丹金溧漕河典型重金屬污染評估及來源解析研究*

陳月芳 士青允 曲盡妍 侯榮榮 許錦榮 劉 錚

(1.北京科技大學能源與環境工程學院，北京 100083；2.北京市工業污染物資源化處理重點實驗室，北京100083；3.中國環境科學研究院，北京 100012)

近年來，隨著工農業的迅速發展，重金屬污染已成為全球性環境問題。許多重金屬在土壤以及工業廢水中微量存在[1-3]，重金屬易富集、難降解、來源廣，污染具有不可逆性[4-5]，水體中重金屬會通過生物鏈的富集作用，對人體健康造成威脅。陸海等[6]的調查顯示，我國江河湖底泥的污染率高達80.1%。何佳等[7]的研究表明，在我國八大流域中Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Hg、Cr在水體中的超標率均較高。因此，對水體水質進行評估，并對其中的重金屬來源進行解析，對生態環境保護具有重要意義。

丹金溧漕河是太湖西部地區主要水運干線，北起丹陽連接大運河和長江，南至溧陽與安徽連通，全長約66.9 km。具有洪水調蓄、航運、納污等功能，促進了城市城鎮化和工業化發展。目前，對于丹金溧漕河的研究，國內學者主要通過水體的常規檢測指標如BOD5、氨氮、TP等對水樣進行評估，但對于丹金溧漕河重金屬污染來源的研究鮮有報道，故本研究以丹金溧漕河為研究對象，設置采樣點，對水質進行評價，同時運用主成分分析、正定矩陣因子分解模型(PMF)對水體中Hg、Pb、Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr的可能來源進行解析，為丹金溧漕河重金屬污染防治提供依據。

1 采樣點布設與樣品采集

根據丹金溧漕河的河流分布與地理環境，設置3個采樣點，分別記為S1、S2、S3，其中S1位于上游，S3位于下游，采樣點分布見圖1。S1附近工廠以電子廠為主，S2附近以煤炭廠為主，S3附近以印染紡織廠為主。水樣采集時間為2017年1月至2018年12月，每月采集一次，采集水面以下30～50 cm的水樣，共72個水樣，4 ℃冷藏保存，測定前需用硝酸在微波消解儀(Mars 6)中消解(硝酸與水樣體積比為1∶5)；將經過消解的水樣用0.45 μm微孔濾膜過濾待測。

圖1 采樣點分布Fig.1 Sampling points distribution

2 評價方法

2.1 單因子污染指數和綜合污染指數法

采用單因子污染指數和綜合污染指數對重金屬污染進行評價，計算方法見文獻[8]，根據綜合污染指數將重金屬污染分為6個等級，見表1。單因子污染指數<1.000為無污染。

表1 綜合污染指數污染程度分級Table 1 Pollution degree classification of comprehensive pollution index

2.2 內梅羅污染指數法

采用內梅羅污染指數法進行評價，該方法能同時體現單個重金屬的污染程度和多種重金屬對水環境的影響[9]。內梅羅污染指數分為5個等級，見表2。

表2 內梅羅污染指數污染程度分級Table 2 Pollution degree classification of Nemero pollution index

3 結果與討論

3.1 重金屬分布特征

S1、S2采用《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準進行評價，S3采用GB 3838—2002 Ⅳ類標準進行評價。由表3可知，各采樣點重金屬含量較低，S1、S2低于GB 3838—2002 Ⅲ類標準限值，S3低于GB 3838—2002 Ⅳ類標準限值；該流域地表水中各種重金屬平均質量濃度表現為Cu>Zn>As>Cr>Se>Pb>Cd>Hg；丹金溧漕河Pb、Zn、As濃度與太湖流域[10]、九龍江流域[11]相比較低；Cu、Cd濃度與太浦河[12]、洞庭湖[13]相比較高。

表3 丹金溧漕河采樣點的重金屬質量濃度1) Table 3 Heavy mental mass concentration at sampling points in the Danjinlicao River μg/L

