西藏尼洋河水体重金属分布特征及风险评价

吕琳莉，李朝霞，黄 毅，崔崇雨

（西藏农牧学院，林芝 860000）

0 引 言

重金属可以通过采矿、化工、农药化肥、大气沉降及土壤溶蚀等途径进入水体[1]。由于其具有较强的生物毒性和生物链富集放大效应[2]，重金属含量是影响水生态环境安全评价的重要因素，因此《中华人民共和国地表水环境质量标准》中将 Zn、Cu、Se、Hg、As、Cd、Cr、Pb、Fe、Mn等作为水质监测指标。已有研究主要侧重于水体沉积物重金属含量及风险评价[3-4]。由于水体取用量大，可通过饮用、食物链等进入人体[5]，如果超标将直接威胁人类健康及生态环境，因此本文以水体重金属为研究对象。目前尼洋河重金属研究成果较少，已有研究主要对尼洋河单一时期重金属进行风险评价，未对不同时期的重金属进行对比研究[6]，因此本文对尼洋河不同时期重金属分布特征、机理及风险进行了分析。同时，由于尼洋河是雅鲁藏布江第二大支流，其气候、下垫面、水文特性等具有西藏河流的一般特性，其研究成果具有一定的普遍意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

尼洋河位于西藏自治区东南部、雅鲁藏布江中下游左岸，是雅鲁藏布江第二大支流。流域介于 92°10′～94°35′E 和 29°28′～30°30′N 之间。河长 318 km，河流平均比降3.64‰，落差2 080 m，流域面积17 679 km2。多年平均降雨量650 mm左右，年均温度8.7 ℃，汛期主要集中在6―9月，径流量约占年径流量的78%[7]。尼洋河支流众多，流域面积大于500 km²的一级支流有白曲、娘曲、巴河等（见图1）。流域地势西北高东南低。流域内海拔4 200 m以下为森林，4 200～4 500 m为灌丛草甸，4 500～5 200 m为高山草甸，5 200 m以上为高山寒冻带和高山冰雪带[8]。该流域跨越亚热带、高原温带、高原亚寒带和高原寒带气候带，基本包含了西藏河流的典型特征。

图1 尼洋河水系及测点分布图Fig.1 Distribution of Niyang River system and distribution of measuring points

尼洋河流域主要分布在林芝市工布江达县全域及巴宜区的部分乡镇，其中工布江达县包括 9个乡镇，巴宜区涉及市区、百巴镇、更张乡。按气候及地理特征，工布江达县加兴乡（海拔3 900 m）以上为上游段，加兴乡以下至巴河镇（海拔3 200 m）为中游段，巴河镇以下至尼洋河与雅鲁藏布江交汇处（海拔2 910 m）为下游段。据2014年统计，加兴乡以上人口近5 000人，占工布江达县人口总数的14%，牲畜4万余头，占工布江达县牲畜总数的 25%，耕地 272.87 hm²，占工布江达县耕地的8%左右，巴宜市区人口近6万人，是尼洋河沿程最大的人口聚集地。区域内无污水处理厂，区域经济以农牧业为主，无大的工矿企业。

尼洋河流域矿产资源丰富，矿产资源主要分布在中上游区域，其中，加兴乡日乌多铅锌矿点有矿体10处、富矿体 8处，矿石品位多数较富，以方铅矿为主，伴生有黄铜矿、闪锌矿；仲萨乡强昂多杰铜（钼）多金属矿点南段7个矿（化）体成矿较好，铜、钼可达工业品位，北段由 6个矿化体组成，未达工业要求；峡龙镇斯弄朗铜钼多金属矿化点有大量的中晚侏罗世叶巴组灰、灰黄色褐铁矿化石英岩残块；仲萨乡安布朗铜钼多金属矿化点有大量炉渣；江达乡江嘎普金矿位属斑点型；娘蒲乡乌弄金属矿、贵金属矿、金矿，矿化类型主要为构造蚀变岩型，其次为石英脉型[9]。

根据已有研究，西藏土壤重金属 Zn、Cu、Mn背景值频数分布呈对数正态，Zn的平均质量分数为73.7 mg/kg，Cu的平均质量分数为21.9 mg/kg[10]，Mn的平均值为626 mg/kg，Cd背景值频数分布呈偏态，平均值为0.08 mg/kg[11-13]，Fe平均质量分数为47 mg/kg[14]。

