寧夏引黃灌區排水溝重金屬分布特征及風險評估

李延林，鄭 燦，邱小琮，尹 亮，楊子超

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏大學生命科學學院，銀川 750021)

近年來，隨著工業化和城市化進程的加快，大量水域被重金屬污染。人類活動排放的重金屬通過多種方式進入水體，被水中懸浮顆粒物和底部沉積物所吸附，并在其中富集，最終主要儲存于水體沉積物中[1]。重金屬具有不能被微生物降解、潛伏期長、毒性大、難去除、易富集的特征，水體中的重金屬被生物體吸收、富集之后可沿食物鏈傳遞，放大富集進入人體，危害人身體健康[2]。然而在人類活動、降雨、生物擾動、水環境化學條件變化等因素的影響下，沉積物中的重金屬又被釋放到水體中，造成水體的二次污染[3]。因此，研究水體中重金屬的含量及分布特征是十分必要的，可為研究區域的重金屬污染狀況提供第一手的數據資料，有利于開展區域性重金屬污染防治工作。

農業生產中農藥、劣質化肥等的不合理使用是重金屬的重要來源[5]，殘留在土壤中的農藥、化肥等污染物及所含的重金屬在地表水、降水沖刷淋溶等作用下被運輸到河流中引起污染[6]；化工、鋼鐵等企業生產過程中產生的“三廢”中含有Hg、Pb、Cu、Zn、As、Cd、Cr等重金屬會對環境造成污染[7]；城市污水中除含有大量的有機物外，還有Pb、Zn、Cd、Cr等重金屬，污水不處理或處理不完整直接排入河流會增加水體和沉積物中重金屬的濃度[6,8]。張晴雯[9]等分析了寧夏黃灌區濕地沉積物剖面中TOC、TN、TP、Zn、Cu含量的垂向分布特征，并與濕地周圍農田、排水溝和豬場排污口沉積物相應層次元素的含量進行了比較。朱嵬[10]等調查了寧夏黃河流域9個濕地底泥中重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)的含量與富集情況，并濕地底泥中重金屬的富集系數和生態危害系數以及各采樣點的生態危害指數進行探討。夏修杰[11]等為了解黃河中下游河道淤積泥沙重金屬污染狀況，沿河道采集15 個深層淤積泥沙樣本，對樣本中的Pb、Cu、Cd、Hg、Zn、Ni、Cr共7種重金屬和As 的含量進行了檢測，選擇單因子質量指數法和地累積指數法開展了評價。

黃河寧夏段位于中衛下沿河至石嘴山二水文站之間，沿黃河兩岸地形呈“J”型帶狀分布，該段是黃河上游主要的灌溉用水和水污染嚴重的河段之一。引黃灌區涉及青銅峽市、永寧縣、銀川市、賀蘭縣、平羅縣、惠農縣、石嘴山市、中衛縣、中寧縣、吳忠市、靈武市等11個縣(市)和20多個國營農、林、牧場，年均引黃河水70 億m3，其中農業用水占93%～95%，年退入黃河水量25 億m3左右。在黃河寧夏段自流灌區內部，有大小排水溝近200條，主要排水干溝32條，排水總量約25 億m3[12]。近幾年來，引黃灌區排水溝不僅接納農田退水，同時，大量的生活污水及工業廢水等排入排水溝，使入黃排水溝的水環境質量呈逐年惡化趨勢。胡宜剛[13]等研究了寧蒙引黃灌區農田排水溝渠水質特征，發現寧蒙引黃灌區農田排水污染以氮含量超標為主，尤其以農溝和干溝為主，而磷濃度較低，基本不造成污染；劉國強[12]等對寧夏引黃灌區農田退水污染現狀進行分析，結果表明化肥與規模養殖是灌區水體TN(總氮)和TP(總磷)的主要污染源，工業廢水和城市生活污水對水體質量仍然具有重要影響；黃仲冬[13]等對寧夏引黃灌區典型區域農田水質特征進行研究，結果顯示農田退水中銨態氮和總磷的濃度均超過《地表水環境質量標準》，分別屬于中度污染和重度污染。目前已有的研究主要集中在引黃灌區排水溝農田退水中TN和TP等的研究，對引黃灌區排水溝重金屬的研究較少。基于此，本研究在搜集引黃灌區各排水溝2011-2015年重金屬因子指標基礎上，采用主成分分析法分析影響排水溝水質的主要重金屬，采用內梅羅綜合污染指數法進行重金屬污染風險評估，對寧夏引黃灌區各排水溝內梅羅綜合污染指數與社會經濟指標灰關聯法分析，確定影響各排水溝的社會經濟指標，旨在為寧夏引黃灌區排水溝重金屬污染綜合整治提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據采集

