基于改進主成分分析法的水環境中重金屬污染流域水質生態評價方法研究

徐劍喬

摘要：為了準確掌握水環境中的重金屬污染情況，提高水質生態防治效果，提出了基于改進主成分分析法的水環境中重金屬污染流域水質生態評價方法研究。選取研究污染流域水質區域，收集4個區域地表水，測定金屬元素含量，通過四類分析與評價法，實現對水環境中重金屬污染狀況及潛在危害的生態評價，得出評價的B區域和C區域水質綜合重金屬污染較高，鐵元素在四個區域均在第一主成分，是污染程度最高的，整體生態評價為及格。評價結果表明所提方法可以對水環境中重金屬污染狀況進行精確的評價，輔助保護人民身體健康與生態環境。

關鍵詞：改進主成分分析法；潛在生態風險；水生態環境；重金屬污染；水質生態評價

中圖分類號：X824 文獻標志碼：B

前言

隨著社會經濟的發展，人類對資源的過度利用、不合理的人類開發活動等導致一系列的水生態問題，未經處置的生活廢水、工業廢水、農業污水和其他有毒有害物質等不合理地排放到河流中，導致了水質和其他水生態環境的惡化，間接性地造成人類健康受損等問題。針對工業污水等排入江河造成的水環境污染，具有影響范圍廣、污染嚴重、防治難度大等問題。

王鋮潔等以蘇北平原河網區為研究區，不同地區的流域生態評估準則為依據，以及“水質好壞度”和“群眾滿意度”為否定項，構建一套包含水生物、水生態、水空間、水安全和公眾滿意度等多個方面的生態綜合評估指標體系。林廣等針對影響因素多、耦合機理復雜的現狀，將河流水質變化表征為各影響因素的一階、二階偏導項線性疊加，建立河流水質變化的數學模型。

但上述文獻方法不能準確掌握河流污染狀態，從而影響修復和治理工作效率。因此，基于改進主成分分析法的水環境中重金屬污染流域水質生態評價方法研究。通過選擇研究區域，設置采樣點并采集樣品水，獲得平均質量濃度，確定生態評價等級為及格，并利用改進主成分分析法等方法得出鐵元素是水環境中重金屬含量濃度高，對流域水質生態影響最大。

1 材料與方法

1.1 研究區域

此研究區域的流域水系長116千米，這條河的河寬為5. 98米，水深為0.36米，年均徑流量為4.91億立方米，包含11條支流，A、B、C、D四個區域。

在流域河段，集水區面積為53平方公里，最大徑流和最小徑流分別為23.0立方米和0.039立方米；其最大流速為1. 26米／秒，最小流速為0.14米／秒，年均流量為0. 597米／秒，全年徑流量為1 963萬立方米。此流域的社會經濟得到了快速的發展，流人河段的污染物已經超過了流域的水環境承載能力。

1.2 樣品的采集與重金屬含量測量

通過GPS定位采樣點分別對四個區域實行采集樣品，在相同的取樣點，以及離河面0.3 m深的河道剖面上收集多個點的水樣，將其等份均勻混合后放置30分鐘，然后把500毫升的水放進一個塑料瓶子內，但在放樣品水前需要利用去離子水將瓶內清理干凈，且洗三遍，用0.4微米微孔濾膜對水樣進行過濾，再添加2 mL的硝酸，用一層密封的薄膜將瓶子的口部封閉起來，在4℃的環境中運輸和保存樣本，最終將樣本送到實驗室做金屬元素的測試。通過電感耦合等離子體質譜儀測定水中鉻、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、鉛濃度，在對每個樣本分別進行3次試驗后，得到其平均質量濃度。

1.3 基于改進主成分分析法的水質生態評價

水環境中的重金屬，以中國土壤環境背景值為研究對象，以《土壤質量標準》為依據，對其河流中的重金屬含量進行了分析與比較。地積累指數法根據Muller的分類標準，將污染物由沒有污染至極度污染分成6個級別，見表1為污染等級和水質生態評價等級。

