吕梁市降雪中重金属污染分析

张婷瑜，武瑞平，周 慧

(吕梁学院，山西 吕梁 033000)

大气中的污染物可以通过干沉降和湿沉降的方式到达地面，从而可能对水体和土壤造成间接污染。重金属元素有较强的生物累积性和难降解性，可以通过化石燃料燃烧、汽车尾气、企业烟气、土壤扬尘等进入大气，吸附在气溶胶上。在我国北方城市，冬季的湿沉降以降雪为主，因此降雪中重金属不仅能反映环境中重金属的污染状况，同时也能为大气中重金属污染来源和其环境行为提供重要依据[1]。

本文对吕梁市区降雪中重金属的含量进行了监测和分析，同时用富集系数法分析了可能的来源并对其潜在生态风险进行了评价，以期了解吕梁市大气降雪中重金属污染情况和来源，为寻求解决措施提供理论依据。

1 样品采集及分析

1.1 样品的采集

雪样采集于2017年末到2018年初的全部两场降雪(2017年12月14日和2018年1月7日)。采样地点按照居民区(住宅小区)、工业区(电厂)、商业区(市区)和清洁区(吕梁学院)4个功能区进行样品的采集。

采用聚乙烯塑料瓶采集样品，采样前将塑料瓶预先用硝酸浸泡24 h以上，再用去离子水冲洗干净，以除去可能存在的金属离子。为避免雪样表层尘土的污染，样品采集时去除表层浮雪后进行采集，采样后立即密封，带回实验室。

1.2 样品的预处理

采集的雪样在室温下融化，立即测定其pH值。然后将融化的雪样加适量硝酸酸化，低温保存待处理。

取50 mL融化雪样于聚四氟乙烯烧杯中，加入10 mL浓硝酸和3 mL高氯酸在110℃的不锈钢恒温电热板上消解，消解至5mL左右且溶液清澈透明，用1%的稀硝酸冲洗烧杯，最终定容至25 mL的容量瓶中，待测。

1.3 样品分析

样品pH值的测定采用pH计。样品中重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Mn的含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定，同一样品平行测定3次。

2 结果与讨论

2.1 吕梁市降雪中重金属含量

吕梁市降雪pH值及6种重金属的测定结果如表1所示。

由表1可以看出，吕梁市区降雪呈弱酸性，样品pH值为5.79～6.61。由于样品pH值均大于5.6，故不属于酸性降水。表2为吕梁市降雪中重金属的浓度特征。

表1 吕梁市降雪pH及重金属含量Table 1 pH value and concentrations of Cu,Pb,Zn,Cr,Cd,Mn in the snow

注：除pH值外，表中单位为μg/L。

表2 吕梁市降雪中重金属的浓度特征Table 2 Concentration characteristics of heavy metals in snowfall in lvliang City

2场降雪中，6种重金属含量平均值由高到低依次为：Zn>Mn>Pb>Cu>Cr>Cd，含量最高的Zn元素的范围为：58.54～255.50 μg·L-1，平均值为125.85 μg·L-1；含量最低的Cd元素的范围为：5.79～6.00 μg·L-1，平均值为6.00 μg·L-1。6种重金属的变异系数为4.25%～64.44%，元素Cu、Cd的变异系数较小，说明这两种元素在不同功能区之间的含量差异较小，而其他元素在不同功能区中含量差异较大，这与不同功能区中重金属的来源有较大关系。不同时段的2场降雪中，重金属Cu、Pb、Cd、Mn的平均含量变化不大，而Zn、Cr的含量在第二场雪中的平均含量高于第一场，这可能与人类活动的干扰有较大关系，此外，也可能与气象条件有关[2]。

从各功能区看，2次降雪中，元素Pb在商业区的浓度明显偏高，这可能与商业区汽车流量较大，汽车尾气的排放有关。Zn、Mn元素在工业区的含量较高，这可能与工业尾气的排放等人为活动有关。