寧夏引黃灌區排水溝重金屬檢測數據取自《寧夏回族自治區環境狀況公報》，包括中衛第四排水溝、吳忠南干溝、銀川靈武溝、吳忠清水溝、銀川銀新干溝、銀川四二干溝及石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口7條排水溝。按照引黃灌區排水溝在寧夏回族自治區的位置，分別收集中衛市、吳忠市、銀川市、石嘴山市的各項社會經濟指標的原始數據，數據來源于2011-2015年《寧夏回族自治區統計年鑒》和《寧夏回族自治區水資源公報》。

1.2 污染風險評價方法

1.2.1 主成分分析法

主成分分析法是一種將多因子納入同一系統進行分析，從而找出關鍵影響因子的一種統計分析方法。主成分分析法應用于水環境因子分析主要有兩方面：一是構建綜合評價指標體系，評價水質的污染程度，并進行分級；二是評價各單項指標的作用，從中選取主要指標，確定影響水質的主要因子[14]。

1.2.2 灰關聯法

灰關聯法就是以各排水溝內梅羅綜合污染指數為母序列，影響因子為子序列，計算各排水溝內梅羅綜合污染指數與影響因子的關聯度，根據關聯度的大小確定影響因子的作用大小[15,16]。

1.2.3 內梅羅綜合污染指數法

水體中往往是多種重金屬同時存在的，內梅羅綜合污染指數法不僅能夠反映水體重金屬污染現狀，還可以根據各種重金屬對復合污染的不同貢獻甄別出主要污染物，是水體重金屬污染評價的常用方法[17,18]。其計算方法為：

單因子污染指數：

Pi=Ci/Si

(1)

多因子綜合污染指數：

(2)

式中：Ci為重金屬i的實測濃度；Si為相應的水質指標，寧夏引黃灌區排水溝的水質目標為Ⅳ類水，因灌區的水要排放到黃河，故采用GB 3838-2002 中Ⅲ類水質標準作為參比標準[19]；max(Pi)為重金屬單因子污染指數的最大值；ave(Pi)為各金屬單因子污染指數的平均值。

單因子污染指數和多因子污染指數的評價標準如表1所示[20]。

2 結果與分析

2.1 寧夏引黃灌區排水溝重金屬時空分布特征

將寧夏引黃灌區7條排水溝Hg等8種重金屬濃度的平均值與我國地表水環境質量標準(GB 3838-2002)中的Ⅴ類水質標準進行對比，Hg等8種重金屬濃度的平均值均未超過地表水Ⅴ類水質量標準。圖1～圖8為寧夏引黃灌區7條排水溝中Hg等8種重金屬濃度平均值在2011-2015年內變化曲線。

圖1 重金屬Hg時空分布Fig.1 Temporal and spatial distribution of heavy metal Hg

圖2 重金屬Pb時空分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of heavy metal Pb

圖3 重金屬Se時空分布Fig.3 Temporal and spatial distribution of heavy metal Se

圖4 重金屬Zn時空分布Fig.4 Temporal and spatial distribution of heavy metal Zn

圖5 重金屬As時空分布Fig.5 Temporal and spatial distribution of heavy metal As

圖6 重金屬Cd時空分布Fig.6 Temporal and spatial distribution of heavy metal Cd

圖7 重金屬Cu時空分布Fig.7 Temporal and spatial distribution of heavy metal Cu

中衛第四排水溝、銀川銀新干溝、銀川四二干溝和石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口、Hg濃度平均值在2011-2015年總體變化趨勢較平穩，無明顯的變化；吳忠南干溝和銀川靈武溝Hg濃度平均值在2011-2015年內變化幅度較大，均在2012年達到最高；吳忠清水溝Hg濃度平均值在2011-2013年逐漸升高，并在2013年達到最高，2013-2015年逐漸降低。

中衛第四排水溝Pb濃度平均值在2011-2015年保持不變；石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口Pb濃度平均值在2011-2015年內變化幅度較大，2011-2012年降低，2012-2013升高，2013-2015年呈逐漸降低趨勢；其余各排水溝Pb濃度平均值在2011-2105年呈逐漸降低趨勢。

中衛第四排水溝和吳忠清水溝Se濃度平均值在2011-2015年保持不變；銀川銀新干溝和石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口Se濃度平均值在2001-2015年逐漸降低；其余各排水溝Se濃度平均值在2011-2015年變化趨勢較平穩，無明顯的變化。

