沉积物重金属污染：来源与样本的快速分离

童立立+陆胜杰

摘要：本论文以安徽省北部汴河沉积物为研究对象，对其中的五种重金属（Fe、As、Cr、Cu和Pb）浓度进行了测定，并结合因子分析和聚类分析探讨它们的来源。因子分析结果表明，这些沉积物中的重金属可能存在3个不同的来源，包括自然（1个）和人为（2个）两大类，其中Fe主要来自于自然风化。

关键词：重金属；沉积物；因子分析；K-均值聚类分析

1 引言：前人研究表明，在水生环境中，重金属通常是以溶解态、胶体、悬浮和沉积形式存在。在这些阶段，90%以上的重金属附着在颗粒物上，随后沉积到河床底部，从而导致沉积物中重金属的富集。反之，河流沉积物亦可以向河水和水生植物释放重金属。因此，河流沉积物既是重金属污染的汇，也是重金属污染的源。

本论文的主要目的是：（1）识别这五种重金属的不同来源；（2）识别出受人为活动影响（污染）的样本（采样点）。本研究对于保护汴河生态环境以及沉积物重金属污染治理具有重要意义。

2 采样与分析方法

2.1样品的采集与处理

本论文研究数据来自于2011年的新汴河环境调查。采样是沿着汴河河道，自宿州到泗洪进行采集的，共采集了45份表层沉积物（0～10 cm）作为样本。

分析过程：取1克样本溶于30 ml硝酸和氢氟酸的混合物中，在室温条件下静置10个小时，然后在50 ℃条件下保温2天。在冷却后利用0.45 μm滤纸过滤，并用硝酸（3%）稀释至50 ml后送实验室进行测试。Fe、As、Cr、Cu和Pb浓度利用电感耦合等离子体质谱仪进行测定，校准所用的标准样品为河流沉积物

3 結果与讨论

3.1变异系数

变异系数（标准偏差/平均值）对于污染的空间分布具有较好的指示作用，一般情况下，0.1以下的变异系数表明较低的变异程度，暗示几乎没有受到人为影响，而较高的变异系数（> 0.9）则暗示存在明显的人为影响。从本次研究来看，Fe的变异系数最小（0.22），而As、Cr、Cu和Pb分别为0.52、0.26、0.31和0.52，表明它们均具有中等的空间变异程度。

3.2正态分布

另外，相对于其它重金属，Fe的偏度值也是最低（0.345）。安德森 - 达林正态分布检验结果表明，只有Fe能够通过正态分布检验，因为其p值高于0.05，而其他重金属不能通过正态分布检验，因为它们的p值均小于0.05。相较而言，Cr更接近正态分布，因为其p值达到了0.03。这种分析结果表明，Fe可能来自于单一的自然风化，没有明显人为活动的贡献；Cr受到了较为轻微的人为活动影响。而其他的3种重金属元素可能受到了更多的人为活动的影响.

3.3因子分析

本研究所测试的5种重金属至少具有2种不同的来源。上文研究表明， Fe受到人为活动的显著影响。因此，因子1（包括Fe、Cu和Pb）可能代表自然或者地质因素，而因子2则可能代表人为因素（包括As和Cr）。然而，这种推断可能是存在错误的，因为上文研究已经可以基本上推断出，相对其他重金属元素，虽然Fe可能并没有受人类活动的显著影响，但Cu和Pb是存在的。

据此，因子1并不能简单的解释为自然因子，可能是自然和人为的叠加所致。可以发现，因子1中Fe的载荷（0.737）高于因子2（0.447，取绝对值），这可能反映自然过程对于2个因子中的不同元素具有不同程度的影响。

3.4 K-均值聚类分析

由于共发现了3种不同来源，因此将聚类数目设置为3，可以看到，聚类1、2和3分别有31、14和4个样本。从统计结果可以看出，聚类2中As和Cr平均含量最高，因此将聚类2中的样品考虑为受到了As和Cr污染的样品（包括样本23-27，35-39和45-48）。聚类3中Cu 和Pb平均浓度最高，因此将这些样品考虑为受到了Cu和Pb污染的样本（包括样本2，4，20和28）。剩余样本归类为聚类1，相对于聚类2和3，它们的特点是所重金属元素的均值均为中等，因此可以将聚类1考虑为仅受自然因素影响。

因此，城市地区家庭和工业活动排放的污水可能是其最主要的来源。然而，Cu 、Pb的点污染是非常有限的，其中2个都位于主干道路的附近，可以推测其与交通有关。此外，其它2个均位于正常位置没有任何特殊的特征，因此，可能是某种含Cu、Pb的点源污染所致。

结论：基于安徽省北部新汴河河流沉积物中5种重金属（Fe、As、Cr、Cu和Pb）含量的因子分析和K-均值聚类分析，取得了如下结论：（1）这5种重金属的浓度的贡献主要有三种来源：其中Fe主要来自于自然环境（如岩石风化），As和Cr除了自然来源外，还与城市中人类的生产生活有关，而Cu和Pb则是自然环境和点源污染的共同产物。（2）使用单纯的因子分析只能给出可能的重金属元素来源，在自然和人为贡献叠加的情况下，其结果可能会得到错误的来源解释。（3）将因子分析和K-均值聚类分析进行结合，不但可以获取可能的重金属来源，而且可以追踪特定的污染位置。

参考文献

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