基于GIS云蒙湖饮用水水源地重金属污染特征及生态风险评价

陈成忠，雷潇涵

(枣庄学院 旅游与资源环境学院，山东 枣庄 277160)

水库属于半自然、半人工的生态系统，其流动性较差，稳定性受人类生产生活影响较大[1]。沉积物作为评价水环境质量的重要指标之一，长期以来一直备受关注[2-4]。沉积物作为水体生态系统的重要组成部分之一，其中所含的重金属污染物对人体的危害严重，这些重金属会不断在水生动植物和微生物体内积累，从而危害人类健康甚至造成生命危险[5]。沉积物内源性污染是饮用水源地水库面临的突出问题，如果沉积物和水面环境发生变化，沉积物中的部分重金属会重新释放，造成水环境的二次污染[2,4]。因此，沉积物中重金属的含量是水环境质量高低的重要参考指标[6-7]，其沉积物中重金属含量将成为湖库生态系统的良好指示剂[3, 8-9]。沉积物中重金属污染问题已经成为环境科学重点关注的课题之一，围绕重金属分布特征、赋存形态及风险评价等方面开展了大量研究工作[2, 10-11]。所以，为了解湖泊的污染情况和过程，评价人类生产生活对湖泊生态环境的影响有必要研究沉积物中重金属的含量与时空变化[12-13]。

近年来，随着城市化和工业化进程的不断推进，大量的工农业污染物、生活污染物排放量不断增加，许多的水体已经受到了重金属污染，大多数的湖泊，特别是城郊湖库底泥中的重金属含量严重超过其当地土壤中的背景值，使得土壤整体受到重金属的胁迫作用，并对湖库内水产养殖造成直接的影响，威胁饮用水源安全[15-17]，而目前对云蒙湖表层沉积物重金属污染状况及潜在生态危害还缺乏全面的了解。因此，通过调查云蒙湖湖区表层沉积物中重金属(Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb)含量，用地积累指数法、潜在生态风险指数法、水环境生态风险评价模型和主成分分析法这4种方法对云蒙湖重金属污染特征进行评价和分析，并辅以GIS绘制重金属含量在不同分析方法模型指标下的空间分布特征，解析其主要来源及污染蓄积规律。通过各元素间的相关性分析各湖泊沉积物中重金属的可能来源，为饮用水源地水库沉积物重金属生态风险管理和水环境综合治理提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

云蒙湖(岸堤水库)位于山东省临沂市蒙阴县垛庄镇，经纬度范围为117°45′E～118°23′E， 35°27′N～36°20′N，属淮河流域沂沐泗河水系，地处山东省中南部的沂蒙山区腹地[14]。云蒙湖流域内有东汶河和梓河两条支流，自西北流向东南，河流径流量分配不均，属温带季风气候。

1.2 采样点布设

根据云蒙湖地理位置、湖区流域特点以及水动力条件状况，设置10个采样点，分别为位于东汶河入湖区的YM01点；东汶河过渡区的YM02、YM03点；湖泊区的YM04、YM05、YM06点，其中YM05为防洪闸所在区域；梓河过渡区的YM07、YM08点，其中YM07为大坝西侧采样点；梓河入湖区的YM09、YM10点。采样船只到达采样点位置后采用GPS进行定位。采样点信息如图1所示。

图 1 云蒙湖表层水和沉积物采样点分布示意Figure 1 Distribution of surface water and sediment sampling points in Yunmeng Lake

1.3 样品采集与重金属含量测定

于2020年8月采集云蒙湖表层水和沉积物样品。本次采集的湖泊表层沉积物样品采用电感耦合等离子体质谱法测定沉积物中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni等重金属的含量，测量仪器为美国热电公司的iCAP Q ICP-MS。分析过程采用国家一级地球化学标准物质GSD 9沉积物标样进行质量控制，仪器分析结果与标样给定值数据相符[4,7]。

1.4 评价方法

参照《土壤质量标准》(GB15618-1995)和中国土壤环境背景值对云蒙湖底泥重金属含量进行分析对比。按照《土壤质量标准》(GB15618-1995)的要求，参照土壤质量标准中的I类标准进行评价,主要采用地积累指数法、潜在生态风险指数法、水环境健康风险评价模型和主成分分析法作为分析与评价方法。其中地积累指数法采用Muller的分级标准将污染物从无污染到极度污染分为7级，并对实验结果进行等级划分(表1)；

