滏陽河邯鄲段地表水重金屬污染特征研究

朱雪凝，劉躍斌，張逸冰，梁軼群，張 遠，蘭建林，樊景森,2，牛紅亞,2

(1.河北工程大學 地球科學與工程學院，河北 邯鄲 056000；2.河北工程大學 河北省煤炭資源開發與利用協同創新中心，河北 邯鄲 056000)

0 引 言

滏陽河發源于邯鄲峰峰礦區，地處干旱半干旱地區，水資源極為匱乏[1]，流經邯鄲市核心區域，人口高度密集，沿岸工業快速發展，受到生活污染、工業污染和農業污染的影響，進入地表水的重金屬遷移能力差，難以被降解，極易對人體健康產生危害[2]。當前，關于滏陽河重金屬污染研究主要涉及沉積物和水環境兩個方面，而針對水環境的研究主要集中在重金屬空間分布特征、污染來源判斷和污染評價上[3-10]。研究內容上，對滏陽河水環境的研究主要為重金屬元素的理化性質、水體富營養化以及毒理性的分析等[3,5-6,9-10]；研究地域上，對滏陽河水環境的研究區域一般涉及多市，多集中于邯鄲段、衡水段和邢臺段[3-10]。鑒于滏陽河是邯鄲市重要的內陸河，河流流經邯鄲市中心，經常接納生活污水，受到人類影響，故對其污染分析具有重要意義。

為此，本研究以滏陽河邯鄲段為研究對象，從地表水重金屬角度進行污染分析，旨在了解滏陽河邯鄲段水體重金屬污染現狀，測試了地表水樣品中As、Cr、Cu、Ni、Se、Co、Zn、Al的總含量，分析了研究區域內地表水重金屬的分布特征，使用內梅羅綜合污染指數法對滏陽河邯鄲段地表水進行污染評價并對其污染來源進行了解析，以期為滏陽河的污染治理提供基礎數據。

1 調查方法

1.1 研究區概況

滏陽河流域，屬海河流域子牙河系，發源于邯鄲峰峰礦區滏山南麓，流經邯鄲、邢臺、衡水和滄州。滏陽河流域近年來經濟發展迅速，是我國北方典型的缺水、水資源分布不均的流域[7]。滏陽河在邯鄲市內為最上段，自東武仕水庫流經峰峰礦區、磁縣、邯山區、叢臺區、永年區、曲周縣、雞澤縣至邯邢邊界，長約119 km，流域面積2 747 km2[8]。

1.2 采樣點布設和樣品采集

水樣采集前將存放樣品的聚乙烯桶用蒸餾水清洗3遍以上，取水前，用所采的水樣沖洗取樣瓶2～3次[11]。將采樣桶沉入水下10～15 cm深處采樣，避免將砂礫、植物碎屑等帶入瓶內[11]。樣品采集后貼上標簽并詳細記錄采樣點及其附近的情況[11]。在滏陽河流域共布設23個采樣斷面，每個斷面設置1個采樣點，具體分布見圖1。

圖1 滏陽河采樣點分布Fig.1 Sampling points distributed in Fuyang River

1.3 分析方法

重金屬離子測試均在中國科學院國家重點實驗室完成，采用等離子體質譜儀(ICP-MS)進行測定，測試精度優于0.5%。

2 結果與討論

2.1 滏陽河地表水重金屬分布特征

2.1.1 滏陽河地表水重金屬含量分析

滏陽河地表水體重金屬含量統計見表1。地表水中8種金屬濃度平均值大小順序依次為Cr(6.34 μg/L)>Se(5.22 μg/L)>Al(4.98 μg/L)>Ni(2.26 μg/L)>Zn(2.20 μg/L)>As(1.86 μg/L)>Cu(1.61 μg/L)>Co(0.20 μg/L)。根據表1可知，各重金屬的變異系數CV值大小順序依次為Al(132%)>Cr(84%)>Zn(70%)>Se(54%)>Co(52%)>As(42%)>Cu(45%)>Ni(25%)。除重金屬Al為強變異外，其余金屬元素均為中等程度變異，說明研究區域中重金屬的空間分布差異性較大，其中Al的空間差異性最大。