1.2 测点布设及样品采集

本文对尼洋河干流表层水体 Zn、Cu、Mn、Cd、Fe含量进行研究[15]，尼洋河水系及采样点分布见图1。从尼洋河干流海拔 4 677 m至尼洋河与雅鲁藏布江汇合处2 910 m沿程采样。采样点分布主要考虑海拔变化、支流汇入、水库大坝上下游和气候明显变化处，共设10个站点。采样时期从2016年至2017年，分别采集了尼洋河丰、平、枯 3个水期的水样进行检测。采集时取表层水面以下0.3～0.5 m处的水样，一份直接存储于聚乙烯塑料瓶中，一份酸化至pH值＜2后存储于聚乙烯塑料瓶中，密封后带回实验室置于4 ℃冰箱中保存待测[16]。Zn、Cu、Mn、Cd、Fe含量采用火焰原子吸收分光光度法检测[17]。

1.3 重金属富集程度分析方法

富集系数可以反映重金属的富集程度，因水体重金属来源与该区域土壤重金属含量息息相关，本文采取水体重金属含量与土壤背景值重金属含量对比来判断水体重金属的富集程度，富集系数计算公式为

式中Wn为水体元素n的实测质量体积比，mg/L，Wref为选定的水体参比元素的实测质量体积比，mg/L；Bn为土壤元素 n的背景值，mg/kg；Bref为土壤参比元素的背景值，mg/kg。研究认为，EF≤1.5时，重金属污染来自自然过程；当EF＞1.5时，重金属来自其他污染源[18]。

1.4 重金属污染风险评价方法

综合污染指数法将同一测点观测的重金属作为统一整体，研究这些重金属在相互作用情况下对环境产生的影响。本文采用综合污染指数法对尼洋河干流重金属污染进行风险评价[19-21]，其计算公式为

式中Ai表示重金属元素 i的污染指数；Ci表示重金属元素i的实测含量；Asi表示重金属元素i的评价标准，取地表水环境质量Ⅰ类标准作为平均标准；N为元素个数；WQI为水质综合污染指数。据已有的研究认为，当1＜W QI ≤ 2时，表明该水域重金属为轻度污染；当2＜ WQI≤ 3时，表明该水域重金属为中度污染；当WQI＞3时，表明该水域重金属为重度污染[22-23]。

2 结果与讨论

2.1 尼洋河重金属时间分布特征

尼洋河各时期重金属特征值如表 1所示，各测点重金属各时期变化见图2，结果表明，Zn、Cu、Mn均值及极值均表现为：平水期＞枯水期＞丰水期。

Cd含量表现为：在海拔3 500 m以上平水期＞丰水期＞枯水期，海拔低于3 500 m规律不明显。在巴宜市区出口位置枯水期出现了突变，且达到全年最大值。

Fe含量表现为：丰水期最小，且全河段达到生活饮用水标准；海拔 4 000 m以上枯水期＞平水期，海拔4 000 m以下，枯水期＜平水期。枯水期和平水期在3 500～4 500 m海拔均未达到生活饮用水标准。

Mn含量总体表现为：平水期＞枯水期＞丰水期，在3 500 m海拔以下及源头位置达到生活饮用水标准外，其他测点均未达到生活饮用水标准。

表1 尼洋河重金属特征值Table 1 Characteristic values of heavy metals in Niyang River mg∙L-1

2.2 尼洋河重金属空间分布特征

Zn、Cu、Mn、Cd、Fe含量空间变化见图2。源头重金属含量较低，其中 Zn、Cu、Mn、Fe含量达到地表水Ⅰ类水质标准，Cd达到Ⅱ类水质标准。在4 000～4 500 m海拔之间重金属含量都出现了突变。海拔3 500～4 500 m之间 Fe、Mn超过集中式生活饮用水地表水源地标准。Zn、Cu全河段全年未超过地表水Ⅱ类水质标准，可见，Cd、Fe、Mn是影响水质的敏感因子。水库大坝位置重金属出现了突变，但突变规律不明显，突变值较小，其变幅未导致水质等级跃变。