1.3.1 地積累指數

地積累指數Igeo是常用的重金屬污染評價法。在此基礎上，引入了地球化學背景值，可以更直觀地反映土壤中重金屬的污染情況。表達式為式（1）：

式（1）中，Cn描述的是測定的重金屬含量；Bn描述的重金屬背景值；K描述的取自不同地區的巖性差別可能導致背景值變化的系數。

1.3.2 潛在生態風險指數

將毒性關聯系數引入到風險評價中，但要顧及水環境中重金屬范圍背景值的差別以及毒性的變化，以排除干擾因素，表達式為式（2） -式（5）：

式（2） -式（5）中，Cif描述的是金屬污染系數，Cin描述的是參考值，表示全國范圍土壤環境背景值。Tir描述的是金屬毒理反應因子，Eir描述的是潛在生態危害系數，RI描述的是復合重金屬的潛在生態風險因子，Cd描述的是多因素污染參量。

1.3.3 水環境生態危害評價模型

重金屬對生態造成的危害可分為兩類，一類是有毒物，另一類是非有毒物。則表達式為式（6） -式（8）：

式（6） -式（8）中，Rci描述的是有毒物質i經過食人性引起的年平均中毒風險，Rni描述的是非有毒物質i經過食人性引起的年平均中毒風險，Di描述的是有毒物質或非有毒物質i的單位體重日均暴露劑量，qi描述的是由食入性有毒物i所引起的中毒力系數，RfDi描述的是由食入性非有毒物i所引起的中毒力系數，80描述的是人類平均預期壽命，2.0描述的是成人每天喝水量平均值，L，Ci描述的是飲用水中的重金屬含量，75描述的是成人平均重量，kg。

2 水環境中重金屬污染流域水質生態評價

2.1 重金屬分布特征

根據測量結果可知，D區域的水環境中鐵含量是最高的，這是由于該地區有多個礦區，礦石的風化和降雨沖刷作用，使礦石中的金屬被運移到流域內，對水體造成嚴重的鐵污染。一旦發生洪澇災害時，可能會發生倒灌現象，使水中的污染物不斷積累，從而加重河流的污染狀況。汞在A區域的分布不均，且污染程度較重，可以把汞看作是人類活動的一個重要因子。為此，能夠認定此位置在人口流量大，人為活動頻繁，城市生活污水、固體廢棄物等大量排放會引起汞污染。

2.2 重金屬污染水質生態評價

采用改進主成分分析法，通過軟件SPSS19.0中的測度及巴特利球體球形度檢驗，發現規范化后的重金屬數據適用于改進的主成分分析法。

A區域重金屬鐵、汞在第一因子上的載荷最高，而重金屬鉻、錳、銅、鉛則在第二因子上相對最高，重金屬鎳、鋅在第三因子上含量最高，故可推測A區域中重金屬主要有2種來源。

B區域則重金屬錳、鐵在第一因子上的載荷最高，重金屬鉻則在第二因子上相對最高，重金屬鎳、銅、鋅、汞、鉛在第三因子上含量最高，故可推測B區域中重金屬主要有2種來源。

C區域則重金屬鉻、鐵、鉛在第一因子上的載荷最高，重金屬錳、銅、汞則在第二因子上相對最高，重金屬鎳、鋅、汞在第三因子上含量最高，故可推測C區域中重金屬主要有3種來源。

D區域則重金屬鐵在第一因子上的載荷最高，重金屬鉻、錳、銅則在第二因子上相對最高，重金屬鎳、鋅、汞、鉛在第三因子上含量最高，故可推測D區域中重金屬主要有1種來源。

通過對4個區域中8種重金屬的潛在生態風險系數和整體潛在生態風險指數進行計算，如表2所示，以采樣點的重金屬平均潛在風險因子為基礎，4個區域8種重金屬的潛在生態風險由高到低依次是：A區域：鐵>汞>銅>鉻>鉛>錳>鋅>鎳，B區域：錳>鐵>鉻>銅>汞>鎳>鉛>鋅，C區域：

3 結束語

重金屬，這類潛在的有害物質，具有生物累積性和毒性。在水環境中，重金屬會受到物理、化學和生物等多種因素的影響，從水相向固相遷移。這種遷移可能導致重金屬通過食物鏈進人生物體，進而對人類的健康和生態系統產生嚴重影響。為了準確評估水環境中重金屬的污染程度及其對流域水質生態的影響，研究采用改進主成分分析法進行評價。通過實地采樣、測定樣本水的平均質量濃度，并明確生態風險等級，研究發現水環境中重金屬鐵的含量較高，對流域水質生態的影響最為顯著。綜合評估結果顯示，整體水質生態評價達到及格水平，但仍需繼續關注并采取措施減輕重金屬污染，以確保生態系統能夠在安全的環境中持續發展。