鄱陽湖重要支流重金屬污染特征及環境風險

何亞卓 徐哲婷 于濤 潘濤 華敘榮 楊明航

（1 東華理工大學 江西省質譜科學與儀器重點實驗室 江西南昌 330013 2 東華理工大學 核科學與工程學院 江西南昌 330013）

重金屬因其具有毒性、持久性和非降解性等特征，引起了學術界、政府和公眾的廣泛關注［1］。重金屬進入鄱陽湖水體后，因其不可降解性不能被水體自身凈化而成為二次污染源，再次污染地下水［2-5］，因此，對鄱陽湖水質進行重金屬污染評價顯得尤為重要。近年來，學者對鄱陽湖污染情況的研究集中在沉積物污染方面。如伍恒赟等［6］對鄱陽湖沉積物重金屬空間分布特征進行了分析，評價其潛在生態風險，并探討了主要重金屬的污染來源；Luo 等［7］采用FAAS 法對鄱陽湖6 個分支的沉積物的重金屬含量進行了檢測，結果表明Cu 的平均提取含量最高；Lu 等［8］研究了鄱陽湖沉積物中有機氯農藥（OCPs）和16 種優先多環芳烴（PAHs）的濃度，鑒定了幾種PAH 代謝物，并提出了可能的降解途徑。進入表層水體中的重金屬含量雖然低于沉積物中重金屬的含量，但其具有生物富集和放大效應，即使微量存在也可對生物產生一定的毒性，最終通過食物鏈對人體健康造成嚴重威脅［9-12］。因此，迫切需要開展水環境安全風險評估，建立水環境安全評價參數和標準，并鼓勵人們采取相應的措施和策略，以降低水污染的風險［13］。

本文以鄱陽湖重要支流豐水期表層水為研究對象，對鄱陽湖贛江和撫河地表水中的重金屬（Zn、Pb、Hg、Cu、Cr 和As）含量進行測定并對重金屬的污染水平進行評價。進一步探明兩大支流水污染類型、污染程度、原因及其差異性，為鄱陽湖表層水中重金屬污染的治理提供科學依據。

1 研究區域

鄱陽湖位于江西省北部長江中下游的南部，地理位置從28.37°N 到29.75°N，115.78°E 到116.75°E，是中國最大的淡水湖，其總水面積約為3 583 km2，集水面積為16.22 萬km2。鄱陽湖是一個季節性湖泊，干旱和雨季之間的水位變化很大。水文觀測站記錄的湖泊歷史最大深度為22.59 m，平均深度為10.20 m。鄱陽湖流域屬亞熱帶季風氣候，平均氣溫16.5 ℃～17.8 ℃，平均降水量1 542 mm。

鄱陽湖流域水系眾多，流域面積涉及的范圍南北長約620 km，東西寬約490 km，主要由贛江、撫河、信江、饒河、修水五大河流及各級支流，加上青峰山溪、博陽河、樟田河、潼津河等獨流入湖的小河和鄱陽湖組成。贛江是鄱陽湖五河之首，發源于石城縣石寮崠，由南至北貫穿江西省全境，流經南昌市匯入鄱陽湖，全長766 km，流域面積83 500 km2，占鄱陽湖流域面積的51.5%。撫河位于江西省東部，發源于廣昌縣，全長312 km，流域面積15 811 km2，為沿河兩岸居民提供農業灌溉水、生活用水和發電等。

2 實驗部分

2.1 樣品采集

2020 年7 月（豐水期）采集了鄱陽湖贛江和撫河0.5 m 以下處共樣品23 個。采樣點由全球定位系統（GPS）定位，河流上游到下游的采樣點設置如圖1 所示。樣品采集帶回實驗室酸化保存，用0.45 μm 微孔濾膜過濾，存儲于聚乙烯塑料瓶中4℃保存待用。

圖1 鄱陽湖重要支流沿程采樣點分布

2.2 測試方法

樣品消解方法參照國標GB/T 5750.6—2006。Pb、Zn、Cu 和Cr 采用電感耦合等離子體發射光譜法（ICAP 7400/YQ-031），Hg、As 采用原子熒光光譜儀（AFS 200S/YQ-017）。Zn、Cu、Pb、Cr、Hg 和As 的檢出限分別為1.0 μg/L、0.1 μg/L、0.1 μg/L、0.1 μg/L、0.001 μg/L、0.3 μg/L，所有元素3 次平行測樣的相對標準偏差（RSD）均少于10%。

2.3 數據分析與統計

使用統計軟件包SPSS 16.0 進行重金屬含量的描述性統計分析和相關性分析，使用ArcGIS10.5 制作采樣點分布圖，其他數據處理使用Microsoft Excel 進行。