Cd含量导致的水质变化最大，其分布规律非常杂乱。源头位置较低，全年小于0.005 mg/L，小于地表水Ⅱ～Ⅳ类水质限值；在3 500～4 500 m高程，除枯水期外，都超过地表水Ⅱ～Ⅳ类限值，个别测点平水期甚至接近Ⅴ类水质标准限值；3 500 m以下，大部分测点水质未超过Ⅱ～Ⅳ类水质限值，但个别测点（巴宜市区下游）超过Ⅴ类水质标准限值。大坝位置变化规律：丰水期上下游含量接近，都超过地表水Ⅰ类水质上限，未超过地表水Ⅱ～Ⅳ类上限；平水期下游明显小于上游，下游未超过地表水Ⅱ～Ⅳ类上限，上游达到Ⅴ类水质要求；枯水期下游明显大于上游，上游达到地表水Ⅰ类水质要求，下游未超过地表水Ⅱ～Ⅳ类。可见水库大坝对Cd各时期的含量影响较大。

图2 重金属含量时空变化规律Fig.2 Temporal and spatial variation of heavy metals

2.3 重金属含量相关性分析

由各重金属含量相关性分析可以初步判断重金属的来源，若重金属之间显著相关，则可认为同源的可能性较大[24-25]。因尼洋河重金属的总体分布未知，应采用非参数检验方法。因Spearman相关系数分析适于总体分布类型未知的资料，故本文利用SPSS软件分析干流各时段重金属Spearman相关系数，计算结果见表2。

表2 重金属Spearman相关系数Table 2 Spearman correlation coefficient of heavy metals

可见，枯水期除Cd外，Zn、Cu、Mn、Fe两两之间呈显著相关。平水期重金属两两之间皆呈显著相关。丰水期Zn与Cu、Cd呈显著相关，Mn和Cu呈显著相关，Cd除与Zn相关外，与其他重金属相关不显著，Fe与其他重金属相关都不显著。可以认为，枯水期Zn、Cu、Mn、Fe同源；平水期Zn、Cu、Mn、Fe、Cd均同源；丰水期各金属元素同源的可能性不大。

2.4 尼洋河重金属迁移变化机理分析

从矿产资源分布来看，源头区域以上矿产分布较少，因此重金属含量较低，中上游区域是矿产资源的富集区，包含加兴乡、仲萨乡、江达乡、娘蒲乡的主要矿产区，因此中上游区域出现了重金属值突变。

由于下渗水流通过溶解、水化、水解、碳酸化等作用，使土壤表层中部分成分进入水中并被带走的作用称为淋溶作用。土壤淋溶作用与降水量有关，因此，枯水期的淋溶作用小于丰水期，而平水期介于两者之间。但尼洋河丰水期径流量占全年 78%，其对水体的稀释作用更加明显，故表现为丰水期Zn、Cu、Mn、Fe含量最小。平水期降雨量减少，土壤淋溶作用仍较强，表现为Zn、Cu、Mn含量在全河段最大。枯水期降水量少，土壤淋溶作用最弱，表现为 Zn、Cu、Mn含量低于平水期。Fe、Cd含量各时期不同海拔下的变化规律与Zn、Cu、Mn不完全相同，认为其与Fe、Cd土壤背景值、化学特性、土壤淋溶作用强度，以及人类活动影响等综合作用有关，应作进一步研究，但巴宜市区下游出现了Cd明显增大，应主要受城市污水污染所致。

由于Fe、Mn是参与地球化学循环的主要成矿元素[26]，且尼洋河流域土壤分布中各区均有铁锰斑点[27]，可认为Fe、Mn主要来自于自然过程，与其呈显著相关的重金属亦来自于自然过程，因此可以判断：枯水期Zn、Cu、Mn、Fe含量变化主要受自然过程影响，Cd主要受人类活动影响[28]；平水期重金属含量主要受自然过程影响；丰水期重金属与Fe、Mn的相关性不显著，故自然过程不是主要影响因素，推断应主要来源于人类活动或水文气象活动。

水库大坝上下游重金属出现了突变，但突变规律不明显，其中，Zn、Cu、Mn、Fe含量突变值较小，其变幅未导致水质等级跃变。Cd含量在枯水期和平水期受水库影响较大，考虑应受其化学特性、水库库容，泄水操作方式等因素影响较大，有待于进一步研究。

2.5 重金属富集特征

因Fe占地壳元素总量的4.75%，且在中性和碱性环境溶解度低，不易迁移，性质也较为稳定，故选取Fe为参比元素[29]。根据式（1）计算各时期水体重金属富集系数特征值见表3，富集系数分布见图3。结果表明，Zn、Cu、Mn各时期富集系数都小于1.5，初步判断其污染主要来自于自然过程。Cd富集系数远远大于1.5，整体表现为：丰水期＞枯水期＞平水期，最大值出现在巴宜市区下游的枯水期，其EF值达到105.366。可见Cd受人类活动影响大。