吳忠清水溝和吳忠南干溝Zn濃度平均值2011-2015年保持不變；銀川靈武溝Zn濃度平均值在2011-2014年變化趨勢平穩，2014-2015年突然升高；中衛第四排水溝和銀川銀新干溝Zn濃度平均值2011-2015年變化幅度較大，中衛第四排水溝Zn濃度平均值在2013年達到最高，銀川銀新干溝Zn濃度平均值2015年最高；銀川四二干溝在2011-2015年總體上呈逐漸升高趨勢；石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口Zn濃度平均值2011-2015年總體上呈下降趨勢。

中衛第四排水溝As濃度平均值在2011-2013年變化趨勢平穩，2013-2015年呈降低趨勢；吳忠南干溝 As濃度平均值在2011-2013年逐年升高趨勢，2013-2015年逐漸降低；銀川靈武溝和銀川四二干溝As濃度平均值2011-2015年變化幅度較大，均在2013年達到最高；吳忠清水溝As濃度平均值2011-2015年總體上呈上升趨勢；銀川銀新干溝和石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口As濃度平均值2011-2015年呈逐漸降低趨勢。中衛第四排水溝、吳忠南干溝和吳忠清水溝Cd濃度平均值在2011-2013年逐年降低，2013-2015年保持不變；石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口Cd濃度平均值在2011-2015年保持不變；其余各排水溝Cd濃度平均值在2011-2015年變化趨勢較平穩。

中衛第四排水溝、吳忠南干溝和吳忠清水溝Cu濃度平均值在2011-2015年保持不變；銀川靈武溝和銀川四二干溝Cu濃度平均值2011-2014年變化幅度較小，2014-2015年突然上升；銀川銀新干溝Cu濃度平均值在2011-2015年變化幅度大，在2015年達到最高；石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口Cu濃度平均值在2011-2015年變化不大。

中衛第四排水溝和吳忠清水溝Cr濃度平均值在2011-2015年保持不變；吳忠南干溝、銀川靈武溝、銀川銀新干溝和銀川四二干溝在2011-2015年變化不大；石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口Cr濃度平均值在2011-2015年變化幅度不大，2014-2015年突然降低。

2.2 基于主成分分析法的寧夏引黃灌區排水溝重金屬分析

應用DPS數據處理系統對寧夏引黃灌區排水溝重金屬進行主成分分析，運用方差最大正交旋轉法對因子載荷矩陣進行旋轉,按照85%的累積方差貢獻率提取主成分,然后選擇旋轉后載荷值大于0.6的指標作為主要因子進行分析[14,21,22]。各因子的主成分得分值與對應的方差貢獻率乘積的和即為各因子的綜合得分[23],計算各重金屬因子的綜合得分，按照分值大小排序，確定影響寧夏引黃灌區各排水溝的主要重金屬因子。

對各排水溝重金屬進行主成分分析，結果見表2，計算各排水溝第一主成分重金屬因子的綜合得分，得到影響中衛第四排水溝水質主要重金屬因子為Cd、Pb；影響吳忠南干溝水質主要重金屬因子為Pb、Cu；影響銀川靈武溝水質主要重金屬因子為Hg、Zn；影響吳忠清水溝水質主要重金屬因子為As、Zn；影響銀川銀新干溝水質主要重金屬因子為Cu、As；影響銀川四二干溝水質主要重金屬因子為Zn、As；影響石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口水質主要重金屬因子為Pb、Cr。

表2 各排水溝主成分分析結果Tab.2 Principal component analysis results of each drainage ditch

2.3 基于內梅羅綜合污染指數寧夏引黃灌區排水溝污染評價

2.3.1 內梅羅綜合污染指數

計算寧夏引黃灌區2011-2015年排水溝中8種重金屬的綜合污染指數，結果如圖9所示。從各排水溝的Pn值來看，中衛第四排水溝污染等級在2011年處于警戒線，2012-2015年污染整體處于尚清潔水平；吳忠南干溝污染等級在2012年、2013年和2014年達到警戒線，其余各年污染處于安全等級；吳忠清水溝污染等級在2013年達到輕度污染，其余各年污染水平處于尚清潔，但2012年和2014年Pn值分別為0.57和0.5污染等級接近警戒線；銀川靈武溝2011-2015年污染整體處于清潔水平，但2011年、2012年和2013年的Pn值分別為0.5、0.5和0.64接近警戒線等級；銀川銀新干溝和銀川四二干溝在2011-2015年污染整體處于清潔水平；石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口在2011年的Pn=0.58接近警戒線等級，其余各年均污染整體處于清潔水平。

圖9 寧夏引黃灌區2011-2015年排水溝重金屬的綜合污染指數Fig.9 Comprehensive pollution index of heavy metals in drainage ditch in ningxia irrigation district of Yellow River diversion from 2011-2015

