長江口重金屬負荷驅動機制研究

郜佳琪,羅家宏，方硯秋

(河海大學 環境科學與工程學院,江蘇 南京 210098)

長江三角洲經濟圈是我國經濟最發達的地區之一，因此，長江口流域也是受人類活動影響最為強烈的地區。強大的陸源徑流每年除帶來巨大的入海水沙和營養物質外，還帶來大量的油類、COD、氨氮、重金屬等有機和無機污染物。據國家海洋局發布的全國海洋環境質量公報顯示，不包括入海排污口排放的重金屬污染物，每年由長江口攜帶入海的重金屬就達2～3萬t。入海重金屬中Cu、Pb是常見的重金屬污染物，當人體內殘存了大量的重金屬之后，急易對身體內的臟器造成負擔，特別是肝和膽，當這兩種器官出現問題后，維持人體內的新陳代謝就會出現紊亂，會導致肝硬化，肝腹水甚至更為嚴重[1-9]。河口中的沉積物是重金屬的匯聚處，重金屬吸附在水中的沉積物中，而后由于懸浮的作用被釋放出來，危害水中生物和人類的健康[10-16]。早在20世紀80年代很多學者都對長江口的重金屬的存在形式和轉移機理進行了研究[17-20]。王百順等學者調查了1984年到2000年長江口溶解態Hg,Pb,Cd 和 Cu 的分布變化，幫助我們在時間和空間兩個維度上分析了長江口重金屬的總體變化和分布特征[21]。

基于小組內其他成員對長江口2004～2016近十年徐六涇、啟東港、東風西沙水源地、石洞口、南港、北港六個水域水相中的Cu、Pb數據，借以運用R/S與Mann-Kendall分析法，定量地分析口水體近十年Cu、Pb的演變趨勢。本文在此基礎之上對長江口負荷驅動機制進行研究。利用Pearson相關性分析找出各重金屬負荷與各驅動要素之間的相關密切程度，建立多元回歸方程確認長江口重金屬負荷與4個負荷驅動因子的量化線性關系。

1 研究區域及監測點分布

長江口是長江在東海入海口的一段水域，是世界上最大的入海口之一。從江蘇江陰鵝鼻嘴起，到入海口的雞骨礁止，長約232kg。長江口平面呈喇叭形，窄口端江面寬度5.8kg，寬口江面寬度90kg。徐六涇以下河槽有分汊，徐六涇以下被崇明島分成南支和北支，南支后被橫沙島和長興島分為南北兩港，南港又由九沙分為南北兩槽，使長江形成四個入海通道[22]。由于長江口的特殊位置，排入其中的污染物會受到徑流和潮流兩股巨大的動力，以及水中泥沙顆粒等多方面因素所影響[23]。長江口水域作為上海的重要水源地，對上海市的經濟發展發揮著重要的作用。因此，長江口的水質情況成為眾人的焦點。

本文將長江口分為七個水域(圖1)，本文的研究水域為A區徐六涇、C區啟東港、D區東風西沙水源地、E區石洞口和F區北港、G區南港6個區域，以分析長江口近岸區域上覆水中的Cu演變情況。A區徐六涇、B區青龍港區、C區啟東港、D區東西風沙水源地、E區石洞口區和F區北港區6個區域，以分析長江口近岸區域上覆水中的Pb演變情況。

本文采用的水質數據為長江水文水資源委員會在長江口水域六個監測站位對重金屬Cu常規監測提供的監測值，監測站位分別為徐六涇斷面、石洞口斷面、南港斷面、北港斷面、吳淞口下23km斷面、啟東港斷面(圖1)。2004年3月到2016年12月的12年間一共進行了516個航次監測。樣品采集以及具體分析方法按照《海洋監測規范(GB17378-1998)[24]。

圖1 長江口研究水域及監測點位分布圖

2 研究方法

2.1 數據來源

農業面源：選取農田土壤中的重金屬含量(Cu、Pb、)作為代表因子進行量化分析。收集整理長江口沿線地區(徐六涇、浮橋、石洞門、南支北支、啟東區域)具有代表性的農田區域土壤重金屬含量數據。生活污水：由于生活污水的多源性及難以確定性，擬選取區域人口分布作為代表因子進行量化分析。收集整理長江口沿線地區的人口數量。工業廢氣排放因子：選取工業廢氣排放后廢棄中的重金屬離子通過干濕沉降進入水體對水體造成污染。收集整理長江口沿線地區的工業廢氣排放數量。工業廢水排放因子：選取工業廢水的重金屬排放量(Cu、Pb)作為代表因子進行量化分析。收集整理長江口沿線排污口總工業重金屬排放量數據 。