選取《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)(以下簡稱水質標準)，Ⅰ類水質水中涉及的6種重金屬(Cr、As、Zn、Ni、Cu、Se)，由表1可知，Cr在7個采樣點超過水質標準中Ⅰ類水質標準，超標率為30.43%。Se在兩個采樣點超過水質標準中Ⅰ類水質標準，超標率為8.69%。除此之外，滏陽河水中的As、Cu、Zn、Ni四種金屬元素的質量濃度均低于水質標準限值。這說明研究區域地表水有不同程度的Cr和Se積累。

與滏陽河全流域[13]相比，邯鄲段地表水重金屬As、Cr、Ni、Cu、Zn、Co均低于其平均值，其中As和Zn的檢測值在滏陽河全流域范圍值之外，小于其最小值。Se的平均值高于滏陽河全流域，檢測值在全流域的范圍值內，這說明邯鄲段有明顯Se污染。表2為國內其它河口的重金屬含量，與我國其它大河河口相比，本研究Cr的平均值高于珠江口、長江口和黃河口，Ni的平均含量低于珠江口，Cu的含量低于珠江口和黃河口，高于長江口，Co的含量略高于珠江口，但兩者相差不大，Zn的含量遠低于珠江口、長江口和黃河口。從以上分析可以看出，本研究與滏陽河全流域相比，Se含量偏高，As、Cr、Ni、Cu、Co和Zn的含量偏低；與珠江口和長江口以及黃河口相比，Cr的含量偏高，Zn的含量偏低。

表1 滏陽河地表水重金屬含量統計表

表2 國內其它河口的重金屬含量

2.1.2 地表水污染分布特征

利用克里金插值法對滏陽河邯鄲段地表水8種金屬元素進行分析，結果見圖2。根據圖2可知，滏陽河邯鄲段地表水中Al元素在峰峰礦區和磁縣段含量較高；As在磁縣和東武仕水庫含量較高，在邯山區含量較低；Co在峰峰礦區源頭處和叢臺區含量較高；Cr在峰峰礦區含量較高，且隨水流方向含量逐漸下降；Cu在邯山區含量較高，且隨水流方向呈下降趨勢；Ni在峰峰礦區、叢臺區、永年區、曲周縣和雞澤縣含量較高；Se在峰峰礦區源頭處和叢臺區含量較高；Zn在叢臺區含量較高，隨水流方向含量有所下降，在曲周段處含量又升高。綜上，各重金屬元素在邯鄲市的污染各有不同。其中Co和Se的污染地域較為一致，均在峰峰礦區源頭處和叢臺區段含量較高；Co、Cr、Ni和Se則在峰峰礦區都有含量較高的表現，這說明滏陽河水在峰峰礦區處受到較嚴重污染。在調查滏陽河時發現滏陽河源頭滏源公園處有一明顯生活污水排污口，污水未經處理便直接排入滏陽河，無人處理；滏陽河黑龍洞景區也有一處排污口，是經過處理的生活污水達到一級A標準后排入滏陽河內。因此，滏陽河地表水在峰峰礦區的含量較高的原因可能是由生活污水的排放所導致。

圖2 滏陽河淺層地表水中重金屬濃度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metals concentrations in the shallow surface water of Fuyang River

2.2 滏陽河地表水重金屬污染特征

2.2.1 內梅羅綜合污染指數法

(1)單因子污染指數法

單因子污染指數法是一種較為傳統的水質評價方法，在我國水質監測工作中應用廣泛，它將各評價因子的測試值與選定的各類標準進行比較，以判定單項水質或者沉積物、土壤的類別。一般情況下，單因子指數法的評價結果以最差評價結果作為區域內水質、沉積物、土壤的污染等級，其計算方法如式(1)。