表3 尼洋河重金属富集系数特征Table 3 Characteristics of heavy metal enrichment coefficients in Niyang River

图3 重金属富集系数Fig.3 Enrichment coefficients of heavy metals

由图3可见，在海拔3 926～4 277 m河段，重金属富集系数出现突增和突跌，经调查发现，干流海拔4 277 m处上游右岸有支流汇入，而海拔3 926 m测点位于白曲与干流交汇处下游，故初步认为导致突变的主要原因是受支流重金属含量的影响。

在水库大坝上游（海拔3 058 m）、下游（海拔3 041 m）位置出现了富集系数的突变，但各时期突变规律不一致，其中Zn富集系数水库下游大于上游；Cu富集系数枯水期和丰水期下游大于上游，平水期下游小于上游；Mn富集系数枯水期和平水期下游大于上游，丰水期下游小于上游；Cd富集系数平水期和丰水期下游小于上游，枯水期下游大于上游。可见，水库对重金属富集程度有一定的影响，但各种重金属富集系数变化不一致，考虑应与重金属特性、水库库容及泄水方式等因素有关。

2.6 重金属污染风险评价

根据式（2）、（3）计算尼洋河不同海拔高度各时期重金属综合污染指数见表4。结果表明，河源位置重金属综合污染指数各时期均未超过2，属于无污染或轻度污染。海拔3 926～4 277 m重金属综合污染指数最高，总体表现为平水期＞枯水期＞丰水期，部分时段超过3，达到重度污染。海拔3 926 m以下，除巴宜市区位置（海拔2 964 m）枯水期达到中度污染外，基本无污染或轻度污染。同时也发现水库上下游位置出现了综合污染指数的突变，枯水期和丰水期下游大于上游，平水期上游大于下游，但污染程度较轻。

表4 尼洋河重金属水质综合污染指数（WQI）Table 4 Heavy metal water pollution index (WQI) of Niyang River

富集系数和综合污染指数计算结果表明，尼洋河源头重金属污染比较轻微。水库虽对重金属富集系数有一定影响，但污染程度较轻。枯水期和平水期巴宜市区河段和上游河段重金属污染比较严重。分析其原因如下：巴宜市区河段人口分布密集，区域污水直接排放入河，枯水期降雨量小，对污染物的稀释作用降低，导致该河段污染较重，建议应建城镇污水处理厂以减轻Cd对河道的污染。上游河段分布有重金属成矿区，农牧业为其支柱产业，重金属污染强度主要取决于土壤背景值、农业面源污染及土壤淋溶强度等因素，前述研究表明平水期、枯水期Fe、Mn含量主要受自然过程影响，几乎没有可控的有效措施，建议该河段生活用水应限制使用或经集中处理后方可饮用。该河段Cd除受自然过程影响外，还受人类活动影响，建议采取节能减排，控制农药化肥使用量、污水集中处理等措施进行综合控制。

3 结 论

本文通过对尼洋河干流Zn、Cu、Mn、Fe、Cd的研究，初步得到以下结论：

1）尼洋河源头重金属含量较低，中上游位置有突变。Zn、Cu全河段全年未超过Ⅱ类水质标准，Fe、Mn在3 500～4 500 m海拔均未达到生活饮用水标准，Cd含量在时间和空间上变化最为剧烈。Fe、Mn、Cd是影响水质变化的敏感因子。Zn、Cu、Mn含量表现为：平水期＞枯水期＞丰水期，Cd在海拔3 500 m以上平水期＞丰水期＞枯水期，海拔低于3 500 m规律不明显，Cd在巴宜市区河段达到全年最大值。Fe丰水期含量最小，在海拔4 000 m以上枯水期＞平水期，海拔4 000 m以下，枯水期＜平水期。

2）枯水期Zn、Cu、Mn、Fe含量变化主要受自然过程影响，Cd主要受人类活动影响。平水期重金属含量主要受自然过程影响。丰水期重金属含量应主要受人类活动或水文气象活动影响。

3）水库对重金属富集有一定的影响。河源位置重金属污染属于无污染或轻度污染，上游河段重金属综合污染指数最高，部分时段达到重度污染；中下游河段除巴宜市区位置（海拔2 964 m）枯水期达到中度污染外，基本无污染或轻度污染。