2.2 分析方法

將重金屬濃度因子與4種驅動要素(工業廢水排放、農業面源、生活污水、工業廢氣因子)各自進行標準化數據處理后進行相關性分析，從而衡量重金屬負荷與各驅動要素之間的相關密切程度。如上的因子變量都為連續型變量，對重金屬濃度變化與4個驅動要素進行Pearson相關性分析，分析重金屬因子與4個驅動要素之間的相關性。

評判標準為：r值(Pearsoncorrelation)為皮爾遜相關系數。

(1)當r>0表示兩變量正相關，r<0表示兩變量負相關。

(2)當|r|≥0.8時，可以認為兩變量間高度相關；

(3)當0.5≤|r|≤0.8時，可以認為兩變量中度相關；

(4)當0.3≤|r|≤0.5時，可以認為兩變量低度相關；

(5)當0≤|r|≤0.3時，說明相關程度弱，基本上不相關。

由以上操作可得出各個i組皮爾遜相關系數r1i，r2i，r3i，r4i。(i代表不同的研究水域，r1i代表該研究水域下工業廢水排放因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關系數，r2i代表該研究水域下工業廢氣排放因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關系數，r3i代表該研究水域下生活污水因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關系數，r4i代表該研究水域下農業面源因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關系數，通過分析四組皮爾遜相關系數，將4種重金屬負荷驅動因子對重金屬濃度的相關程度按大小排序(各研究水域均進行排序)。

2.3 多元回歸分析

以重金屬濃度為因變量，以工業排放因子、農業面源因子、生活污水因子、干濕沉降因子、生物消耗因子為自變量，建立重金屬濃度與五項因子的多元回歸方程。在這里同樣利用R語言軟件進行五元回歸方程的確認。方程為：yi=b0i+b1ix1i+b2ix2i+b3ix3i+b4ix4i。(i表示不同的研究水域，b0i為該研究水域下方程的常數項，b1i,b2i,b3i,b4i為該研究水域下方程的回歸系數，x1i,x2i,x3i,x4i，分別為為該研究水域下工業廢水排放因子、農業面源因子、生活污水因子、工業廢氣因子，yi即為該研究水域下重金屬濃度因子)。通過建立此五元回歸方程，確認了長江口重金屬負荷與4個負荷驅動因子的量化線性關系。

3 結果分析

由圖2中R語言相關檢驗結果可以看出：A區徐六涇水域Cu濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=0.45兩變量低度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.16兩變量低度相關，與生活污水因子之間r13=-0.16兩變量低度相關，與農業面源因子之間r14=0.62兩變量低度相關。|r14|> |r11|>|r12|=|r13|，A區與重金屬負荷相關性最密切的因子是農業面源因子。

圖2 長江口水域Pb濃度與驅動因子相關性分析結果圖

C區啟東港水域Cu濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=0.31兩變量低度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.69兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.79兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=-0.39兩變量低度相關。|r13|>| r12|>| r14|>| r11|，C區與重金屬負荷相關性最密切的因子是農業面源因子。

D區東風西沙水源地Cu濃度變化與與工業廢水排放因子之間r11=-0.39兩變量低度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.33兩變量低度相關，與農業面源因子之間r13=0.79兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=0.31兩變量低度相關。|r13|>|r11|>|r12|>|r14|，D區與重金屬負荷相關性最密切的因子是農業面源因子。

E區石洞口水域Cu濃度變化與與工業廢水排放因子之間r11=0.45兩變量低度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.53兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.76兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=-0.67兩變量中度相關。|r13|> |r14|> |r12|> |r11|，E區與重金屬負荷相關性最密切的是農業面源因子。

F區北港水域Cu濃度變化與與工業廢水排放因子之間r11=0.73兩變量中度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.63兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.60兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=-0.83兩變量高度相關。|r14|> |r11|> |r12|> |r13|，F區與重金屬負荷相關性最密切的是生活污水因子。

G區南港水域Cu濃度變化與與工業廢水排放因子之間r11=0.82兩變量高度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.73兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.44兩變量低度相關，與生活污水因子之間r14=-0.92兩變量高度相關。|r14|> |r11|> |r12|> |r13|，G區與重金屬負荷相關性最密切的是生活污水因子。

由圖3中R語言相關檢驗結果可以看出：A區徐六涇水域Pb濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=0.26兩變量低度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.58兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.77兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=-0.82兩變量高度相關。|r14|>|r13|>|r12|>|r11|，A區與Pb負荷相關性最密切的是生活污水因子B區青龍港水域Pb濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=-0.51兩變量中度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.44兩變量低度相關，與農業面源因子之間r13=0.31兩變量低度相關，與生活污水因子之間r14=0.96兩變量高度相關。|r14|>|r11|>|r12|>|r13|，B 區與Pb負荷相關性最密切的是生活污水因子。