2.4 評價方法

（1）單因子污染指數法。當水質指數的標準指數小于或等于1 時，表明水體評價中水質指數的濃度符合水環境標準的要求。單因子污染指數如公式（1）：

式中：Pi為地表水中重金屬的單因子指數；Ci為地表水中單重金屬的實測濃度；Si為地表水中重金屬的評價標準；Si采用《中華人民共和國地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅰ類水域標準為背景值。

（2）內梅羅綜合污染指數法。在水質評價中，雖然一些污染物的濃度超過了環境標準，但該指數的平均值并未超過標準。內梅羅綜合污染指數法是一種兼顧極值和平均值的計權型多因子評價指數。該方法可以表示為［14］：

式中：RI 是各種綜合污染指數的指數；Max 是一種重金屬的最大濃度值；i 是重金屬的種類；Ci是地表水中重金屬的實測濃度；Si是地表水中重金屬的評價標準；n 是參與重金屬評估的污染物總數。根據RI 的大小，將污染等級劃分為5 個等級，即清潔（RI＜1）、輕污染（1≤RI＜2）、污染（2≤RI＜3）、重污染（3≤RI＜5）、嚴重污染（RI≥5）［14］。

3 結果與討論

3.1 重金屬含量水平

利用SPSS 和Excel 軟件對研究區23 個樣品的重金屬含量進行基本統計特征分析，分析結果見表1。

重金屬含量如表1 所示。本研究采用中華人民共和國地表水環境質量標準作為參考值。從表1 可知鄱陽湖地表河流水中重金屬Pb、Cu、Zn、As、Cr 的平均含量分別為3.579 μg/L、8.684 μg/L、33.496 μg/L、16.233 μg/L、1.687 μg/L，重金屬濃度由高到低的順序為：Zn＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg，每個樣點各重金屬元素含量的平均值均低于鄱陽湖當地的參考背景值。Pb、Cu、Zn 的平均含量均為贛江高于撫河，分別為撫河地表水對應重金屬含量的1.321 倍、1.149 倍、1.365 倍。這可能是因為贛江位于任坊沙場附近，周圍存在較多機械廠和化工廠，使該河段水體中金屬含量偏高。變異系數可反映人為活動對重金屬含量的影響，變異系數越大，表明受人為活動干擾越強烈。根據Wilding 對變異系數的分類［15］，贛江地表水中Pb 和Cr（變異系數為43.3%和39.8%）為高度變異（CV＞36%），Cu、Zn 和As（變異系數為29.6%、21.3%和21.4%）為中等變異（15%＜CV＜36%）；撫河地表水中Zn 和Cr（變異系數為43.6%和53.5%）為高度變異，Pb、Cu 和As（變異系數為28.7%、33.5%和24.2%）為中等變異。特別是撫河地表水中Cr 的變異系數遠遠超過其他金屬元素，說明Cr 的分布較不均勻，可能受人為源的控制。通過P 值可知，贛江與撫河地表水中重金屬元素Zn 存在顯著性差異（P＜0.05），而Pb、Cu、As 與Cr 不存在顯著性差異，這個可能與贛江周邊企業污染物的排放有關。

3.2 重金屬含量及分布特征

鄱陽湖贛江和撫河支流水體中重金屬濃度沿程變化如圖2 及圖3 所示。

由圖2 可以看出，贛江支流中，Cu、As 和Cr 濃度沿程變化較為相似，上游變化較為平穩，在G8 處出現最高值，隨后下降趨于穩定；Pb 在整個流域內濃度較低且變化較小，在中上游的G5 處出現最高值；Zn 濃度沿程波動較大，最高值出現在中上游的G5 處。由贛江中重金屬沿程變化可知，5 種重金屬濃度最高值均出現在中上游及中游區域，經過現場調查發現，該流域范圍內具有大量的工業企業。

表1 鄱陽湖重要支流表層水中重金屬含量及水質指標值

圖2 鄱陽湖贛江支流重金屬含量沿程變化

圖3 鄱陽湖撫河支流重金屬含量沿程變化

由圖3 分析可得，撫河支流沿程中，Pb、Cu、As 和Cr 濃度沿程變化較為相似，Pb、Cu 和As 濃度最高值出現在F2 處，Cr濃度最高值出現在F3 處，隨后逐漸下降并保持在穩定的濃度狀態；Zn 濃度沿程波動較為明顯，在上游變化程度較大，在F4處采樣點達到最高值。中上游區域重金屬濃度明顯高于上游，且在河道拐彎處支流與干流交匯處重金屬濃度較高。

綜合可得，贛江表層水中重金屬沿程變化特征與撫河中重金屬較為相似。相對于撫河而言，贛江流域地表水為農業灌溉用水、工業用水、生活用水主要來源，分布較多企業，重金屬含量相對高于撫河流域。

