汕頭市湖庫型飲用水水源地周邊土壤重金屬污染評價及源解析

曾金櫻 ，田秀芳 ，邱星群，王一剛，張楨鈺

(1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕頭，515041；2.廣東省粵東技師學(xué)院，廣東 汕頭，515041；3.汕頭市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 汕頭，515041)

0 引言

湖庫型飲用水水源地與其匯流區(qū)內(nèi)的陸域是水文循環(huán)作用的一個整體。對水源地的保護，如果忽視生態(tài)系統(tǒng)的完整性、水文循環(huán)的紐帶作用；忽視水域周邊的生態(tài)與環(huán)境對水體的影響，就不能從根本上保障水源地的安全[1]。汕頭市湖庫型飲用水水源地分別是潮陽區(qū)的河溪水庫和潮南區(qū)的秋風(fēng)水庫，而多年來潮陽區(qū)貴嶼鎮(zhèn)有嚴(yán)重的電子垃圾污染問題[2-4]，潮南區(qū)有練江流域污染問題[5]，因此為保障汕頭市湖庫型飲用水水源地水質(zhì)安全，開展其周邊土壤環(huán)境監(jiān)測與評價并進行源解析，對排查陸地風(fēng)險源因素具有現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設(shè)及樣品采集

在2016年3月1日實施的《HJ 774-2015集中式飲用水水源地環(huán)境保護狀況評估技術(shù)規(guī)范》中提出對于湖庫型飲用水水源風(fēng)險名錄范圍涉及準(zhǔn)保護區(qū)或非點源匯入?yún)^(qū)域即集水區(qū)，因此本研究所采集的土壤樣品在準(zhǔn)保護區(qū)布設(shè)至少5個采樣點，采集0～20cm表層土壤，每份土壤樣品采樣量為2kg，然后進行風(fēng)干樣品和新鮮樣品的制備，再進行分析測試。

選取汕頭市兩個湖庫型水源地即河溪水庫和秋風(fēng)水庫周邊土壤環(huán)境為研究對象，并對水庫周邊土壤進行環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，如圖1、圖2、表1所示。

圖1 河溪水庫監(jiān)測點位分布圖

表1 監(jiān)測點位的經(jīng)緯度

1.2 土壤重金屬分析測試方法

檢測項目的分析測試方法詳見表2。

1.3 評價方法

土壤樣品監(jiān)測結(jié)果按每個飲用水水源地采樣點個數(shù)做算術(shù)平均，監(jiān)測結(jié)果采用土壤單項污染指數(shù)進行單因子評價和內(nèi)梅羅污染指數(shù)進行綜合評價。土壤單項污染指數(shù)、內(nèi)梅羅污染指數(shù)的計算及土壤污染程度分級評價參照《HJ/T 166-2004土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中評價方法。土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《GB 15618-2018土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)業(yè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的風(fēng)險篩選值評價。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 26.0和Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對飲用水水源地周邊土壤中重金屬污染物的監(jiān)測值進行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析等。

2 結(jié)果與討論

2.1 飲用水水源地周邊土壤中重金屬監(jiān)測結(jié)果

河溪水庫和秋風(fēng)水庫周邊土壤中的Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的監(jiān)測結(jié)果見表3。

表2 土壤重金屬分析測試方法

表3 土壤中典型污染物監(jiān)測結(jié)果 (mg/kg)

通過比較發(fā)現(xiàn)重金屬濃度如果參照《GB 15618-2018土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)業(yè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的風(fēng)險篩選值進行評價，河溪水庫周邊土壤的重金屬Cd濃度超標(biāo)率達到了80%，秋風(fēng)水庫周邊土壤只有8#點位超標(biāo)；重金屬Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni均未超標(biāo)。但是如果參照《GB 15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的自然背景值進行評價，河溪水庫周邊土壤的重金屬Cd濃度超標(biāo)率達到了100%，Hg濃度超標(biāo)率為80%；秋風(fēng)水庫周邊土壤的重金屬Cd濃度超標(biāo)率為87.5%，Hg濃度超標(biāo)率為75%；其他重金屬沒有超標(biāo)。

2.2 飲用水水源地周邊土壤污染指數(shù)評價

從保護飲用水水源地的角度出發(fā)，參照《GB 15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的自然背景值進行評價更安全。河溪水庫和秋風(fēng)水庫周邊土壤單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價結(jié)果見表4。

表4 土壤中典型污染物單項及綜合污染指數(shù)

