鄱陽湖重要支流重金屬污染特征及環(huán)境風(fēng)險

何亞卓 徐哲婷 于濤 潘濤 華敘榮 楊明航

（1 東華理工大學(xué) 江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點實驗室 江西南昌 330013 2 東華理工大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)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(xué)術(shù)界、政府和公眾的廣泛關(guān)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(zhì)進行重金屬污染評價顯得尤為重要。近年來，學(xué)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(tài)風(fēng)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(jié)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(nóng)藥（OCPs）和16 種優(yōu)先多環(huán)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(yīng)，即使微量存在也可對生物產(chǎn)生一定的毒性，最終通過食物鏈對人體健康造成嚴(yán)重威脅［9-12］。因此，迫切需要開展水環(huán)境安全風(fēng)險評估，建立水環(huán)境安全評價參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，并鼓勵人們采取相應(yīng)的措施和策略，以降低水污染的風(fēng)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(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)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(jié)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?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)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(fā)源于石城縣石寮崠，由南至北貫穿江西省全境，流經(jīng)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(fā)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(nóng)業(yè)灌溉水、生活用水和發(fā)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(tǒng)（GPS）定位，河流上游到下游的采樣點設(shè)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(biāo)GB/T 5750.6—2006。Pb、Zn、Cu 和Cr 采用電感耦合等離子體發(fā)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(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均少于10%。

2.3 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

使用統(tǒng)計軟件包SPSS 16.0 進行重金屬含量的描述性統(tǒng)計分析和相關(guān)性分析，使用ArcGIS10.5 制作采樣點分布圖，其他數(shù)據(jù)處理使用Microsoft Excel 進行。

2.4 評價方法

（1）單因子污染指數(shù)法。當(dāng)水質(zhì)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)小于或等于1 時，表明水體評價中水質(zhì)指數(shù)的濃度符合水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求。單因子污染指數(shù)如公式（1）：

式中：Pi為地表水中重金屬的單因子指數(shù)；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(biāo)準(zhǔn)；Si采用《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅰ類水域標(biāo)準(zhǔn)為背景值。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。在水質(zhì)評價中，雖然一些污染物的濃度超過了環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，但該指數(shù)的平均值并未超過標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是一種兼顧極值和平均值的計權(quán)型多因子評價指數(shù)。該方法可以表示為［14］：

式中：RI 是各種綜合污染指數(shù)的指數(shù)；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(biāo)準(zhǔn)；n 是參與重金屬評估的污染物總數(shù)。根據(jù)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(yán)重污染（RI≥5）［14］。

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬含量水平

利用SPSS 和Excel 軟件對研究區(qū)23 個樣品的重金屬含量進行基本統(tǒng)計特征分析，分析結(jié)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(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)氐膮⒖急尘爸怠b、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(yīng)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(shù)可反映人為活動對重金屬含量的影響，變異系數(shù)越大，表明受人為活動干擾越強烈。根據(jù)Wilding 對變異系數(shù)的分類［15］，贛江地表水中Pb 和Cr（變異系數(shù)為43.3%和39.8%）為高度變異（CV＞36%），Cu、Zn 和As（變異系數(shù)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(shù)為43.6%和53.5%）為高度變異，Pb、Cu 和As（變異系數(shù)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(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yè)污染物的排放有關(guān)。

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(wěn)，在G8 處出現(xiàn)最高值，隨后下降趨于穩(wěn)定；Pb 在整個流域內(nèi)濃度較低且變化較小，在中上游的G5 處出現(xiàn)最高值；Zn 濃度沿程波動較大，最高值出現(xiàn)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(xiàn)在中上游及中游區(qū)域，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該流域范圍內(nèi)具有大量的工業(yè)企業(yè)。

表1 鄱陽湖重要支流表層水中重金屬含量及水質(zhì)指標(biāo)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(xiàn)在F2 處，Cr濃度最高值出現(xiàn)在F3 處，隨后逐漸下降并保持在穩(wěn)定的濃度狀態(tài)；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(dá)到最高值。中上游區(qū)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(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)用水、生活用水主要來源，分布較多企業(yè)，重金屬含量相對高于撫河流域。