C區啟東港水域Pb濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=-0.07兩變量基本不相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.53兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.49兩變量低度相關，與生活污水因子之間r14=0.20兩變量基本不相關。|r12|>|r13|>|r14|>|r11|，C 區與Pb負荷相關性最密切的是工業廢氣排放因子。

D區東風西沙水域Pb濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=-0.19兩變量基本不相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.52兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.56兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=-0.51兩變量中度相關。|r13|>|r12|>|r14|>|r11|，D區與Pb負荷相關性最密切的是農業面源因子。

E區石洞口水域Pb濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=0.45兩變量低度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.53兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=0.76兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=-0.67兩變量中度相關。|r13|>|r14|>|r12|>|r11|，E區與Pb負荷相關性最密切的是農業面源因子。

F區北港水域Pb濃度變化與工業廢水排放因子之間r11=0.55兩變量中度相關，與工業廢氣排放因子之間r12=-0.55兩變量中度相關，與農業面源因子之間r13=-0.02兩變量中度相關，與生活污水因子之間r14=-0.69兩變量中度相關。|r14|>|r12|=|r11|>|r13|，F區與Pb負荷相關性最密切的是生活污水因子。

圖3 長江口水域Cu濃度與驅動因子相關性分析結果圖

由相關性分析可以看出，重金屬負荷與各驅動因子之間相關性密切程度均不是很高，推測重金屬負荷是各驅動因子共同作用的結果。為進一步確認長江口重金屬負荷與4個負荷驅動因子的量化線性關系。找出與長江口重金屬負荷關系最密切的因子，利用R語言軟件進行多元回歸方程的確認。得到各多元回歸方程及其散點矩陣圖(圖4、圖5)。

Pb多元回歸方程：

A區徐六涇水域：y=-0.06145+0.338134x1-0.05794x2-0.79059x3+0.118796x4

B區青龍港水域：y=9.59×10-9+0.090952x1-0.03416x2+0.943336x3+0.204763x4

C區啟東水域：y=1.93×10-8-0.505879x1-0.49047x2+0.697419x3+0.684995x4

D區東風西沙水域：y=0.150775+0.292593x1+0.319948x2-0.97111x3+0.215248x4

E區石洞口水域：y=-1.20×10-8+0.4309235x1-0.113853x2-0.862486x3+0.49001x4

F區北港水域：y=1.46×10-8+1.19757x1-0.28677x2-2.05891x3-0.36158x4

圖4 Pb多元回歸矩陣散點圖

A區徐六涇水域：y=1.28×10-10+0.166415x1+0.094243x2+0.228675x3+0.793053x4

C區啟東水域：y=8.52×10-9+0.62908x1+-0.92545x2+0.016877x3+0.004182x4

D區東風西沙水域：y=1.7×10-8-0.20997x1-0.07252x2+0.0313x3+0.732928x4

E區石洞口水域：y=-1.2×10-8+0.430923x1-0.11385x2-0.86249x3+0.49001x4

F區北港水域：y=-1.8×10-9-0.04837x1+0.167091x2-0.59395x3+0.539831x4

G區南港水域：y=1.48×10-9+0.214813x1+0.153157x2-0.96014x3+0.306127x4

圖5 Cu多元回歸矩陣散點圖

4 結論

通過A區、B區、C區、D區、E區、F區六個研究水域的監測數據，以及利用皮爾遜相關性分析確認各因子與各水域Pb、Cu濃度變化趨勢的相關性，通過建立多元回歸方程確認長江口重金屬濃度變化與各因子間量化線性關系，可以得出以下結論：

(1)總體而言，近十年來長江口水域附近：工業廢水排放量逐年增加，但工業廢水排放因子與重金屬濃度變化相關性逐年降低至負相關，說明工業廢水重金屬排放治理效果顯著。(2)工業廢氣排放量逐年上升，工業廢氣排放因子與重金屬濃度變化相關性逐漸下降并趨于穩定呈負相關，說明工業廢氣重金屬排放治理效果顯著。(3)農業播種面積逐年減少，但農業面源因子與重金屬濃度變化總體呈正相關且相關性較高，說明農業污染治理有待提高，具體可表現為農業化肥使用量逐年上升，可導致農業播種地區地下水重金屬含量上升，水流入江后導致長江口水域重金屬含量增加。(4)長江口水域附近城鎮常駐人口總數逐年上升，生活污水因子與重金屬濃度變化呈正相關且相關性較高，說明向長江排放的生活污水中重金屬濃度含量較高。(5)通過對長江口重金屬濃度與各因子間量化線性分析，發現農業污染與生活污水污染仍然嚴重，應注意對長江口地區生活污水排放和農業化肥使用進行合理管控。