重金屬在蕪湖城市內河水體的分布特征及環(huán)境健康風險分析

陳明亮 魯福慶 程曉靜 陳娜 儲昭霞 涂俊芳

摘 要：為了研究蕪湖市內河（中央城水系、匯成水系和中山南路水系）水體的Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni污染現(xiàn)狀，采用相關性分析和主成分分析對水體重金屬的來源進行分析，同時采用內梅羅綜合污染指數(shù)法和累積標準單位（CCU）指標對重金屬污染狀況進行評價。結果表明，蕪湖內河水體各微量元素大小依次為：Zn>Cr>Mn>Pb>Ni>Cu。Pb、Zn、Ni分別有16.7%、16.7%、100.0%的采樣點超出《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838—2002）Ⅴ類標準，說明蕪湖內河水體Pb、Cr、Ni污染較嚴重。Cu、Mn、Pb主要來源于生產(chǎn)生活中Zn與Ni來源于工業(yè)生產(chǎn)，Cr主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)內梅羅綜合污染指數(shù)法和累積標準單位（CCU）指標評價結果，中央城水系和中山南路水系為重污染，匯成水系為中度污染，94.4%的采樣點屬于重度污染，蕪湖內河水體水質污染較為嚴重。

關鍵詞：城市內河;重金屬;污染評價

中圖分類號 X522? 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）18-0138-06

Study on Distribution and Environmental Risk of Heavy Metals in Wuhu City Inland River

CHEN Mingliang1 et al.

（1School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： In order to study the wuhu inland river （the central city in the stream， stream water and south road drainage） of Pb， Cr， Cu， zinc， Mn， Ni pollution status quo，using correlation analysis and principal component analysis to analyze the source of heavy metal water， use at the same time inside，the comprehensive pollution index method and cumulative standard unit （CCU） index to evaluate heavy metals pollution condition.The results showed that the wuhu inland water body various trace elements as follows： Zn>Cr>Mn>Pb>Ni>Cu.Pb，Zn and Ni were 16.7%， 16.7% and 100.0% of the sample point beyond the environmental quality standards for surface water （GB 3838-2002）Ⅴ class standard， wuhu inland water，Pb，Cr，Ni pollution more serious.Correlation analysis and principal component analysis showed that Cu，Mn and Pb were mainly from production and life.Zn and Ni were from industrial sources， and Cr was mainly from agricultural sources.According to Nemelo comprehensive pollution index method and cumulative standard unit （CCU） index evaluation results，the central city water system and the south zhongshan road water system are heavily polluted，the confluence water system is moderately polluted， 94.4% of the sampling points are seriously polluted，and the water quality of Wuhu inland river is seriously polluted.

Key words： Urban river; Heavy metal; Pollution assessment

水是地球生物賴以生存的物質基礎，水資源是維護地球生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的首要條件[1-2]。隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市環(huán)境所承載的壓力越來越大，工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人為活動等給城市內河水環(huán)境帶來了嚴重的污染，這一問題引起了眾多學者的關注[3]。重金屬是水體環(huán)境中較為常見的一類污染物，其主要來源于人為活動[4-6]。在水環(huán)境中，重金屬元素不能被微生物降解，相反的可能會被生物富集，具有隱蔽性、長期性和不可逆轉性等污染特征[7]。關于重金屬對水生生物的毒害作用早已有研究[8-10]。閻海等[11]研究表明，Mn、Cu和Zn超出安全濃度就會抑制藍藻的生長。一定濃度的Cd2+會對不同藻類的生長產(chǎn)生抑制作用[12]。目前，國內外關于水體重金屬污染現(xiàn)狀的研究較多，主要集中在重金屬的分布規(guī)律、污染特征和環(huán)境風險評價等方面[13]。程鵬等[14]對洋河流域As、Cd、Pb、Hg和Cu的濃度以及其引起的健康風險的時空變化進行了評價。

