宁夏引黄灌区排水沟重金属分布特征及风险评估

李延林，郑 灿，邱小琮，尹 亮，杨子超

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏大学生命科学学院，银川 750021)

近年来，随着工业化和城市化进程的加快，大量水域被重金属污染。人类活动排放的重金属通过多种方式进入水体，被水中悬浮颗粒物和底部沉积物所吸附，并在其中富集，最终主要储存于水体沉积物中[1]。重金属具有不能被微生物降解、潜伏期长、毒性大、难去除、易富集的特征，水体中的重金属被生物体吸收、富集之后可沿食物链传递，放大富集进入人体，危害人身体健康[2]。然而在人类活动、降雨、生物扰动、水环境化学条件变化等因素的影响下，沉积物中的重金属又被释放到水体中，造成水体的二次污染[3]。因此，研究水体中重金属的含量及分布特征是十分必要的，可为研究区域的重金属污染状况提供第一手的数据资料，有利于开展区域性重金属污染防治工作。

农业生产中农药、劣质化肥等的不合理使用是重金属的重要来源[5]，残留在土壤中的农药、化肥等污染物及所含的重金属在地表水、降水冲刷淋溶等作用下被运输到河流中引起污染[6]；化工、钢铁等企业生产过程中产生的“三废”中含有Hg、Pb、Cu、Zn、As、Cd、Cr等重金属会对环境造成污染[7]；城市污水中除含有大量的有机物外，还有Pb、Zn、Cd、Cr等重金属，污水不处理或处理不完整直接排入河流会增加水体和沉积物中重金属的浓度[6,8]。张晴雯[9]等分析了宁夏黄灌区湿地沉积物剖面中TOC、TN、TP、Zn、Cu含量的垂向分布特征，并与湿地周围农田、排水沟和猪场排污口沉积物相应层次元素的含量进行了比较。朱嵬[10]等调查了宁夏黄河流域9个湿地底泥中重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)的含量与富集情况，并湿地底泥中重金属的富集系数和生态危害系数以及各采样点的生态危害指数进行探讨。夏修杰[11]等为了解黄河中下游河道淤积泥沙重金属污染状况，沿河道采集15 个深层淤积泥沙样本，对样本中的Pb、Cu、Cd、Hg、Zn、Ni、Cr共7种重金属和As 的含量进行了检测，选择单因子质量指数法和地累积指数法开展了评价。

黄河宁夏段位于中卫下沿河至石嘴山二水文站之间，沿黄河两岸地形呈“J”型带状分布，该段是黄河上游主要的灌溉用水和水污染严重的河段之一。引黄灌区涉及青铜峡市、永宁县、银川市、贺兰县、平罗县、惠农县、石嘴山市、中卫县、中宁县、吴忠市、灵武市等11个县(市)和20多个国营农、林、牧场，年均引黄河水70 亿m3，其中农业用水占93%～95%，年退入黄河水量25 亿m3左右。在黄河宁夏段自流灌区内部，有大小排水沟近200条，主要排水干沟32条，排水总量约25 亿m3[12]。近几年来，引黄灌区排水沟不仅接纳农田退水，同时，大量的生活污水及工业废水等排入排水沟，使入黄排水沟的水环境质量呈逐年恶化趋势。胡宜刚[13]等研究了宁蒙引黄灌区农田排水沟渠水质特征，发现宁蒙引黄灌区农田排水污染以氮含量超标为主，尤其以农沟和干沟为主，而磷浓度较低，基本不造成污染；刘国强[12]等对宁夏引黄灌区农田退水污染现状进行分析，结果表明化肥与规模养殖是灌区水体TN(总氮)和TP(总磷)的主要污染源，工业废水和城市生活污水对水体质量仍然具有重要影响；黄仲冬[13]等对宁夏引黄灌区典型区域农田水质特征进行研究，结果显示农田退水中铵态氮和总磷的浓度均超过《地表水环境质量标准》，分别属于中度污染和重度污染。目前已有的研究主要集中在引黄灌区排水沟农田退水中TN和TP等的研究，对引黄灌区排水沟重金属的研究较少。基于此，本研究在搜集引黄灌区各排水沟2011-2015年重金属因子指标基础上，采用主成分分析法分析影响排水沟水质的主要重金属，采用内梅罗综合污染指数法进行重金属污染风险评估，对宁夏引黄灌区各排水沟内梅罗综合污染指数与社会经济指标灰关联法分析，确定影响各排水沟的社会经济指标，旨在为宁夏引黄灌区排水沟重金属污染综合整治提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据采集