3.3 重金屬污染評價結(jié)果

利用重金屬單因子污染指數(shù)評價法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)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(shù)，結(jié)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(dá)到國家一級標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)在G8、G9、F1 和F2 采樣點處在1.000～2.000，屬于輕微污染。

從內(nèi)梅羅污染指數(shù)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(dá)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(qū)位于南昌清湖村（G5），西湖區(qū)（G9 和G8），撫州湖南鄉(xiāng)（F1 和F2）。南昌市是一個大型的工業(yè)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(yè)化、工業(yè)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(xiāng)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(chǎn)的廢水中含有Cu，推斷Cu含量受工業(yè)廢水排放影響。

表2 鄱陽湖重要支流表層水中重金屬環(huán)境風(fēng)險評價結(jié)果

3.4 重金屬元素間的相關(guān)性

各重金屬元素之間相關(guān)性與元素的性質(zhì)、吸附特性和污染源有關(guān)。一般情況下，元素相關(guān)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(guān)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(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.777、0.527 和0.771，Pb 和Zn 呈顯著相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.488，說明它們之間濃度變化規(guī)律相似，這可能與地球化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，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(guān)性

贛江與撫河各地表水中5 種重金屬元素相關(guān)性分析結(jié)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(guān)（P＜0.01），Cu 和As、Cu 和Cr、As 和Cr 其相關(guān)系數(shù)分別為0.881、0.679 和0.706，表明它們具有相似的地球化學(xué)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(guān)（P＜0.01），其相關(guān)系數(shù)分別為0.848、0.816，Pb 與Cu、As 和Cr 濃度之間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），其相關(guān)系數(shù)分別為0.695、0.703 和0.647，從地球化學(xué)的角度看，這些金屬具有相似的地球化學(xué)行為，具有一定的同源規(guī)律，而其他重金屬之間不存在顯著的相關(guān)性。

表4 贛江和撫河中表層水重金屬的相關(guān)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(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)大部分重金屬元素之間具有顯著的相關(guān)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(guān)系0.05，因此各重金屬元素間相關(guān)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(jié)果見表5，根據(jù)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(shù)據(jù)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(guān)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(gòu)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(jié)合主成分相關(guān)系數(shù)（表3）可知，第一主成分為As、Cu 和Cr，其權(quán)重系數(shù)分別為0.925、0.847、0.796；第二主成分為Pb 和Zn，其權(quán)重系數(shù)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(guān)性，Pb 和Zn，As、Cu 和Cr 之間的距離較近，顯示出較強的相關(guān)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(jié)果

贛江和撫河中重金屬主成分分析結(jié)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(jié)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(gòu)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(gòu)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，贛江流域內(nèi)耕地面積近118 500 hm2，農(nóng)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(guān)，贛江流域南昌段分布有較多的鋼鐵廠，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水、廢渣等未經(jīng)過污水處理排放到河流中。石先羅等［19］的研究結(jié)果表明贛江南昌段沉積物重金屬Cu 是主要風(fēng)險污染物，主要來源于南昌市城市生活污染和附近的工業(yè)企業(yè)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(guān)，Pb、As、Cu、Cr 源于重金屬采選與冶煉企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)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(xué)行為。

結(jié)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(rèn)為來自于重金屬采選與冶煉企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)外排廢水或雨水淋溶礦物廢渣。

4 結(jié)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)可知，Cr 的變異系數(shù)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(xiàn)中游偏高的現(xiàn)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(xiàn)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(shù)評價法結(jié)果表明贛江和撫河中主要污染因子均為Cu，重金屬元素產(chǎn)生的風(fēng)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(shù)均小于1；從內(nèi)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(guān)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(guān)性分析及主成分分析，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境與工業(yè)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(rèn)為來自于重金屬采選與冶煉企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)外排廢水或雨水淋溶礦物廢渣。