蕪湖市水系發(fā)達，境內河道縱橫、湖泊眾多，主要河道有長江、青弋江、漳河、水陽江等，另外還有部分獨立入江支流，如橫山河、黃滸河等[15]。蕪湖是安徽省第二大城市，礦產(chǎn)資源豐富，但近年來由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，產(chǎn)生的污染增多，導致水體水質變化較快，使得部分生物失去了棲息場所，生物多樣性遭到破壞。到目前為止，還尚未有關于蕪湖市內河重金屬分布特征及風險評價的研究。為了解蕪湖市內河水質及重金屬污染情況，本研究以蕪湖市境內3條城市內河為研究對象，探討3條城市內河重金屬分布現(xiàn)狀以及對水質狀況的影響，以期為蕪湖市水質的規(guī)劃與水生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 蕪湖市位于安徽省東南部，是國家長江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃的大城市，皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉移示范區(qū)的核心城市。屬亞熱帶濕潤氣候，光照充足，四季分明，年平均氣溫15～16℃，降雨量充沛，年降雨量1200mm左右，主要集中在春季、梅雨季節(jié)和初冬;蕪湖地勢西南高東北低，地形呈雙翼狀。地貌類型多樣，河湖水網(wǎng)密布。本研究選取蕪湖市弋江區(qū)3條城市內河共18個采樣斷面為研究對象，包括中央城水系（ZYC）、匯成水系（HC）和中山南路水系（ZSNL），詳見圖1。近幾年由于3條內河周邊的各類產(chǎn)業(yè)園、工礦企業(yè)、農(nóng)田種植及養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的污水和生活廢水排入內河，導致3條內河的水質日益惡化，水生態(tài)功能退化。

1.2 樣品采集與保存 本研究于2020年11月在中央城水系、匯成水系、中山南路水系共設18個采樣斷面，每個斷面設置1個采樣點，每個采樣點取3個平行水樣，中央城水系采樣點編號為ZYC1-ZYC3，匯成水系采樣點編號為HC1-HC6，中山南路水系采樣點編號為SNL1-ZSNL9，具體采樣點如圖1所示。取樣方法按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（GB/T 8538—2008）[16]進行，采用采樣器在水面下10cm處采集平行水樣3份，混合均勻后用0.45μm濾膜過濾后裝入提前凈化過的聚乙烯塑料采樣瓶中加入5mL優(yōu)級純硝酸酸化，擰緊瓶蓋，4℃保存待測。

1.3 樣品測試 水重金屬元素采用日立Z-2000型塞曼AAS（原子吸收分光光度計）測定其總量，為了保證測量結果的穩(wěn)定和準確，對空白樣和平行樣進行質量控制，測定空白樣重金屬含量低于0.1μg/L，平行樣品之間標準偏差小于5%，標準物質測試值與實際值的誤差小于5%，結果滿足質量控制要求。

1.4 水環(huán)境質量評價

1.4.1 內梅羅綜合污染指數(shù)法 水體重金屬污染評價的方法有多種，其中常用的方法為單因子指數(shù)法和內梅羅綜合污染指數(shù)法[17-18]。內梅羅綜合污染指數(shù)法能夠反映水體重金屬污染現(xiàn)狀和各種重金屬對水體污染的不同貢獻，同時能夠考慮到最嚴重的污染因子，能夠較全面的評判所研究區(qū)域內重金屬的污染程度。相關計算公式如下;

單因子污染指數(shù)：

[Pi]=[Ci]/[Si] （1）

多因子綜合污染指數(shù)：

[P綜合]=[（Piave）2+（Pimax）22] （2）

式中：[Ci]為重金屬i的實測濃度;[Si]為重金屬地表水環(huán)境質量標準值;[Pimax]為重金屬單因子污染指數(shù)的最大值;[Piave]為各金屬單因子污染指數(shù)的平均值，[Piave]=[ 1ni=1nPi].

1.4.2 累積標準單位（CCU）指標 累積標準單位指標是目前國際常用的評估水體重金屬的有效污染指標[19]，采用該指標可以完整地表達湖泊水體總體的綜合水質信息。CCU值的計算公式如下：

[CCU=Mi/Ci] （3）

式中：[Mi]為重金屬含量實測值（mg/L）;[Ci]為水環(huán)境中重金屬的評價標準值，本文選取《國家地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）[20]Ⅲ類水質標準.