3.3 重金屬污染評價結果

利用重金屬單因子污染指數評價法和內梅羅綜合污染指數法計算得到鄱陽湖贛江和撫河表層水中重金屬的污染指數，結果見表2，Hg 未檢出。由表2 可知，鄱陽湖贛江和撫河支流所測點重金屬的Pi 為0.108～1.681，重金屬單因子平均污染程度由高到低的順序為：Cu＞Zn＞Pb＞As＞Cr，5 種重金屬除Cu外在各個采樣點的Pi 值均小于1，達到國家一級標準，表明其他重金屬在各個采樣點上無污染。Cu 的單因子污染指數在G8、G9、F1 和F2 采樣點處在1.000～2.000，屬于輕微污染。

從內梅羅污染指數來看，整個采樣點的RI 介于0.636～1.674 之間。G8 采樣點的污染程度較高，RI 值達到了1.674。采樣點G5～G8、G11～G13、F1～F4 的RI 在1.000～2.000 之間，屬于輕污染，其余采樣點無污染。主要污染區位于南昌清湖村（G5），西湖區（G9 和G8），撫州湖南鄉（F1 和F2）。南昌市是一個大型的工業化城市，重金屬的污染主要來源于人類活動，包括城市化、工業化、工業廢物的沉積等。清湖村附近有多家砂場，砂場廢水中含有Pb、Zn，故推測Pb、Zn 可能為砂場處理過后的水流入到贛江中。撫河湖南鄉主要有多家電力器材廠和建材廠，電力器材廠和建材廠生產的廢水中含有Cu，推斷Cu含量受工業廢水排放影響。

表2 鄱陽湖重要支流表層水中重金屬環境風險評價結果

3.4 重金屬元素間的相關性

各重金屬元素之間相關性與元素的性質、吸附特性和污染源有關。一般情況下，元素相關性越顯著越有可能具有同一污染源，反之則受到不同污染源的作用［16］。為揭示主要地表河流水中重金屬的分布及遷移特征，采用Pearson 相關性分析探討鄱陽湖贛江和撫河支流中樣品的重金屬Pb、Cu、Zn、As、Cr來源一致性，見表3 所示。重金屬中Cu 和As、Cu 和Cr、As 和Cr 濃度之間呈極顯著相關（P＜0.01），相關系數分別為0.777、0.527 和0.771，Pb 和Zn 呈顯著相關（P＜0.05），相關系數為0.488，說明它們之間濃度變化規律相似，這可能與地球化學性質有關，表明它們可能具有相同的來源。

表3 鄱陽湖重要支流中表層水重金屬的相關性

贛江與撫河各地表水中5 種重金屬元素相關性分析結果如表4 所示。贛江表層水中重金屬Cu、As、Cr 濃度兩兩之間均呈極顯著正相關（P＜0.01），Cu 和As、Cu 和Cr、As 和Cr 其相關系數分別為0.881、0.679 和0.706，表明它們具有相似的地球化學行為，具有一定的同源性。撫河地表水中As 與Cu、Cr 濃度之間呈極顯著正相關（P＜0.01），其相關系數分別為0.848、0.816，Pb 與Cu、As 和Cr 濃度之間呈顯著正相關（P＜0.05），其相關系數分別為0.695、0.703 和0.647，從地球化學的角度看，這些金屬具有相似的地球化學行為，具有一定的同源規律，而其他重金屬之間不存在顯著的相關性。

表4 贛江和撫河中表層水重金屬的相關性

3.5 重金屬元素主成分分析

通過主成分分析可以有效判別重金屬元素的污染來源［17］。通過前述相關性分析，發現大部分重金屬元素之間具有顯著的相關性。本文利用SPSS 16.0 軟件對贛江和撫河中重金屬進行主成分分析，確定贛江和撫河地表水中重金屬的來源。得到KMO 檢驗值為0.558，Bartlett 球型檢驗相伴概率為0.000，小于顯著性關系0.05，因此各重金屬元素間相關性較強，適合做因子分析。贛江和撫河中表層水重金屬主成分分析結果見表5，根據特征值大于1 的原則，篩選出2 個成分，共解釋了77.894%的原有信息，這說明對前2 個主成分進行分析即可得到Pb、Cu、Zn、As、Cr 這5 種重金屬含量數據的大部分信息。在進行污染來源分析時，來自同一污染源的污染物之間一般存在一定的相關性，反映的信息具有一定的重疊［18］。

由表6 可知，鄱陽湖贛江和撫河支流地表水中5 種重金屬主要由2 個主成分構成，2 個主成分累計貢獻率為77.894%，貢獻率分別為51.268%、26.626%。結合主成分相關系數（表3）可知，第一主成分為As、Cu 和Cr，其權重系數分別為0.925、0.847、0.796；第二主成分為Pb 和Zn，其權重系數分別為0.774、0.729。