表 1 Muller污染指数分级 Table 1 Muller pollution index classification

潜在生态风险指数法根据潜在生态风险程度的划分标准得到污染程度的等级；水环境健康风险评价模型根据国际癌症研究机构和世界卫生组织编制的分类系统作为分类依据；主成分分析法采用MATLAB得到贡献率排行。运用Arcgis 10.2软件绘制重金属污染分布图。

图 2 云蒙湖表层沉积物重金属含量空间分布示意Figure 2 Spatial distribution of heavy metals in surface sediments of Yunmeng Lake

(1)地积累指数法

地积累指数(Igeo)是德国科学家Muller(1969)提出的一种广泛应用于重金属污染评价的方法。考虑了地球化学背景值，直观反映出重金属的污染程度。其公式为:

Igeo=Log2(Cn/K×Bn)

(1)

式(1)中:Cn是重金属n的实测含量；Bn是土壤环境重金属背景值；K是考虑到各地岩石的岩性差异可能会引起背景值的变动而取得系数(一般取值为1.5)。

(2)潜在生态风险指数法

潜在生态风险引入了毒性相关系数，综合考虑重金属区域背景值的差异、重金属的毒性在沉积物中普遍迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，消除了区域差异和异源污染的影响,计算公式为：

(2)

Er=Tri×Cfi

(3)

Cfi=Ci/Cni

(4)

(5)

式(2～5)中:Cfi为金属i污染系数，Cni为参比值，此处选用全国土壤环境背景值。Tri为金属i的毒性响应系数，Eri为金属i的潜在生态危害系数，RI为底泥中多种重金属潜在生态风险指数。Cd为多因子污染物污染参数。

(3)水环境健康风险评价模型

重金属进入人体后，引起的健康风险主要包括致癌物质健康风险和非致癌物质健康风险。计算公式分别为：

Ric=[1-exp(-Diqi)]/78.3

(6)

Rin=∑(Di/RfDi)×10-6/78.3

(7)

Di= 2.2×Ci/70

(8)

式(6～8)中：Ric为致癌物质i通过食入途径产生的年平均致癌风险(a-1)，Rin为非致癌物质i通过食入途径产生的年平均致癌风险(a-1)，Di为致癌物质(非致癌物质)i的单位体重日均暴露剂量[mg·(kg·d)-1]；qi为致癌物质i通过食入途径产生的致癌强度系数[mg·(kg·d)-1]；RfDi为非致癌物质i通过食入途径产生的致癌强度系数[mg·(kg·d)-1]；78.3为2016年山东省统计年鉴中的山东省人均期望寿命。2.2为成年人每日平均饮水量(L)；Ci为饮用水中重金属浓度(mg·L-1)；70为成年人平均体重(kg)。

2 结果与分析

2.1 研究区表层重金属含量结果分析

表 2 云蒙湖表层沉积物重金属含量/(mg·kg-1) Table 2 Contents of heavy metals in surface sediments of Yunmeng Lake

云蒙湖表层沉积物中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6种重金属含量如表2所示。6种重金属的含量范围依次为22.50～106.14、8.31～11.86、23.12～143.91、54.03～135.56、0.044 2～0.158 3、7.71～15.80 mg·kg-1。各重金属含量的极差由高到低顺序依次为Cu>Cr>Zn>Pb>Ni>Cd。其中，Cu、Cr、Zn的变化幅度较大，Pb、Ni、Cd的变化幅度较小。

2.2 表层沉积物重金属含量空间分布特征

表 3 云蒙湖表层沉积物重金属含量与土壤质量标准和背景值比较 Table 3 Comparison of heavy metal contents in surface sediments with soil quality standards and background values in Yunmeng Lake

