination,Cd)用作估算金屬污染程度的參考[30-32]。當Cd的值小于1時,代表水質(zhì)污染程度較低,當Cd的值為1～3時,代表水質(zhì)污染程度為中度污染,當Cd的值大于3時,代表水質(zhì)污染程度較高。

由表2東湖區(qū)水體中重金屬總量濃度的Cfi值與各年Cd值評價結果可知,除2005年Fe的Cfi值為正值外,其余年份重金屬的Cfi值均為負值,且所有年份的Cd值均小于1。分析東湖區(qū)重金屬Cd的時空變化特征,時間上,東湖區(qū)Cd值為2005>2007>2003>2004>1985;空間上,東湖區(qū)整體污染程度較低,水質(zhì)較好。

表1 東湖區(qū)歷年重金屬總量濃度的Pi與PN值匯總表

表2 不同年份重金屬總量濃度的Cfi與Cd值匯總表

兩種評價方法從時空分布特征對比來看,時間上東湖區(qū)重金屬總量濃度的污染指數(shù)均在2005年達到最高,1985年最低。從本身差異對比來看,內(nèi)梅羅指數(shù)法表明巢湖水體中主要的污染因子為Fe和Hg,需著重加強防控管理;污染指數(shù)法屬于重金屬綜合評價法,可更直觀有效的評價巢湖水質(zhì)情況,此方法顯示巢湖水質(zhì)污染水平為“輕度污染”。

3.4 水體中重金屬來源解析

根據(jù)文獻[22]81數(shù)據(jù)，巢湖水體采樣點的主成分分析結果如圖4所示,共提取出3個主成分,累計方差貢獻率為93.651%,說明污染物可能具有3種不同的來源，主成分1包括Cr、Cu、Ni和Zn,方差貢獻率為61.189%,表明其具有相似的來源,其中Cr主要來自電鍍行業(yè),Cu主要來自鋼鐵、機械制造等工業(yè)廢水,Ni主要來自冶金、鍛造等工業(yè)污染物,Zn主要來自工業(yè)燃煤[33]。工業(yè)污染源可導致巢湖水體受到重金屬的污染,合肥市主導產(chǎn)業(yè)包括汽車和零部件制造及裝備制造等易排放重金屬廢水的工業(yè)制造業(yè),據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒,合肥市工業(yè)廢水排放量2012年至2017年平均值可達5 627.08萬噸,肥東縣依然有直排現(xiàn)象[34]。主成分2包括Cd,方差貢獻率為21.660%,該成分主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的農(nóng)藥化肥污染, 2012年至2017年合肥市化肥施用量一直高達300萬噸左右, 肥東和肥西縣是巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染排放的主要來源。 主成分3包括Hg, 方差貢獻率為10.802%, 該成分主要來自生活污水、 合肥及巢湖市的燃煤電廠及垃圾或生活物質(zhì)的焚燒, 2012年至2017年安徽省城鎮(zhèn)生活污水排放量平均為19 5821.3萬噸,電力、熱力生產(chǎn)供應業(yè)從153家增至192家,燃氣供應業(yè)從39家增至62家,因此巢湖周邊的人類活動及燃燒源是Hg污染增加的重要來源。

圖4 主成分分析圖

4 結論

(1)重金屬總量濃度在1985年普遍較低,在2003～2009年其濃度值出現(xiàn)不同程度的升高,與地表水環(huán)境質(zhì)量標準相比,除Fe超出限值,Cd和Cr屬于Ⅱ類標準外,Cu、Pb、Zn、和Mn均屬于Ⅰ類標準;溶解態(tài)濃度在2014年前后出現(xiàn)最大值,在2016年以后出現(xiàn)下降趨勢。不同重金屬總量濃度為溶解態(tài)濃度的幾倍到幾十倍。重金屬空間分布特征結果表明,西湖區(qū)污染情況普遍高于東湖區(qū)。

(2)內(nèi)梅羅指數(shù)法結果表明,重金屬總量濃度在東湖區(qū)的主要污染因子為Fe和Hg,2005年的污染程度最高。污染指數(shù)法結果表明,歷年的Cd值均小于1,巢湖污染水平為“輕度污染”,水質(zhì)較清潔。

(3)巢湖水體中重金屬來源可分為三類:Cr、Cu、Ni和Zn主要來自工業(yè)污染源;Cd主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)源;Hg主要來自生活污水和燃煤焚燒的混合源。