某河段重金屬空間分布及污染評價

陳佳偉， 笪春年，2

（1.合肥學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省環境污染防治與生態修復協同創新中心，安徽 合肥 230601）

重金屬是一種持久性且不易被自然界降解的污染物，重金屬污染物可以通過食物鏈來傳遞和累積對人類有著較大的危害性[1-5]，重金屬含量也是評價水體的一個重要的指標，治理水體重金屬污染有著重要意義。

某河段的流域內交通方便、資源豐富，人口密度大，因此長期受到各種人為活動的影響。隨著經濟的快速發展，大量的工業生產以及生活污水中可能含有重金屬元素，這些重金屬元素可能進入河段水體中，影響該河段水體的環境質量[6-7]。因此開展對該河段的水體重金屬污染研究，對于該河段的污染治理有著重要意義。本研究以該河段為研究區域，測定水體中7種重金屬含量，同時對重金屬的空間分布及重金屬對水環境的影響情況進行分析評價。

1 材料與方法

1.1 采樣

2021 年8 月10 日至2021 年8 月17 日，在該河段選取10 個采樣斷面，分別標注為H1 到H10，這10個采樣斷面周邊人類經濟活動比較多，數據代表性較好。在每個監測斷面的水深＜1 m、2 m、4 m、8 m 處用有機玻璃采水器各采取水樣3 L，在采樣時，取采集3次水樣的混合水樣。采集的水樣裝在事先清洗干凈的聚乙烯瓶中用保溫箱保存并且盡快運回實驗室中，等待下一步處理。

1.2 樣品前處理

選取不同采樣點的水樣各1 L，先將1 L 樣品通過0.45 μm 醋酸纖維濾膜，然后將濾液儲存在清洗干凈的聚乙烯瓶中，并在瓶中加入硝酸使pH 小于2。在分析樣品之前密封放于實驗室冰箱內避光保存[8-11]。

1.3 分析測試

采用電感耦合等離子體原子發射光譜測定40 個水樣中溶解態微量元素（Cu，Pb，Zn，Cr，Fe，Cd，Mn）的含量，實驗選擇高頻發射器的功率為1100 W，等離子氣流量為15 L/min，輔助氣流量為1.5 L/min，實驗采用的觀測方式是水平觀測。所有容器都在5% HNO3中浸泡至少24 h，避免樣品遭受污染。實驗中所用試劑都是分析純，實驗用水是新制備的去離子水[12-13]。

1.4 質量保證與控制

對于水體樣品，在分析水樣的同時，用相同條件分析空白樣品以及標準參考物質來消除實驗過程中可能出現的污染，以保證分析結果的準確性。標準參考物質回收率在82%～101%之間。每4 個水樣中隨機選取其中1 個水樣進行重復性檢驗，測量相對標準偏差小于4%[14]。

2 結果與討論

2.1 重金屬元素垂直分布

表1 和圖1 為重金屬在該河段水體10 個監測斷面的4 個不同水層深度的濃度分布。我們通過公式SS=Σ（xi-）2（xi：第i個數據，：數據平均數）計算離均差平方和（Stdev Square，SS），公式DF=n-k（n：樣本數量，k：被限制的條件數或變量個數）計算自由度（Degree Freedom，DF），公式：表示第i個數據，n：樣本數量）計算均方（Mean Square，MS），公式（S1：樣本中較大的一組方差，S2：樣本中較小的一組方差）計算F檢驗（F-test，F）的F值，通過P值（Probability Value，P）衡量數據差異（p：當原假設為真時，比所得到的樣本觀察結果更極端的結果出現的概率，一般以P＜5.00×10-2為有統計學差異，P＜1.00×10-2為有顯著統計學差異，其含義是樣本間的差異由抽樣誤差所致的概率小于5.00×10-2、1.00×10-2）。得到方差分析表2。表2 中的P值均大于5.00×10-2，屬于不顯著差異，這表明7 種重金屬在水深不同時濃度變化不大，該河段上層水體與下層水體運動較劇烈，水體豎直方向混合能力強。表1[15]顯示微量元素Mn，Cu 的最大濃度出現在表層水＜1 m 中，Cr、Pb 的最大濃度出現在水深2 m 的水深中，Cr，Fe，Mg 最大濃度則出現在水深為8 m 處；Mn、Cu、Cr、Pb、Cr、Fe、Mg 最大濃度出現在表層水和水深8 m 處，其受到外在環境的影響或該河段底部重金屬沉積物擴散的影響；Zn、Cd 的最大濃度出現在水深4 m 中。