宁夏引黄灌区排水沟重金属检测数据取自《宁夏回族自治区环境状况公报》，包括中卫第四排水沟、吴忠南干沟、银川灵武沟、吴忠清水沟、银川银新干沟、银川四二干沟及石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口7条排水沟。按照引黄灌区排水沟在宁夏回族自治区的位置，分别收集中卫市、吴忠市、银川市、石嘴山市的各项社会经济指标的原始数据，数据来源于2011-2015年《宁夏回族自治区统计年鉴》和《宁夏回族自治区水资源公报》。

1.2 污染风险评价方法

1.2.1 主成分分析法

主成分分析法是一种将多因子纳入同一系统进行分析，从而找出关键影响因子的一种统计分析方法。主成分分析法应用于水环境因子分析主要有两方面：一是构建综合评价指标体系，评价水质的污染程度，并进行分级；二是评价各单项指标的作用，从中选取主要指标，确定影响水质的主要因子[14]。

1.2.2 灰关联法

灰关联法就是以各排水沟内梅罗综合污染指数为母序列，影响因子为子序列，计算各排水沟内梅罗综合污染指数与影响因子的关联度，根据关联度的大小确定影响因子的作用大小[15,16]。

1.2.3 内梅罗综合污染指数法

水体中往往是多种重金属同时存在的，内梅罗综合污染指数法不仅能够反映水体重金属污染现状，还可以根据各种重金属对复合污染的不同贡献甄别出主要污染物，是水体重金属污染评价的常用方法[17,18]。其计算方法为：

单因子污染指数：

Pi=Ci/Si

(1)

多因子综合污染指数：

(2)

式中：Ci为重金属i的实测浓度；Si为相应的水质指标，宁夏引黄灌区排水沟的水质目标为Ⅳ类水，因灌区的水要排放到黄河，故采用GB 3838-2002 中Ⅲ类水质标准作为参比标准[19]；max(Pi)为重金属单因子污染指数的最大值；ave(Pi)为各金属单因子污染指数的平均值。

单因子污染指数和多因子污染指数的评价标准如表1所示[20]。

2 结果与分析

2.1 宁夏引黄灌区排水沟重金属时空分布特征

将宁夏引黄灌区7条排水沟Hg等8种重金属浓度的平均值与我国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中的Ⅴ类水质标准进行对比，Hg等8种重金属浓度的平均值均未超过地表水Ⅴ类水质量标准。图1～图8为宁夏引黄灌区7条排水沟中Hg等8种重金属浓度平均值在2011-2015年内变化曲线。

图1 重金属Hg时空分布Fig.1 Temporal and spatial distribution of heavy metal Hg

图2 重金属Pb时空分布Fig.2 Temporal and spatial distribution of heavy metal Pb

图3 重金属Se时空分布Fig.3 Temporal and spatial distribution of heavy metal Se

图4 重金属Zn时空分布Fig.4 Temporal and spatial distribution of heavy metal Zn

图5 重金属As时空分布Fig.5 Temporal and spatial distribution of heavy metal As

图6 重金属Cd时空分布Fig.6 Temporal and spatial distribution of heavy metal Cd

图7 重金属Cu时空分布Fig.7 Temporal and spatial distribution of heavy metal Cu

中卫第四排水沟、银川银新干沟、银川四二干沟和石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口、Hg浓度平均值在2011-2015年总体变化趋势较平稳，无明显的变化；吴忠南干沟和银川灵武沟Hg浓度平均值在2011-2015年内变化幅度较大，均在2012年达到最高；吴忠清水沟Hg浓度平均值在2011-2013年逐渐升高，并在2013年达到最高，2013-2015年逐渐降低。

中卫第四排水沟Pb浓度平均值在2011-2015年保持不变；石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口Pb浓度平均值在2011-2015年内变化幅度较大，2011-2012年降低，2012-2013升高，2013-2015年呈逐渐降低趋势；其余各排水沟Pb浓度平均值在2011-2105年呈逐渐降低趋势。

中卫第四排水沟和吴忠清水沟Se浓度平均值在2011-2015年保持不变；银川银新干沟和石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口Se浓度平均值在2001-2015年逐渐降低；其余各排水沟Se浓度平均值在2011-2015年变化趋势较平稳，无明显的变化。