将测量结果与地表水环境质量标准(GB3838-2002)相比较(见表3)。从表3可以看出，Cu、Zn、Cr元素的含量低于Ⅱ类水的标准限值，高于Ⅰ类水的标准限值；Cd的含量低于Ⅴ类水的标准限值，高于Ⅳ类水的标准限值；Pb的含量低于Ⅲ类水的标准限值，高于Ⅱ类水的标准限值；Mn的含量符合集中式生活饮用水地表水源地的标准限值。这表明吕梁市融雪已不能作为Ⅱ、Ⅲ类水体使用，城市大气中重金属存在一定程度的污染。

表3 降雪中重金属含量与地表水环境质量标准比较Table 3 Comparison between concentrations of 6 heavy metals in snowfall and environmental quality standards of surface water

将本文结果与城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)相比可知，吕梁市两场降雪中6种重金属的含量均低于排放标准，这表明融雪可以排入自然水体，不会对自然水体造成污染。

2.2 吕梁市降雪中重金属的来源分析

本文采用富集系数法来判别元素的自然来源和人为来源。富集系数EF为：

式中：Xi为待评价元素i的含量；Xr为参比元素r的含量。通常选取地壳中普遍大量存在、人为污染源小、化学稳定性好且挥发性较低的元素为参比元素[3-4]。EF<5，表示该元素主要来自于地壳；5100，表示元素明显受到人类活动影响，严重富集[5]。

本文选用Al作为参比元素，吕梁市降雪样品中Al的平均浓度为93.46 μg·L-1，参考地壳中各元素的丰度值[6]，得到吕梁市两场降雪中6种重金属的平均富集系数见表4。可以看出，元素Cr的富集系数小于5，说明Cr主要来自于地壳；元素Mn的富集系数为24.47，表示元素Mn受人类活动影响较大，属于中度富集；其余元素的富集系数均大于100，说明Cu、Zn、Cd、Pb受人类活动影响严重，属于严重富集。元素Cd和Pb的富集系数甚至超过2000，这可能与机动车燃料的使用有关[2]。

表4 降雪中6种重金属的富集系数Table 4 Enrichment factors of six heavy metals in snowfall

2.3 潜在生态危害评价

瑞典学者Hakanson[7]提出的潜在生态危害指数法目前已广泛应用于重金属的生态危害评价中。潜在生态危害指数RI的计算公式为：

表5 潜在生态风险评价标准Table 5 Potential ecological risk assessment criteria

本文以国家地表水 I 类标准作为参比值，计算出吕梁市降雪重金属元素的潜在生态危害评价结果，见表6。

各元素的潜在生态危害指数的顺序为Cd>Pb>Cu>Cr>Zn，其中Cd的生态危害指数最高，具有很强的生态风险，其余元素的生态危害指数均未超过40，属于轻微生态风险。

5种重金属元素的潜在生态危害指数Ri=212.78，说明吕梁市降雪中重金属的潜在生态风险水平为中等生态风险。

表6 吕梁市降雪中重金属的潜在生态危害指数Table 6 Potential ecological hazard index of heavy metals in snowfall in lvliang City

3 结论

(1)吕梁市降雪中6种重金属平均含量顺序为Zn>Mn>Pb>Cu>Cr>Cd，含量最高的Zn平均浓度为125.85 μg·L-1；含量最低的Cd平均浓度为6.00 μg·L-1。。融雪已不能作为Ⅱ、Ⅲ类水体使用，但融雪可以排入自然水体，不会对自然水体造成污染。

(2)吕梁市降雪中Cr的来源主要来自地壳，Mn受到人为活动的影响，属于中度富集，Cu、Zn、Cd、Pb的富集系数均大于100，属于严重富集，说明这些元素的来源主要为人为源。

(3)潜在生态危害评价显示，降雪中重金属的潜在生态风险为中等生态风险水平，其中Cd的生态危害指数最高。