巢湖水体中重金属污染特征及评价

杨碧莹,杨金香,杨 阳,李小龙,胡友彪,刘 翔

(安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001)

水体中的重金属污染物可对水生生物产生毒害作用,人类可通过饮水、食用水产品等方式摄入重金属,并在人体内累积,对健康构成威胁[1-3]。近30年来随着巢湖流域城市化进程加快及人口数量的增长,其工企业数、污水排放量、化肥施用量、重金属等污染物排放量及水体富营养化情况均发生了不同改变,从而导致巢湖水环境受到一定影响,污染状况逐渐加重[4-6]。针对巢湖水体重金属污染,文献[7]于1985年的春、夏和冬季进行采样,研究结果表明巢湖水体中重金属总量浓度含量甚微,与湖面降水中浓度相当;文献[8]等对巢湖水体中Pb、Cu和Fe总量浓度进行分析,结果表明除少数采样点的Pb和Cu达到地表水Ⅲ～Ⅴ类水质,其余采样点水质均较理想;文献[9]研究表明巢湖溶解态重金属单因子污染指数和综合污染指数均远小于1,水质为清洁。

以上研究多以单次采样和一年内的采样时间为研究周期来分析巢湖水体重金属污染的时空分布特征,而缺少对其进行连续多年采样和分析评价的系统研究[10]。通过文献收集1985～2017年巢湖水体中重金属浓度数据,对巢湖水体中重金属总量与溶解态浓度连续多年的时空变化特征进行分析,并采用内梅罗指数法和污染指数法进行了重金属污染评价,最后结合巢湖周边多年的工农业发展及生活污水排放等因素对重金属的主要来源进行了分析,以期为巢湖水体重金属污染治理提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况及数据来源

巢湖(31°25′28″～31°43′28″N和117°16′54″～117°51′46″E)位于长江中下游地区,是“三江三湖”重点污染治理地区之一。面积达770平方公里,平均水深2.7m。湖盆面积13 486平方公里,辖13个市县,人口1 200多万。是安徽省水稻、油料、水禽、鱼类的主要产区之一。以“巢湖”、“水体”和“重金属”等关键词从CNKI及Web of Science等数据库收集相关文献14篇,水体重金属数据为1985～2017年间。

2.2 数据说明

水体中的重金属由于存在形态不同其浓度可分为总量、溶解态及悬浮颗粒态三种浓度,总量浓度可视为溶解态浓度与颗粒态浓度之和[11-12]。本次研究文献按照总量与溶解态两种浓度分别进行研究,文献中所使用的重金属检测仪器主要为原子吸收光谱(AAS),电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)。每种仪器检出限及精度不同,如ICP-MS的精度为μg·L-1,AAS及ICP-AES的精度为mg·L-1,因此检测结果可能会存在一定差异。

3 结果与讨论

3.1 重金属污染的时间变化特征

重金属浓度随时间变化情况如图1所示。由图1可知重金属总量与溶解态浓度范围值差异较大。重金属浓度变化的因素可能与周边地区重金属排放量情况、不同文献中采样点位置、季节、水中浮游生物的作用及沉积物再悬浮释放等因素有关[13-14]。对于总量浓度[15-19],1985～2009年各重金属浓度值在1985年普遍偏低,而在随后几年浓度值波动幅度则出现不同程度的变化(见图1a)。不同重金属浓度在水体中含量相差甚远,总量浓度可达到溶解态浓度的几倍，几十倍甚至上百倍[20-21]。故出于风险的安全性考虑,本文仅将重金属总量浓度与标准进行对比分析。Cu、Pb、Zn、Fe、Cd、Cr及Mn在已有年份的浓度均值分别为8.77μg·L-1、8.98μg·L-1、22.56μg·L-1、557.20μg·L-1、2.32μg·L-1、24.43μg·L-1及16.37μg·L-1.与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)相比,除Fe超出限值,Cd和Cr符合Ⅱ类标准,其余重金属元素均符合Ⅰ类标准。对于溶解态浓度[22-23]42,2009～2017年(见图1b)各重金属浓度均在2014年前后出现最大值,在2016年以后出现下降趋势。Cu、Pb、Zn、Cd和Cr的总量浓度均值分别可达其溶解态浓度均值的3.68倍、4.68倍、1.37倍、5.27倍和19.39倍。