吴忠清水沟和吴忠南干沟Zn浓度平均值2011-2015年保持不变；银川灵武沟Zn浓度平均值在2011-2014年变化趋势平稳，2014-2015年突然升高；中卫第四排水沟和银川银新干沟Zn浓度平均值2011-2015年变化幅度较大，中卫第四排水沟Zn浓度平均值在2013年达到最高，银川银新干沟Zn浓度平均值2015年最高；银川四二干沟在2011-2015年总体上呈逐渐升高趋势；石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口Zn浓度平均值2011-2015年总体上呈下降趋势。

中卫第四排水沟As浓度平均值在2011-2013年变化趋势平稳，2013-2015年呈降低趋势；吴忠南干沟 As浓度平均值在2011-2013年逐年升高趋势，2013-2015年逐渐降低；银川灵武沟和银川四二干沟As浓度平均值2011-2015年变化幅度较大，均在2013年达到最高；吴忠清水沟As浓度平均值2011-2015年总体上呈上升趋势；银川银新干沟和石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口As浓度平均值2011-2015年呈逐渐降低趋势。中卫第四排水沟、吴忠南干沟和吴忠清水沟Cd浓度平均值在2011-2013年逐年降低，2013-2015年保持不变；石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口Cd浓度平均值在2011-2015年保持不变；其余各排水沟Cd浓度平均值在2011-2015年变化趋势较平稳。

中卫第四排水沟、吴忠南干沟和吴忠清水沟Cu浓度平均值在2011-2015年保持不变；银川灵武沟和银川四二干沟Cu浓度平均值2011-2014年变化幅度较小，2014-2015年突然上升；银川银新干沟Cu浓度平均值在2011-2015年变化幅度大，在2015年达到最高；石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口Cu浓度平均值在2011-2015年变化不大。

中卫第四排水沟和吴忠清水沟Cr浓度平均值在2011-2015年保持不变；吴忠南干沟、银川灵武沟、银川银新干沟和银川四二干沟在2011-2015年变化不大；石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口Cr浓度平均值在2011-2015年变化幅度不大，2014-2015年突然降低。

2.2 基于主成分分析法的宁夏引黄灌区排水沟重金属分析

应用DPS数据处理系统对宁夏引黄灌区排水沟重金属进行主成分分析，运用方差最大正交旋转法对因子载荷矩阵进行旋转,按照85%的累积方差贡献率提取主成分,然后选择旋转后载荷值大于0.6的指标作为主要因子进行分析[14,21,22]。各因子的主成分得分值与对应的方差贡献率乘积的和即为各因子的综合得分[23],计算各重金属因子的综合得分，按照分值大小排序，确定影响宁夏引黄灌区各排水沟的主要重金属因子。

对各排水沟重金属进行主成分分析，结果见表2，计算各排水沟第一主成分重金属因子的综合得分，得到影响中卫第四排水沟水质主要重金属因子为Cd、Pb；影响吴忠南干沟水质主要重金属因子为Pb、Cu；影响银川灵武沟水质主要重金属因子为Hg、Zn；影响吴忠清水沟水质主要重金属因子为As、Zn；影响银川银新干沟水质主要重金属因子为Cu、As；影响银川四二干沟水质主要重金属因子为Zn、As；影响石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口水质主要重金属因子为Pb、Cr。

表2 各排水沟主成分分析结果Tab.2 Principal component analysis results of each drainage ditch

2.3 基于内梅罗综合污染指数宁夏引黄灌区排水沟污染评价

2.3.1 内梅罗综合污染指数

计算宁夏引黄灌区2011-2015年排水沟中8种重金属的综合污染指数，结果如图9所示。从各排水沟的Pn值来看，中卫第四排水沟污染等级在2011年处于警戒线，2012-2015年污染整体处于尚清洁水平；吴忠南干沟污染等级在2012年、2013年和2014年达到警戒线，其余各年污染处于安全等级；吴忠清水沟污染等级在2013年达到轻度污染，其余各年污染水平处于尚清洁，但2012年和2014年Pn值分别为0.57和0.5污染等级接近警戒线；银川灵武沟2011-2015年污染整体处于清洁水平，但2011年、2012年和2013年的Pn值分别为0.5、0.5和0.64接近警戒线等级；银川银新干沟和银川四二干沟在2011-2015年污染整体处于清洁水平；石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口在2011年的Pn=0.58接近警戒线等级，其余各年均污染整体处于清洁水平。

图9 宁夏引黄灌区2011-2015年排水沟重金属的综合污染指数Fig.9 Comprehensive pollution index of heavy metals in drainage ditch in ningxia irrigation district of Yellow River diversion from 2011-2015