2.3.2 各排水溝內梅羅綜合污染指數與社會經濟指標的灰關聯分析

選取各市農業耗水總量、農用化肥使用量、農業總產值、工業總產值、工業廢水排放總量和城鎮生活污水排放總量社會經濟指標，用DPS進行各排水溝綜合污染指數與社會經濟指標灰關聯分析，分析結果見表3。

影響中衛第四排水溝水質的主要重金屬是Cd、Cr，與內梅羅綜合污染指數關聯度高的是工業廢水排放總量、農業總產值、城鎮生活污水排放量，污染等級在2011年處于警戒線，2012-2015年污染整體處于尚清潔水平，主要由于對工業廢水排放總量進行了控制，強化對重點行業、重點企業主要污染物控制；影響吳忠南干溝水質的主要重金屬是Pb、Cu，與內梅羅綜合污染指數關聯度高的是城鎮生活污水排放量、工業總產值、農業耗水量，在2011-2013年水質惡化，主要由于排入吳忠

表3 各排水溝綜合污染指數主要影響因子Tab.3 Main influence factors of comprehensive pollution index of each drainage ditch

南干溝的工業廢水和城鎮生活污水增多，工業廢水排放總量和城鎮生活污水排放量增加，導致吳忠南干溝水質惡化；影響吳忠清水溝主要重金屬是As、Zn，內梅羅綜合污染指數關聯度高的是工業廢水排放總量、農用化肥施用量、城鎮生活污水排放量，在2011-2014年水質惡化，主要由于排入吳忠南干溝和吳忠清水溝的工業廢水和城鎮生活污水增多，工業廢水排放總量和城鎮生活污水排放量增加，導致吳忠清水溝水質惡化；影響銀川靈武溝水質的主要重金屬是Hg、Zn，內梅羅綜合污染指數關聯度高的是農業耗水量、工業廢水排放總量、農用化肥施用；銀川銀新干溝水質的主要重金屬是Cu、As，內梅羅綜合污染指數關聯度高的是農業總產值、城鎮生活污水排放量、農業耗水量；銀川四二干溝水質的主要重金屬是Zn、As，內梅羅綜合污染指數關聯度高的是工業廢水排放總量、農用化肥施用量、農業耗水量；銀川靈武溝在2011-2013年水質相對較差、銀川四二干溝和銀川銀新干溝在2011年水質較差，主要是由于排入銀川靈武溝、銀川四二干溝和銀川銀新干溝的工業廢水總量和農田退水量增多，隨后水質逐漸改善是由于減少了排入排水溝的工業廢水量、城鎮生活污水量和化肥使用量，使農業面源污染和工業點源污染減輕；影響石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口水質的主要重金屬是Pb、Cr，與內梅羅綜合污染指數關聯度高的主要影響因子依次為農業耗水量、工業總產值、城鎮生活污水排放量，2011年污染等級接近警戒線，各年均污染整體處于清潔水平，2011-2015年石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口水質改善是由于對工業廢水排放總量進行了控制，強化對重點行業、重點企業主要污染物控制，同時減少了農田退水量和化肥使用量。

3 結 語

(1)2011-2015年寧夏引黃灌區7條排水溝中8種重金屬含量的平均值均低于地表水環境質量標準(GB3838-2002)中Ⅴ類水質標準，7條排水溝重金屬濃度平均值整體上在2011-2015年內變化幅度不大。

(2)運用主成分分析法研究確定影響寧夏引黃灌區各排水溝水質的主要重金屬，分析表明，影響中衛第四排水溝水質的主要重金屬是Cd、Cr；影響吳忠南干溝水質的主要重金屬是Pb、Cu；影響銀川靈武溝水質的主要重金屬是Hg、Zn；影響吳忠清水溝水質的主要重金屬是As、Zn；影響銀川銀新干溝水質的主要重金屬是Cu、As；影響銀川四二干溝水質的主要重金屬是Zn、As；影響石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口水質的主要重金屬是Pb、Cr。

(3)用內梅羅綜合污染指數法評價寧夏引黃灌區排水溝污染評，結果表明中衛第四排水溝污染等級在2011年處于警戒線，2012-2015年污染整體處于尚清潔水平；吳忠南干溝污染等級在2012年、2013年和2014年達到警戒線，其余各年污染處于安全等級；吳忠清水溝污染等級在2013年達到輕度污染，其余各年污染水平處于尚清潔，但2012年和2014年Pn值分別為0.57和0.5污染等級接近警戒線；銀川靈武溝2011-2015年污染整體處于清潔水平，但2011年、2012年和2013年的Pn值分別為0.5、0.5和0.64接近警戒線等級；銀川銀新干溝和銀川四二干溝在2011-2015年污染整體處于清潔水平；石嘴山第三、五排水溝匯合后入黃口在2011年的Pn=0.58接近警戒線等級，其余各年均污染整體處于清潔水平。