表1 某河段水樣本的水質參數 單位：μg·L-1

表2 某河段水樣不同水深的方差分析

圖1 該河段10 個采樣斷面7 種微量元素的濃度

2.2 重金屬元素水平分布特征

圖1 顯示水體重金屬在沿河不同地方的濃度有著較大的差異性。其中，重金屬元素中，Zn 的含量最高，其平均濃度大于1000 μg/L；其次是Pb，Fe，其平均濃度含量在100～1000 μg/L 之間；最低的是Cu，Cr，Cd，Mn，其平均濃度小于100 μg/L。Fe 和Cu 沿程濃度波動較大，且在不同水深以及不同采樣點都具有相似的變化規律，表明這2 種元素可能有相同的來源。在這7 種金屬元素中，大部分金屬元素的最高濃度出現在采樣點H3 和H7 處，這兩地的工業活動較多，相較于其他采樣點重金屬濃度偏高一點。沿河的各個地方受人類活動影響程度不同，受河段的微量元素的影響也不同，導致微量元素在不同地區具有不同的分布情況[16-18]。

2.3 該河段與其他河流的對比

表3 顯示該河段水體所測的重金屬含量都高于其他河湖，其中Fe 的平均含量是“其他河湖”的1～2倍，Mn、Fe 元素的最小值低于贛江和巢湖。雖然與其他湖河相比，部分重金屬含量高了一些，根據地表水環境質量標準，在所采樣河段，大部分水體重金屬含量符合三類水標準，說明該河段水質較好[19-22]。

表3 該河段和其他河湖重金屬濃度研究對比 單位：μg·L-1

2.4 重金屬的污染評價

本研究用采樣單因子污染指數法和綜合污染指數法對該河段水體中的單一重金屬以及多種重金屬綜合污染來進行評價，計算公式為

其中，Ai表示單因子污染指數，Ci表示元素i的測量濃度，Si表示元素i的評價標準，I表示綜合污染指數，n表示元素個數，該河段水質常年維持在III 類水平，因此采用《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中III 類標準來評價，表4 為污染評價標準。

表4 單因子及綜合污染評價標準

表5 為單因子污染指數（Ai）以及綜合污染指數（I），由此表可知，該河段絕大部分水體都受到了不同程度的重金屬污染。只有Cu、Mn 在所有檢測點的單因子污染指數均小于1，污染水平為無污染。Cr 元素大部分采樣點水樣的單因子污染指數小于1，Fe 元素單因子污染指數大部分在1～2 之間，表明水體受到Cr、Fe元素污染的大部分都是輕度污染，Pb 元素個別采樣點單因子污染指數較大，大部分采樣點Pb 元素污染水平屬于無污染。水體中重金屬濃度Zn、Cd 在部分點位的4 m 和8 m 處的單因子污染指數大于3，表明這2種元素在部分點位深層水中含量高一些。個別采樣點的重金屬污染嚴重可能與居民生活以及當地工業活動有關。綜合污染指數只有2 個采樣點的數值小于1，污染水平為無污染。該河段大部分水體的重金屬含量都符合地表水三類水質標準，水體質量較好，該河段的重金屬污染問題，仍然需要注意防范。

表5 該河段水體重金屬污染指數

續表5

該河段重金屬元素含量在同一采樣斷面處的不同水深時濃度差異性不大，表明該河段水體上下層運動較劇烈，混合能力較強。水體重金屬濃度的沿河分布有著較大的差異性，主要是因為不同地方的人為活動不同。采樣點H3 和H7 處工業活動較多，導致這兩地大部分重金屬濃度較高。

該河段的綜合污染指數大部分都大于1，且部分水體重金屬濃度較高。其中Cu、Mn、Cr、Fe、Pd 元素污染水平較低，Zn，Cd 在部分取樣點的含量偏高，大部分采樣點的重金屬含量符合地表水三類標準，總體污染水平較低，水質較好。