通過CCU值的計算，可以把水質類型分為以下4類：CCU值<1，為無污染;CCU值=1～2，為輕度污染;CCU值=2～10為中度污染;CCU值>10，為重度污染。

2 結果與分析

2.1 蕪湖內河水體重金屬元素分布特征

2.1.1 重金屬含量特征 蕪湖市3條城市內河水中重金屬濃度見圖2。由圖2可知，Cr濃度表現(xiàn)如下：中山南路水系>匯成水系>中央城水系;Cu濃度相差不大，以中山南路水系質量濃度最高，為0.017mg/L;中山南路水系水體中Mn質量濃度最高，達0.109mg/L，其次是中央城水系，匯成水系Mn濃度最低;Ni濃度表現(xiàn)如下：中山南路水系>匯成水系>中央城水系;Pb濃度同樣以中山南路水系最高;而中央城水系含有最高濃度的Zn。總體來說，雖然3條內河水中各種重金屬元素濃度互有高低，但均不滿足我國地表水Ⅰ類水質標準，其中中央城水系Cr、Cu、Pb和Zn的含量分別是GB 3838—2002Ⅲ類標準的5.94、0.01、0.58、2.05倍，是Ⅴ類標準的2.97、0.01、0.29、1.03倍。匯成水系中Cr、Cu、Pb和Zn的含量分別是GB 3838—2002Ⅲ類標準的5.55、0.01、0.79、0.96倍，是Ⅴ類標準的2.78、0.01、0.4、0.48倍。中山南路水系中，Cr、Cu、Pb和Zn的含量分別是GB 3838—2002Ⅲ類標準的6.05、0.02、1.88、0.19倍，是Ⅴ類標準的3.02、0.02、0.94、0.01倍。

由圖2還可知，蕪湖內河中Pb和Zn分別有38.9%、27.8%的水樣超出GB 3838—2002的Ⅲ類標準，有16.7%的水樣中Pb和Zn超過Ⅴ類標準，水樣中存在33.3%的Mn超出地表水水質標準，而Cr均不滿足Ⅴ類標準，內河中Ni的含量均超過地表水水質標準Cu全部滿足GB 3838—2002 Ⅲ類標準，說明蕪湖內河水體中Cr、Pb、Ni污染較嚴重。

2.1.2 同相關水質標準比較 蕪湖內河水樣重金屬含量與世界衛(wèi)生組織飲用水水質標準[21]、中國飲用水水質標準[22]、地表水環(huán)境質量標準及美國飲用水標準[23]的對比見表1。由表1可知，水體各重金屬含量依次為：Zn>Cr>Mn>Pb>Ni>Cu，將6種重金屬含量與各類水質標準比較可知，重金屬Pb、Cr、Ni的含量較高，均超WHO和我國地表水水質的標準，而Cu、Zn和Mn的含量較安全，均滿足表1中水質標準限值。

2.1.3 同國內外城市內河水體重金屬含量比較 蕪湖內河與國內外城市內河水體重金屬含量見表2。從表2可以看出，蕪湖內河水樣中Pb的含量除了低于寧波內河和Ganga River外，均超出其他內河;Mn的含量超出白馬河與Ganga Rive，低于Tigris River含量。而Cr、Zn的濃度與國內外河流比較可知，均高于表3中內河Cr、Zn的濃度，蕪湖內河水樣中Cu與Ni的濃度相對于國內外內河較低。由此可知，蕪湖內河水體重金屬元素與國內外城市內河相比，Pb、Cr、Mn、Zn的濃度較高，Cu和Ni的濃度較為安全。

2.2 重金屬元素相關性分析 相關系數(shù)用于反應2組變量之間線性相關的顯著程度，系數(shù)越接近1，則說明變量之間相關性越顯著。由各重金屬含量的相關性分析可以初步判斷重金屬的來源，若重金屬之間顯著相關，則可以認為重金屬具有相同的來源的可能性較大[30]。蕪湖內河水體中6種元素的Pearson相關性分析結果如表3所示。由表3可知，Cr、Pb、Mn之間呈極顯著的正相關關系，Cu與Mn之間呈顯著性負相關關系，而Ni和Zn與其他重金屬元素之間無顯著性相關關系，說明存在2組重金屬分別具有相同源向性。