鄱陽湖重要支流中重金屬元素主成分載荷見圖4。

圖4 中重金屬間的距離反映了重金屬元素含量間的相關性，Pb 和Zn，As、Cu 和Cr 之間的距離較近，顯示出較強的相關性。再次表明Pb 和Zn 之間具有一定的同源性，As、Cu 和Cr之間具有一定的同源性，而與Pb 和Zn 顯示出較強的異源性。

表5 鄱陽湖重要支流中重金屬主成分分析結果

贛江和撫河中重金屬主成分分析結果見表7。

表6 鄱陽湖重要支流中重金屬含量主成分分析成分矩陣

表7 贛江和撫河中重金屬主成分分析結果

圖4 鄱陽湖重要支流中重金屬元素主成分載荷

由表7 可知，贛江地表水中重金屬主要由2 個主成分構成，2 個主成分累計貢獻率為80.35%，貢獻率分別為50.88%、29.47%。重金屬As、Cu、Cr 的含量在第一主成分上載荷較高，主要反映了As、Cu、Cr 的富集信息；重金屬Pb、Zn 的含量在第二主成分上載荷較高，主要反映了Pb、Zn 的富集信息。撫河地表水中重金屬主要由2 個主成分構成，2 個主成分累計貢獻率為82.47%，貢獻率分別為70.31%、12.16%。其中Pb、As、Cu、Cr的含量在第一主成分上載荷較高，主要反映了Pb、As、Cu、Cr的富集信息；Zn 的含量在第二主成分上載荷較高。

對贛江沿岸重金屬污染狀況調查發現，贛江流域內耕地面積近118 500 hm2，農藥和化肥的施用是贛江As 的主要來源；Cu 和Cr 主要與鋼鐵廠、機械廠有關，贛江流域南昌段分布有較多的鋼鐵廠，生產過程中產生的工業廢水、廢渣等未經過污水處理排放到河流中。石先羅等［19］的研究結果表明贛江南昌段沉積物重金屬Cu 是主要風險污染物，主要來源于南昌市城市生活污染和附近的工業企業污染。贛江水體中Pb 和Zn可能來源于自然，即地表水的自身組成。撫河沿岸的重金屬含量與冶煉有關，Pb、As、Cu、Cr 源于重金屬采選與冶煉企業產生的工業外排廢水或雨水淋溶礦物廢渣。第二主成分Zn 可能來源于地球化學行為。

結合表1 和表7，可判斷鄱陽湖西南部支流中地表河流水中5 種重金屬第一主成分As、Cu 和Cr 受贛江影響較大，主要來源于鋼鐵廠；第二主成分Pb 和Zn 受撫河影響較大，可認為來自于重金屬采選與冶煉企業產生的工業外排廢水或雨水淋溶礦物廢渣。

4 結論

（1）鄱陽湖贛江和撫河支流主要地表水中重金屬Pb、Cu、Zn、As、Cr 的 平 均 含 量 分 別 為3.579 μg/L、8.684 μg/L、33.496 μg/L、16.233 μg/L、1.687 μg/L，Pb、Zn、As 與Cr 的含量低于GB 3838—2002 I 類地表水質標準，Cu 的濃度相對較高。Pb、Cu、Zn 的平均含量均為贛江高于撫河，而As 和Cr 的含量則相差不大。由變異系數可知，Cr 的變異系數最大，含量在空間上分布存在較大差異。通過P 值可知，贛江與撫河地表水中僅重金屬Zn 存在顯著性差異（P＜0.05）。

（2）贛江和撫河5 種重金屬含量沿程分布存在明顯的差異，贛江中Cu、As 和Cr 濃度主要呈現中游偏高的現象；Pb 在中上游的G5 處偏高。撫河中Pb、Cu、As 和Cr 濃度存在上游偏高的現象，而Zn 在贛江和撫河中的濃度沿程波動較為明顯。

（3）單因子污染指數評價法結果表明贛江和撫河中主要污染因子均為Cu，重金屬元素產生的風險均值大小為Cu＞Zn＞Pb＞As＞Cr，除Cu 外的重金屬元素單因子污染指數均小于1；從內梅羅綜合污染評價來看，整個采樣點的RI 介于0.636～1.674 之間，最高點位于G6 處。

（4）贛江和撫河5 種重金屬含量整體的相關性表明，Cu、As、Cr 3 種金屬具有同源性，而Pb 與這3 種金屬來源性不同，但與Zn 的來源相似。通過對贛江和撫河主要地表河流水中Pb、Cu、As、Cr 與Zn 進行相關性分析及主成分分析，結合當地自然環境與工業情況可判定：第一主成分As、Cu 和Cr 受贛江影響較大，主要來源于鋼鐵廠；第二主成分Pb 和Zn 受撫河影響較大，可認為來自于重金屬采選與冶煉企業產生的工業外排廢水或雨水淋溶礦物廢渣。