3.2 重金屬污染評估

由表4可知，所監測的重金屬在各時期的單因子污染指數均小于1.000，各采樣點的各時期均處于無污染狀態，重金屬污染情況表現為Se>Cd>Hg>As>Cr>Pb>Zn>Cu；Pb、Cd在不同采樣點的單因子污染指數波動較大，在S1、S2較高，S3相對較低。除Pb、Cd外，其他重金屬單因子污染指數波動幅度較小。各采樣點綜合污染指數均小于0.200，整體水質良好。各采樣點的內梅羅污染指數都小于1.000，呈無污染狀態，但S2相對較高，S1、S3較低。

表4 丹金溧漕采樣點重金屬污染指數Table 4 Pollution index of heavy metals at sampling points in the Danjinlicao River

3.3 相關性分析和來源分析

3.3.1 監測指標之間的相關性分析

重金屬之間的相關性見表5。Hg與Cu、Cr呈顯著正相關；Pb與Zn、Cd呈顯著正相關；Cu與Hg、Cr呈顯著正相關；Zn與Pb、Se、Cd呈顯著正相關；Se與As、Zn呈顯著正相關。以上重金屬之間相關系數越大，同源性越高。

表5 重金屬間的相關性1)Table 5 Correlation of heavy metals in the Danjinlicao River

3.3.2 主成分分析

對重金屬進行主成分分析，最終將8個變量提取出3個主成分，方差貢獻率分別為33.50%、32.50%、19.40%，累積貢獻率為85.40%，旋轉后的主成分載荷系數見表6。結合該流域用地分布情況和相關性分析結果可推測重金屬的可能來源。

表6 旋轉后的主成分載荷系數Table 6 Principal component load factor after rotation

主成分1包括Pb、Zn、Cd、Se，Pb、Zn、Cd為高載荷，Se為中等載荷。由于Pb、Zn、Cd在S1的濃度相對較高，且S1附近有較多電子廠分布，其生產廢水中含有較多的Pb、Zn、Cd，故得出主成分1來源于電子行業；主成分2包括Hg、Cu、Cr，均為高荷載，由于Hg、Cu、Cr在S3的濃度較高，同時S3附近有較多印染紡織廠，該行業的特征污染物包括Hg、Cu、Cr[14]，故得出主成分2主要來源于印染紡織行業；主成分3包括As、Se，其中As為高荷載，Se為中等荷載，由于砷化物會通過采礦業、礦物加工業進入水體中，引起水體污染[15-16]，故推測主成分2主要受煤炭行業的影響。

3.4 PMF分析

經計算，最終確定因子個數為3個。因子1為電子行業，污染物主要為Pb、Zn、Cd、Cr、Se，因子1對Pb、Zn、Cd、Cr、Se的貢獻率分別為91.33%、76.16%、79.15%、23.76%、24.37%(見圖2)；因子2為煤炭行業，主要污染物為As、Se、Hg、Cu、Zn、Cr，因子2對以上重金屬的貢獻率分別為90.01%、52.35%、42.16%、25.45%、23.84%、23.40%；因子3為印染紡織行業，主要污染物為Cu、Cr、Hg、Se，因子3對以上重金屬的貢獻率分別為67.33%、52.84%、46.93%、23.28%。該結果與多元統計分析結果出入較小，結果具有可信度。

圖2 丹金溧漕河污染源貢獻率Fig.2 Contribution rate of pollution sources in the Danjinlicao River

該河段Hg、Cu、Cr主要來源于印染紡織行業，As主要來源于煤炭行業，Pb、Zn、Cd主要來源于電子行業，Se同時受以上3種行業的影響，但主要受煤炭行業影響。以上工廠生產廢水排放到河流中會造成重金屬污染，為維持水體生態健康，應對工業廢水排放進行嚴格管理與監督。

4 結 語

(1) 丹金溧漕河水質整體較好，S1、S2低于GB 3838—2002 Ⅲ類標準限值，S3低于GB 3838—2002 Ⅳ類標準限值；水體中重金屬污染情況表現為Se>Cd>Hg>As>Cr>Pb>Zn>Cu。

(2) 該流域重金屬來源復雜，其中Pb、Zn、Cd主要來源于電子行業，Hg、Cu、Cr主要來源于印染紡織行業，As、Se主要來源于煤炭行業。