2.3.2 各排水沟内梅罗综合污染指数与社会经济指标的灰关联分析

选取各市农业耗水总量、农用化肥使用量、农业总产值、工业总产值、工业废水排放总量和城镇生活污水排放总量社会经济指标，用DPS进行各排水沟综合污染指数与社会经济指标灰关联分析，分析结果见表3。

影响中卫第四排水沟水质的主要重金属是Cd、Cr，与内梅罗综合污染指数关联度高的是工业废水排放总量、农业总产值、城镇生活污水排放量，污染等级在2011年处于警戒线，2012-2015年污染整体处于尚清洁水平，主要由于对工业废水排放总量进行了控制，强化对重点行业、重点企业主要污染物控制；影响吴忠南干沟水质的主要重金属是Pb、Cu，与内梅罗综合污染指数关联度高的是城镇生活污水排放量、工业总产值、农业耗水量，在2011-2013年水质恶化，主要由于排入吴忠

表3 各排水沟综合污染指数主要影响因子Tab.3 Main influence factors of comprehensive pollution index of each drainage ditch

南干沟的工业废水和城镇生活污水增多，工业废水排放总量和城镇生活污水排放量增加，导致吴忠南干沟水质恶化；影响吴忠清水沟主要重金属是As、Zn，内梅罗综合污染指数关联度高的是工业废水排放总量、农用化肥施用量、城镇生活污水排放量，在2011-2014年水质恶化，主要由于排入吴忠南干沟和吴忠清水沟的工业废水和城镇生活污水增多，工业废水排放总量和城镇生活污水排放量增加，导致吴忠清水沟水质恶化；影响银川灵武沟水质的主要重金属是Hg、Zn，内梅罗综合污染指数关联度高的是农业耗水量、工业废水排放总量、农用化肥施用；银川银新干沟水质的主要重金属是Cu、As，内梅罗综合污染指数关联度高的是农业总产值、城镇生活污水排放量、农业耗水量；银川四二干沟水质的主要重金属是Zn、As，内梅罗综合污染指数关联度高的是工业废水排放总量、农用化肥施用量、农业耗水量；银川灵武沟在2011-2013年水质相对较差、银川四二干沟和银川银新干沟在2011年水质较差，主要是由于排入银川灵武沟、银川四二干沟和银川银新干沟的工业废水总量和农田退水量增多，随后水质逐渐改善是由于减少了排入排水沟的工业废水量、城镇生活污水量和化肥使用量，使农业面源污染和工业点源污染减轻；影响石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口水质的主要重金属是Pb、Cr，与内梅罗综合污染指数关联度高的主要影响因子依次为农业耗水量、工业总产值、城镇生活污水排放量，2011年污染等级接近警戒线，各年均污染整体处于清洁水平，2011-2015年石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口水质改善是由于对工业废水排放总量进行了控制，强化对重点行业、重点企业主要污染物控制，同时减少了农田退水量和化肥使用量。

3 结 语

(1)2011-2015年宁夏引黄灌区7条排水沟中8种重金属含量的平均值均低于地表水环境质量标准(GB3838-2002)中Ⅴ类水质标准，7条排水沟重金属浓度平均值整体上在2011-2015年内变化幅度不大。

(2)运用主成分分析法研究确定影响宁夏引黄灌区各排水沟水质的主要重金属，分析表明，影响中卫第四排水沟水质的主要重金属是Cd、Cr；影响吴忠南干沟水质的主要重金属是Pb、Cu；影响银川灵武沟水质的主要重金属是Hg、Zn；影响吴忠清水沟水质的主要重金属是As、Zn；影响银川银新干沟水质的主要重金属是Cu、As；影响银川四二干沟水质的主要重金属是Zn、As；影响石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口水质的主要重金属是Pb、Cr。

(3)用内梅罗综合污染指数法评价宁夏引黄灌区排水沟污染评，结果表明中卫第四排水沟污染等级在2011年处于警戒线，2012-2015年污染整体处于尚清洁水平；吴忠南干沟污染等级在2012年、2013年和2014年达到警戒线，其余各年污染处于安全等级；吴忠清水沟污染等级在2013年达到轻度污染，其余各年污染水平处于尚清洁，但2012年和2014年Pn值分别为0.57和0.5污染等级接近警戒线；银川灵武沟2011-2015年污染整体处于清洁水平，但2011年、2012年和2013年的Pn值分别为0.5、0.5和0.64接近警戒线等级；银川银新干沟和银川四二干沟在2011-2015年污染整体处于清洁水平；石嘴山第三、五排水沟汇合后入黄口在2011年的Pn=0.58接近警戒线等级，其余各年均污染整体处于清洁水平。