通常湖泊中的营养盐和重金属可发生离子交换、络合、共沉淀等化学作用,这些化学反应由于会受到水体理化指标的影响,进而可影响重金属在湖泊中的分布形态和浓度[24]。研究表明,1985年巢湖为贫营养,1995～2001年巢湖全湖处于重度富营养化,2003年富营养化情况有所好转但仍处于中度富营养化,2009年至2017年全湖富营养化程度已改善为轻度,但其水质一直处于Ⅳ～Ⅴ类,尤其西湖区水质一直呈Ⅴ类[25]。此外据安徽省统计年鉴表明,巢湖流域主要排污产地合肥市2000～2009年GDP、人口数量及企业数一直呈持续增长趋势,农业化肥施用量基本维持在191 316吨左右。而在2016年以后合肥市的企业数及化肥施用量都呈下降趋势,且总人口数变化趋势较平稳,这可能与“十一五”规划后巢湖流域周围工业污染治理和污水处理设施的改进及其各入湖河流的大力管控有关,使其水中重金属浓度有所降低。

(a) 重金属总量 (b) 溶解态图1 历年浓度时间变化图

3.2 重金属污染的空间变化特征

所收集的文献中，2009～2017年的文献研究区域涉及到整个湖区,并以姥山岛为界将巢湖划分为东西两个湖区,其中西湖区周边主要以建设用地为主,东湖区周边主要以耕地为主,所测重金属为溶解态浓度。相比于东湖区,西湖区污染较严重,这与《安徽省环境状况公报》中有关巢湖各湖区历年的水质状况相符(见图2)。此外研究表明水体中重金属含量最高值一般出现在南淝河口并逐渐向湖心及东巢湖方向降低。为更好了解东西湖区重金属污染情况,根据图3对2009～2017年湖区重金属元素空间分布特征进行分析。除2009年Hg,2014年Cu,2016年Cu、Hg、Pb和Zn在东湖区高于西湖区外,其余各重金属浓度均呈现西高东低的分布趋势,且主要集中在西湖区的南淝河、派河及十五里河入湖口区域,这与合肥市经济、工农业的发展密不可分。大量工业废水,生活污水及各种商业活动排放的重金属随着西湖区的主要入湖河流进入巢湖水体,给西湖区的水体带来了严重的负担[26]。此外,据文献[27]研究表明南淝河、派河及十五里河水体中的Ni和As浓度最高。以裕溪河、烔炀河等为主要入湖河流的东湖区,水体中的污染物主要来自城镇生活污水和农业排水,其重金属污染物排放相对较少。且巢湖湖区水流主要以风生流为主其流速较小,西湖区在垂向上存在几个区域性环流,不利于该区域与外界的水量和物质交换,这也是造成全湖区域差异性污染的重要原因。

图2 巢湖各湖区历年水质及污染程度情况

图3 历年不同重金属在东西湖区的浓度对比图

3.3 重金属污染评价

1)内梅罗指数法。内梅罗指数法可用于多种污染源的水污染评价,可以很好考虑到各污染物平均污染水平和最大污染状况[28-29]。1985～2007年巢湖水体重金属内梅罗指数评价结果表明(见表1),东湖区总量浓度的Pi评价结果中,2004年的Hg及2005年的Fe污染水平为“重度污染”;2003年的Cd、Cr和Fe及2007年的Cr污染水平为“中度污染”,其余年份的各重金属污染水平均为“轻度污染”。PN评价结果表明2004年及2005年水质污染水平为“中度污染”;1985年、2003年及2007年污染水平均为“轻度污染”。分析东湖区重金属PN的时空变化特征,时间上,东湖区PN值为2005>2004>2003>2007>1985;空间上,东湖区水质整体较好,Fe和Hg是东湖区污染最严重的两种重金属元素。