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi——為重金屬i的單因子污染指數；

Ci——為重金屬i的實測值；

Si——為重金屬i的評價標準限值(以水質標準中的Ⅰ類水質標準作為滏陽河水環境中重金屬評價標準)。評價結果單因子污染指數分級[16]見表3。

表3 單因子污染指數分級統計表

(2)綜合污染指數法

綜合污染指數法是在單因子污染指數法基礎上建立起來的一種污染評價方法，它擺脫了單因子污染指數法在污染評價過程中的單一性，而是將更多種重金屬元素的單一評價結果進行數學歸納和統計分析，從而在更大范圍對地表水重金屬污染作出綜合評價。內梅羅綜合污染指數計算公式[17]詳見式(2)。

(2)

式中，P綜——為水樣的綜合污染指數；

Pmax——為重金屬元素i的單因子污染指數的最大值；

Pave——為各單因子污染指數的平均值。

綜合污染指數分級見表4。

表4 綜合污染指數分級統計表

2.2.2 基于內梅羅綜合污染指數法的污染評價

選取水質標準中的Ⅰ類水質標準作為滏陽河地表水環境中重金屬評價標準，計算得到地表水重金屬單因子污染指數評價結果如表5所示。各采樣點As、Cu、Co和Zn單因子污染指數<1，為無污染狀態；元素Al除在1、5、6號三個采樣點處單因子污染指數>1呈現輕微污染狀態外其余采樣點均呈現無污染狀態，Al呈現無污染狀態；元素Cr除在1～7號七個采樣點處單因子污染指數>1呈現輕微污染狀態外，其余采樣點呈現無污染狀態，Cr呈現無污染狀態；Ni除在2、3、8、9、10、12、14、15、22號九個采樣點<1呈現無污染狀態外，在其余采樣點>1呈輕微污染，Ni呈輕微污染狀態；Se除在1號和16號兩個采樣點>1呈輕微污染狀態外，在其余采樣點呈無污染狀態，Se整體呈無污染狀態。

滏陽河地表水重金屬內梅羅綜合污染指數評價結果如表5所示。研究區內各點位內梅羅綜合污染指數整體變化范圍為：0.56～1.45。其中，1號采樣點P綜值受Cr元素Pi值影響較大，評價結果較差。地表水中1、2、3、5、6、19、23號七個采樣點的P綜>1，表現為輕污染。整體來說，地表水中重金屬污染程度達到輕微污染水平，主要潛在貢獻因子為Ni。

表5 滏陽河地表水單因子污染指數和綜合污染指數統計表

2.3 地表水重金屬污染來源

2.3.1 相關性分析

通過SPSS軟件對地表水中As、Al、Cr、Ni、Se、Cu、Co、Zn共8種元素進行相關性分析，分析結果見表6。根據表6可知，Ni和Co的相關性最強，相關系數為0.882，呈極顯著正相關(P<0.01)，Ni和Se的相關性也很強，相關系數為0.817，呈極顯著正相關(P<0.01)，說明Ni、Co、Se之間關系密切，具有一定的同源性。Se和Zn也呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數為0.852，說明Se的來源一部分和Ni、Co相同，一部分和Zn相同。Al和Cr的相關系數為0.719，呈極顯著正相關(P<0.01)，說明Al和Cr具有共同的來源。As-Al、As-Co、Cr-Cu、Co-Zn相關系數分別為0.479、0.459、0.442、0.441，均達到顯著相關水平。說明As的來源一部分與Al相同，一部分與Co相同；Cr和Al的同源性較大，但也有一部分來源和Cu相關；Co和Ni的同源性較大，但也有一部分來源和As、Zn相關；Ni、Co、Se有共同的來源；Se和Zn的同源性較大，但同時也和Ni、Co、Zn具有相同的來源。

