基于重金屬污染指數的城市段河流水體重金屬污染特征分析

毛玉鳳

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

水體污染物中重金屬物質很難得到有效降解，在水體中的自凈能力較低，容易進入河流水庫中的食物鏈，從而對人體生命健康產生不同程度的危害[1- 3]。水資源可持續利用不僅受用水量的影響，也同時受水體中重金屬污染的影響，其對水體中的生物棲息環境也會產生較大程度的危害[4- 5]。目前，國內對于水體中重金屬污染主要集中在水體沉積物或底泥中進行分析[6- 10]，而對于水體中的重金屬污染特征研究還相對較少。魚類和水生動物在水體中受重金屬污染影響也較大，一條河流水環境的好壞評定標準很大程度取決于其水體中的重金屬指標[11]。多個研究成果表明[12- 15]，當水體中溶解態形式存在的重金屬指標含量較大時，其對水體環境影響程度較大。太子河屬于遼寧地區較大的河流之一，其主要流經遼中東地區的遼陽、本溪、鞍山等主要城市，本溪地區主要為城市河段，一些研究成果表明[16- 18]太子河本溪城市段由于同時有居民生活污水和工業廢水排放，其河流底泥重金屬污染指標較高，但對于本溪城市段水體重金屬污染研究還較少。為加大對太子河本溪城市段水體水環境保護，本文采用重金屬污染指數，結合河流水質采樣數據對其水體主要7種重金屬指標進行分析，研究成果對于本溪城市段河流水環境保護具有重要參考價值。

1 樣品采集及測定方法

1.1 樣品采集

本次試驗共選取11個水質采樣斷面，主要分布在居民生活點、工企業污水排放點，所有樣品采集時的水深均在20cm范圍內，每個采集點主要收集3份混合水樣，其中一份水樣采用pH值小于2.0的硝酸溶液進行保存，1份由直徑小于0.45um的濾膜進行過濾后再采用pH值小于2.0的硝酸溶液進行樣品保存，剩下的那一份不進行任何處理后進行保存。對水樣采集點的位置、采樣時間、水溫以及采樣瓶的類型和顏色進行標記和記錄。

1.2 測定方法

對于未采用任何方式進行處理的樣品溶液采用過濾膜進行處理后作為溶解態樣本進行標記，處理前和處理后的含量差值表示為重金屬顆粒的溶解態含量。首先在微波消解管中將25ml的水樣進行混合均勻，在混合均勻的溶液中加入1.0ml的純凈水，然后在混合水樣中加入濃硝酸5.0ml，當水樣中出現大量氣泡時，平穩放入到通風廚內進行靜置，經過一段時間待水樣中不再出現氣泡后采用微波消解儀對水樣進行消解處理。待微波消解儀消解程序完成后取出消解管冷卻，當溫度下降到室溫環境后進行放氣處理，再將消解管的瓶蓋打開。將消解液從微波消解儀的罐內移出到容量為50ml的試劑瓶中，采用蒸餾水滴定到100ml標準溶液后進行測定。采用原子熒光光譜法測定重金屬Se；火焰原子吸收法測定水體中的Cu、Pb、Mn、Zn、Cr、Cd等重金屬指標。所有水樣進行重金屬指標測定后再進行全部樣品總數的復測。通過試驗檢測，本次試驗采樣點重金屬含量誤差控制在5%以內。所有測定水樣均采用5%的硝酸鹽進行24h浸泡后進行存放和處理，再采用離子水進行清洗。離子色譜法主要用來檢測水樣中的陰離子。

1.3 數據處理方法

主成分分析方法主要分析太子河本溪城市段水體中重金屬的主要污染來源，主成分主要通過部分代表因子來表示整體指標，各主成分之間相互獨立但又存在信息反映，是多個因子之間的線性組合。重金屬污染指數是對多個污染指標進行加權平均后，對其污染等級進行綜合評價，其首先計算各類重金屬指標的權重值，計算方程為：

Wi=k/Si

(1)

式中，Si—水體中污染物濃度的最大值，mg/l；k—受水環境影響的比例系數，本文取值為0.85。

其次需要對其重金屬污染等級指數進行計算，計算方程為：

Qi=100(Ci/Si)

(2)

式中，Ci—重金屬在水體中的濃度指標值，mg/l；n—評價指標的數目。

對重金屬污染指數進行加權計算，計算方程為：

(3)

重金屬污染指數的上限值為100，當重金屬污染指標低于100時，表示水體中的重金屬污染屬于可接受程度。

2 太子河本溪城市段重金屬污染特征分析

2.1 重金屬含量特征分析

結合布設的11個水質采樣斷面測定7類主要重金屬含量，對太子河本溪城市段進行分析，并統計分析了其主要重金屬指標的變異指數，具體結果見表1。

通過對各水質采樣斷面進行測定，7類重金屬指標濃度總體低于5.25mg/l，其中居民生活區排污口測定的重金屬Zn指標濃度較高，峰值濃度達到0.56mg/l；在鋼鐵企業污水排放口測定的重金屬指標Pb含量較高，其峰值濃度達到0.039mg/l，重金屬指標Cd峰值濃度達到0.0083mg/l，重金屬指標Cu的峰值濃度達到0.031mg/l，重金屬指標Se的峰值濃度也可達到0.0035mg/l，該排污口重金屬指標Mn的峰值濃度最高，達到5.25mg/l；峪溪橋斷面重金屬指標Cr濃度最高，峰值濃度達到1.45mg/l。從7類重金屬指標的變異指數可看出，Cd的變異指數最高，Se的變異指數最低。