2.3 重金屬元素主成分分析 為進一步探討蕪湖內河水體中個元素的來源，對所采集水樣測得的6種重金屬元素（Cu、Cr、Mn、Ni、Pb、Zn）進行主成分分析，結果見表4。由表4可知，所采水樣初始特征值大于1的有3個，前3個主成分的累積方差貢獻率為72.351%，表明這3個主成分可反映蕪湖內河水體中6種重金屬元素總計72.351%的信息。

蕪湖內河水體第一主成分的方差貢獻率為34.653%，遠高于其他因子，是控制水體中各重金屬元素來源及分布的最關鍵因子。由表5可知，旋轉前后因子的載荷變量結果差異較小，且結合水體主成分分析可得知，重金屬Mn、Cu、Pb的分布與來源由第一主成分所分配，采樣點及3條城市內河周邊城鎮(zhèn)較多且基礎設施不完善，生產(chǎn)生活污水（含高濃度Cu）[31]，未經(jīng)過處理直接排入水體，加上周邊工廠企業(yè)肥料殘渣隨意丟棄以及工業(yè)廢水、廢渣（含大量微量元素尤其是重金屬）[32]的排放導致水體中Cu、Mn元素的累積。居民農(nóng)田種植所使用的含鉛農(nóng)藥、農(nóng)用機器及交通運輸產(chǎn)生的尾氣是Pb的重要來源[33]，故因子1代表城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污染性因子。

蕪湖內河水體第二主成分的方差貢獻率為20.397%，是控制水體中重金屬元素來源及分布的不可或缺性因子。重金屬Ni和Zn的分布與來源由第二主成分所分配，3條城市內河周邊分布著工礦企業(yè)和各類產(chǎn)業(yè)園，由于其生產(chǎn)技術和管理水平存在不足，導致生產(chǎn)所產(chǎn)生的大量工業(yè)廢水、廢渣，借助地表徑流、大氣沉降等輸入內河水體，Zn和Ni得到累積并通過地球化學循環(huán)釋放到水體中[34]，則因子2代表工業(yè)生產(chǎn)污染性因子。

蕪湖內河水體第二主成分的方差貢獻率為17.300%，是控制水體中微量元素來源及分布的重要因子。Cr的分布與來源由第三主成分所分配，蕪湖內河周邊分布著較多村落，當?shù)鼐用翊蠖嘁赞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，使用的各種農(nóng)用化肥，長期對土壤施肥導致重金屬元素的積累，通過淋溶作用輸入到內河水體，故因子3代表耕作污染性因子。

2.4 蕪湖內河水體重金屬污染程度 研究區(qū)各采樣點的重金屬內梅羅指數(shù)見表6。由表6可知，蕪湖內河水體17個采樣點的P綜>3.0，為重污染水平，僅1個采樣點的2.0

由公式（3）計算得3條內河的CCU值結果見表7，由表7可知，中央城水系和中山南路水系CCU值范圍均滿足CCU值>10，其污染程度均為重污染;匯成水系CCU值符合CCU=2～10，污染程度為中度污染。綜合水質信息，蕪湖市內河水質趨于重金屬重污染。

3 結論

（1）通過與不同水質標準對比分析，蕪湖內河水體各微量元素大小依次為：Zn>Cr>Mn>Pb>Ni>Cu，與我國地表水水質標準比較，分別有38.9%、27.8%水樣中Pb和Zn超出GB 3838—2002的Ⅲ類標準，有16.7%的水樣中Pb和Zn超過Ⅴ類標準，水樣中存在33.3%的Mn超出地表水水質標準，而Cr均不滿足Ⅴ類標準，內河中Ni的含量均超過地表水水質標準，Cu含量較低，說明蕪湖內河水體中Cr、Pb、Ni污染較嚴重。

（2）通過相關性分析和主成分分析，Cu、Mn、Pb之間具有相關性，其污染來源相同，主要來源為生產(chǎn)生活。Zn與Ni主要來源于工業(yè)生產(chǎn)，Cr主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

（3）蕪湖內河水體94.4%的采樣點屬于重度污染。由CCU值可知，中央城水系和中山南路水系為重污染，匯成水系為中度污染，所以蕪湖內河水體的水質污染較嚴重。因此，今后要加強對各類重金屬污染產(chǎn)生的來源控制和過程管理。城市發(fā)展的同時，要處理好資源開發(fā)、經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的關系，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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（責編：張宏民）