表6 滏陽河地表水中重金屬間的Person相關性分析

2.3.2 來源解析

在SPSS中對地表水的數據進行KMO和巴特利特球形度檢驗，得到地表水的KMO為0.572，Bartlett值為0.00(P<0.001)。說明適合對地表水重金屬做主成分分析。對滏陽河邯鄲段地表水中重金屬元素進行主成分分析，共提取2個特征值大于1的主成分，代表了可能存在的2種來源。2個主成分的累積貢獻率為71.71%，結果見表7。

表7 研究區地表水重金屬主成分分析結果

主成分1的貢獻率為40.99%，Ni、Se、Co、Zn在第一主成分上的載荷相對較高，分別為0.947、0.892、0.868和0.737，表明第一主成分主要支配著地表水重金屬元素Ni、Se、Co和Zn的來源，結合地表水重金屬空間分布特征以及重金屬元素間的相關性可知，滏陽河地表水中Ni、Se、Co和Zn重金屬元素主要來源于生活污染。地表水重金屬空間分布特征圖表明Ni、Se、Co和Zn在滏陽河源頭滏源公園處和叢臺區的含量較高，根據實地調查，源頭滏源公園處有一明顯生活污水排污口，污水未經處理便直接排入滏陽河，無人處理，而叢臺區流經邯鄲市中心，人口密集，容易產生污水的排放，再加上北環路與滏陽河交叉點也有一處生活污水排污口，許多人類生產活動產生的廢水等攜帶污染物被排放入滏陽河內。因此，第一主成分可以考慮為生活污水的排放等生活污染。

主成分2的貢獻率為30.71%，Al和Cr在第二主成分上的載荷相對較高，分別為0.842和0.879，第二主成分主要支配著地表水重金屬元素Al和Cr的來源，

結合地表水重金屬空間分布特征和元素間的相關性可知，滏陽河地表水中Al和Cr的積累主要在邯鄲段的峰峰礦區和磁縣處。據調查，峰峰礦區盛產陶瓷，有象牙瓷、白玫瓷、骨質瓷等數十種，而陶瓷材料中含有Cr、Pb等重金屬，在生產過程中還會產生Al污染。因此，第二主成分可以考慮為陶瓷業等工廠生產過程中產生的工業污染。

3 結 論

(1)滏陽河地表水8種金屬濃度平均值大小順序依次為Cr(6.34 μg/L)>Se(5.22 μg/L)>Al(4.98 μg/L)>Ni(2.26 μg/L)>Zn(2.20 μg/L)>As(1.86 μg/L)>Cu(1.61 μg/L)>Co(0.20 μg/L)，各重金屬的變異系數CV值大小順序依次為Al(132%)>Cr(84%)>Zn(70%)>Se(54%)>Co(52%)>As(42%)>Cu(45%)>Ni(25%)。滏陽河邯鄲段地表水中Cr和Se的均值含量較高，Cu和Co均值則相對較少。地表水中Cr有7個采樣點超過水質標準中Ⅰ類水質標準，超標率為30.43%；Se有兩個采樣點超過水質標準中Ⅰ類水質標準，超標率為8.69%。

(2)克里金差值法表明各重金屬元素在邯鄲市的空間分布特征各有不同。其中，Co和Se的污染地域較為一致，均在峰峰礦區源頭處和叢臺區段含量較高；Co、Cr、Ni和Se則在峰峰礦區都有含量較高的表現。

(3)通過內梅羅綜合污染指數計算得到滏陽河地表水P綜=0.92，重金屬污染程度達到輕微污染水平，主要潛在貢獻因子為Ni。

(4)相關性分析和主成分分析表明地表水由2個主成分構成，Ni、Se、Co、Zn在第一主成分上的載荷相對較高，根據實地調查，推測第一主成分為生活污水的排放等生活污染；Al和Cr在第二主成分上的載荷相對較高，第二主成分可以考慮為陶瓷業等工廠生產過程中產生的工業污染。