表1 太子河本溪城市段重金屬指標變異指數分析結果

2.2 重金屬污染程度對比

結合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅲ類和Ⅳ類各重金屬指標濃度標準對本溪城市段11個水質采樣斷面7類重金屬水質指標進行對比分析，見表2。

表2 本溪城市段河流水體重金屬指標濃度范圍及水質標準對比結果

從本溪城市段河流水體重金屬指標濃度范圍及水質標準對比結果可看出，在7類重金屬指標中,除Mn和Cr兩類重金屬指標濃度較大值和平均值均超過Ⅳ水質標準外，其他重金屬平均濃度和濃度范圍均未超過Ⅳ水質標準；Cd重金屬指標平均濃度未超過Ⅳ水質標準但其濃度最高值超過Ⅳ水質標準，鋼鐵企業排污口采樣斷面Cd重金屬指標濃度最高。

2.3 重金屬主成分分析

結合各類重金屬指標作為主成分分析的污染源，將7類重金屬指標劃分成兩個主成分，各主成分因子荷載計算結果見表3。

表3 本溪城市段河流水體重金屬指標主成分因子荷載計算結果

從本溪城市段河流水體重金屬指標主成分因子荷載計算結果可看出，選取的7類重金屬指標其方差累積貢獻率達到79.82%，Mn、Cr及Cd三類重金屬指標在第一主成分的因子荷載值均高于0.8，這三類重金屬指標主要受居民及企業點源污染排放影響，可以歸納為人類活動影響；Zn重金屬指標在第二主成分中因子荷載值最大，高于0.8，通過分析得知該類重金屬指標主要來源于區域水土流失，可歸納為自然影響。

2.4 重金屬污染指數分析

采用重金屬污染指數方法對11個水質采樣斷面的重金屬污染指數HPI進行計算，見表4。

表4 本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬污染指數計算結果

從本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬污染指數計算結果可看出，各水質采樣斷面重金屬污染指數總體在72.5～125.3之間，其中S5采樣斷面重金屬污染指數最低，為72.5，該水質采樣斷面位于老官砬子上游，其為太子河上游段，污染源較少；S4斷面重金屬污染指數最高，達到125.3，高于100，該斷面主要為鋼鐵企業排污口，因此其重金屬污染指數較高，表明該斷面重金屬含量不能達到水環境條件可接受的水平。通過分析，重金屬污染指數高于100的斷面主要分布在葠窩水庫入口上游5km范圍內。

3 本溪城市段河流水體重金屬形態特征分析

3.1 溶解態含量分析

采用試驗測定各水質采樣斷面的7類重金屬指標，分析本溪城市段河流各類重金屬指標在水體中溶解態含量，試驗結果見表5。

表5 本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬指標水體溶解態含量測定結果 單位：mg/l

重金屬對水體污染主要取決于其存在的形態，而溶解態是重金屬在水體中存在的一個重要形態，從本溪城市河段各水樣采集斷面重金屬指標水體溶解態含量測定結果可看出，各水質監測斷面的7類重金屬指標在水體中的溶解態含量均較低，其中Cr、Cu、Mn在水中溶解態含量較高，其他4類重金屬指標在水體中的溶解態含量較為接近。

3.2 形態特征分析

在進行各類重金屬指標在水體溶解態含量分析的基礎上，對本溪城市段河流水體重金屬存在的形態進行分析，結果見表6。

表6 本溪本溪城市河段各水樣采集斷面水體重金屬存在形態的百分比 單位：%

4 結論

(1)本溪城市段河流水體中重金屬沉淀(MnCO3)的百分比最高，建議加大對河段中MnCO3離子的示蹤檢測力度，加強對重點鋼鐵企業排污口、本溪彩屯橋斷面水環境治理措施，如減排或加入試劑降低重金屬Mn離子含量。

(2)PbCO3是Pb在水體中主要的沉淀形態，其中百分比較高的為PbCO3，這主要是因為碳酸根離子和Pb離子在水體中具有較高的平衡程度，而Pb2+在堿性水體中較易產生分解，建議通過減少排量來降低水體中重金屬Pb2+離子的含量。

(3)重金屬指標主要以膠體和沉淀形態存在，使得其溶解態很難被檢測出來，在后續試驗測定重金屬溶解態含量時，還需要通過試驗方式將重金屬從膠體和沉淀形態分離，從而提高重金屬在水體溶解態含量分析的準確度。