由表4可知，河溪水庫和秋風(fēng)水庫周邊土壤中重金屬Cd、Hg均超標(biāo)，其中河溪水庫的Cd、Hg平均單項污染指數(shù)分別為7.824、2.097；秋風(fēng)水庫的Cd、Hg平均單項污染指數(shù)分別為2.076、5.068，這說明河溪水庫周邊土壤以重金屬Cd污染為主，而秋風(fēng)水庫周邊土壤以重金屬Hg污染為主。其中河溪水庫周邊土壤的綜合污染指數(shù)平均為5.770，秋風(fēng)水庫周邊土壤的綜合污染指數(shù)平均為3.837，均為重污染，河溪水庫周邊土壤污染更嚴(yán)重。其中河溪水庫周邊土壤輕度污染、中度污染、重污染點位各為2、1、2個，占比分別為40%、20%、40%；秋風(fēng)水庫周邊土壤尚清潔(警戒限)、輕度污染、重污染點位各為2、3、3個，占比分別為25%、37.5%、37.5%。

2.3 飲用水水源地周邊土壤中重金屬源解析

2.3.1 飲用水水源地周邊土壤中重金屬相關(guān)性分析

重金屬之間的相關(guān)性分析見表5，由表5可知，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni相互之間存在聯(lián)系，其中Cd與As、Cd與Pb、Cd與Cr、As與Pb、As與Cr、Pb和Cr、Cr和Zn、Cr和Ni在p=0.01水平上顯著正相關(guān)，Cr和Ni、As和Zn、As和Ni、Pb與Ni、Zn和Ni在p=0.05水平上顯著正相關(guān)。

表5 重金屬之間相關(guān)性分析結(jié)果

2.3.2 飲用水水源地周邊土壤中重金屬主成分分析

重金屬主成分分析結(jié)果見表6，由表6可知，提取了2個主成分，2個主成分累計貢獻率為75.873%，其中第一主成分貢獻率為56.982%、第二主成分貢獻率為18.890%。結(jié)合主成分相關(guān)系數(shù)(表7)可知，第一主成分包含的信息量最大，它的代表為Cd、Pb、Cr，其權(quán)重系數(shù)分別為0.909、0.909、0.975；第二主成分的主要代表為Hg和Cu，其權(quán)重系數(shù)分別為0.897、0.796。

表6 主成分分析結(jié)果

表7 主成分相關(guān)系數(shù)

2.3.3 飲用水水源地周邊土壤中重金屬聚類分析

利用SPSS 26.0軟件將8種重金屬進行聚類分析，將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化到(0,1)范圍，選擇歐式距離法作為距離的測度方法，以離差平方和法進行聚類分析，得到聚類過程見表8，聚類過程共有7階，在第1階，集群1與集群2的距離最近，系數(shù)為0.000，因此，首先聚成一個類型，其余集群依次類推。

表8 重金屬聚類分析

重金屬聚類樹形見表9。8種重金屬可大致歸類，具體如下：Cr、Zn、As、Ni歸為一類，Cd、Pb歸為一類，Hg、Cu各單獨歸為一類。

通過主成分和聚類分析發(fā)現(xiàn)，Cd、Pb既是第一主成分，又歸為一類，而農(nóng)業(yè)土壤中重金屬鎘主要來自施用含鎘肥料主要指磷肥或者農(nóng)用塑料薄膜[6-7]，Pb主要是來自大氣沉降，大氣中的鉛80%來自汽車尾氣[8]，此外城市生活垃圾、固體廢物特別是廢舊電池等堆積于土地上，浸出液含鉛等重金屬元素，滲透進土壤當(dāng)中，導(dǎo)致土壤中Pb含量大大增加[9]。通過相關(guān)性分析，Cr、Zn、As、Ni呈顯著正相關(guān)，而且歸為一類，含量都比較低，這說明土壤Cr、Ni、As、Ni主要來自成巖作用。第二主成分為Hg和Cu，各單獨歸為一類。土壤中的Hg主要來自于煤的燃燒[10-11]，也可能來自于貴嶼電子垃圾拆解過程中產(chǎn)生的Hg蒸氣，這與大氣遷移、干濕沉降等途徑有關(guān)[12]。土壤中的Cu主要來自牲畜糞便[13]，可能與周邊零散分布的畜禽養(yǎng)殖場有關(guān)。

表9 重金屬聚類情況統(tǒng)計

3 結(jié)語

(1) 汕頭市湖庫型飲用水水源地河溪水庫和秋風(fēng)水庫周邊土壤中重金屬Cd、Hg均超標(biāo)，其他重金屬沒有超標(biāo)。

(2) 河溪水庫周邊土壤以重金屬Cd污染為主，而秋風(fēng)水庫周邊土壤以重金屬Hg污染為主。其中河溪水庫周邊土壤的綜合污染指數(shù)平均為5.770，秋風(fēng)水庫周邊土壤的綜合污染指數(shù)平均為3.837，均為重污染，河溪水庫周邊土壤污染更嚴(yán)重。

(3) 結(jié)合相關(guān)性、主成分和聚類分析，Cd、Pb是第一主成分，歸為一類，主要來自施用含鎘肥料和汽車尾氣；Cr、Zn、As、Ni呈顯著正相關(guān)，歸為一類，主要來自土壤成巖作用；Hg和Cu為第二主成分，單獨歸為一類，主要來自于煤的燃燒和牲畜糞便。