2)污染指数法。污染指数法(Degree of contamination,Cd)用作估算金属污染程度的参考[30-32]。当Cd的值小于1时,代表水质污染程度较低,当Cd的值为1～3时,代表水质污染程度为中度污染,当Cd的值大于3时,代表水质污染程度较高。

由表2东湖区水体中重金属总量浓度的Cfi值与各年Cd值评价结果可知,除2005年Fe的Cfi值为正值外,其余年份重金属的Cfi值均为负值,且所有年份的Cd值均小于1。分析东湖区重金属Cd的时空变化特征,时间上,东湖区Cd值为2005>2007>2003>2004>1985;空间上,东湖区整体污染程度较低,水质较好。

表1 东湖区历年重金属总量浓度的Pi与PN值汇总表

表2 不同年份重金属总量浓度的Cfi与Cd值汇总表

两种评价方法从时空分布特征对比来看,时间上东湖区重金属总量浓度的污染指数均在2005年达到最高,1985年最低。从本身差异对比来看,内梅罗指数法表明巢湖水体中主要的污染因子为Fe和Hg,需着重加强防控管理;污染指数法属于重金属综合评价法,可更直观有效的评价巢湖水质情况,此方法显示巢湖水质污染水平为“轻度污染”。

3.4 水体中重金属来源解析

根据文献[22]81数据，巢湖水体采样点的主成分分析结果如图4所示,共提取出3个主成分,累计方差贡献率为93.651%,说明污染物可能具有3种不同的来源，主成分1包括Cr、Cu、Ni和Zn,方差贡献率为61.189%,表明其具有相似的来源,其中Cr主要来自电镀行业,Cu主要来自钢铁、机械制造等工业废水,Ni主要来自冶金、锻造等工业污染物,Zn主要来自工业燃煤[33]。工业污染源可导致巢湖水体受到重金属的污染,合肥市主导产业包括汽车和零部件制造及装备制造等易排放重金属废水的工业制造业,据安徽省统计年鉴,合肥市工业废水排放量2012年至2017年平均值可达5 627.08万吨,肥东县依然有直排现象[34]。主成分2包括Cd,方差贡献率为21.660%,该成分主要来自农业生产带来的农药化肥污染, 2012年至2017年合肥市化肥施用量一直高达300万吨左右, 肥东和肥西县是巢湖流域农业面源污染排放的主要来源。 主成分3包括Hg, 方差贡献率为10.802%, 该成分主要来自生活污水、 合肥及巢湖市的燃煤电厂及垃圾或生活物质的焚烧, 2012年至2017年安徽省城镇生活污水排放量平均为19 5821.3万吨,电力、热力生产供应业从153家增至192家,燃气供应业从39家增至62家,因此巢湖周边的人类活动及燃烧源是Hg污染增加的重要来源。

图4 主成分分析图

4 结论

(1)重金属总量浓度在1985年普遍较低,在2003～2009年其浓度值出现不同程度的升高,与地表水环境质量标准相比,除Fe超出限值,Cd和Cr属于Ⅱ类标准外,Cu、Pb、Zn、和Mn均属于Ⅰ类标准;溶解态浓度在2014年前后出现最大值,在2016年以后出现下降趋势。不同重金属总量浓度为溶解态浓度的几倍到几十倍。重金属空间分布特征结果表明,西湖区污染情况普遍高于东湖区。

(2)内梅罗指数法结果表明,重金属总量浓度在东湖区的主要污染因子为Fe和Hg,2005年的污染程度最高。污染指数法结果表明,历年的Cd值均小于1,巢湖污染水平为“轻度污染”,水质较清洁。

(3)巢湖水体中重金属来源可分为三类:Cr、Cu、Ni和Zn主要来自工业污染源;Cd主要来自农业生产源;Hg主要来自生活污水和燃煤焚烧的混合源。