参照《土壤质量标准》(GB15618-1995)和中国土壤环境背景值对云蒙湖底泥重金属含量进行分析对比。由于云蒙湖属于临沂市饮用水水源地核心保护区，按照《土壤质量标准》(GB15618-1995)的要求，应该参照土壤质量标准中的I类标准，如表3所示。云蒙湖表层沉积物中Cu超标严重，平均含量是背景值的2.5倍，最高达6.4倍(表3)。金属Pb与Ni的含量均未超过全国土壤环境背景值和I类土壤质量标准，但是Pb的含量波动较Ni来说相对较大，较大值出现在YM03、YM07、YM09，分别是东汶河过渡区、梓河过渡区和梓河入湖区，说明Pb含量总体呈现从河流入湖区到过渡区逐渐递增，在湖泊区递减的过程。Ni的含量变化不大，分布较均匀。Cu的浓度超标严重，且变化趋势非常大，最低浓度值也超出了土壤环境背景值，且最大值是土壤质量标准的4.11倍。

Cr和Zn的分布情况较为类似，此处归为同一种类型进行分析。这两种重金属的含量变化趋势均为在东汶河的入湖区和过渡区及湖泊区的浓度较高，存在明显污染情况，但是在梓河入湖区及过渡区并未发现浓度超标的情况，说明在梓河河段这两种重金属的含量控制情况较好。而Cd的含量仅在梓河入湖区超过全国土壤背景值，均未超过土壤质量标准，仅存在轻微的污染，但是也应该重视起来，有关部门对此应该加大治理程度和监督力度，否则将威胁湖水质量，危及水生态安全和人体健康。

2.3 采用地积累指数法计算结果分析

将表2中云蒙湖表层沉积物中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni的数据分别代入公式，计算各个采样点的Igeo数值，并根据Igeo数值进行分析评价。计算结果如表4所示。

由表4数据显示，云蒙湖表层沉积污染物重金属总体污染状况为未污染～中度污染，但存在个别峰值。其中，Cu的污染状况最为严重，最高值于YM07监测点，达到Ⅳ级污染，污染程度为中度污染～重度污染；YM04、YM05监测点达到Ⅲ级污染，污染程度为中度污染；YM01、YM03、YM08监测点为Ⅱ级污染，污染程度为未污染～中度污染。Ni和Pb均为Ⅰ级，未受污染；Cr、Zn、Cd均在某点存在污染，但均为Ⅱ级，污染程度为未污染～中度污染。

表 4 云蒙湖表层沉积物地积累指数(Igeo)与污染程度分级Table 4 Land accumulation index(Igeo) and pollution degree classification of surface sediments in Yunmeng Lake

2.4 潜在生态分析指数法评价结果

由表5可以看出，Cr在YM07、YM08、YM09、YM10采样点属于低度污染，其他采样点均为中度污染；Ni在各采样点均属于低度污染；Cu在YM08采样点为严重污染，在YM04、YM05采样点为重度污染，其他采样点均为中度污染；Zn在YM08、YM09、YM10采样点为低度污染，其他采样点属于中度污染；Cd在YM08、YM09为中度污染，其他采样点均为低度污染；Pb污染较低，在各采样点均为低度污染。从Cd来看，YM02、YM05采样点为中度污染，在YM03、YM07采样点为重度污染，其他采样点均属低度污染。

表 5 云蒙湖各采样点的RI及单因子污染参数Table 5 RI and single factor pollution parameters of each sampling point in Yunmeng Lake

结果分析表明，云蒙湖各重金属污染程度为Cu>Zn>Cr>Cd>Pb>Ni， Cu、Zn和Cr为中度污染，Ni的污染程度最低，Cd、Pb和Ni均为低度污染。各采样点的多种重金属潜在生态风险指数由大到小为YM07>YM10>YM09>YM04>YM05>YM06>YM03>YM08>YM01>YM02。整个湖区的RI的平均值为7.83，属低度生态风险水平。

表 6 水质健康危害的风险值 Table 6 Risk values of water quality health hazards

2.5 水质健康风险评价

通过对云蒙湖2017年饮用水水质的健康风险评价，致癌物质中Cr、Cd的风险值均比较小(表6)，两者数量级均为10-8，均低于英国皇家协会推荐的1×10-7a-1风险值。略高于荷兰建设和环境部推荐的1×10-8a-1，表明云蒙湖作为饮用水源地Cr、Cd的污染小。非致癌物质中Cu的含量风险值最大，Zn次之，Pb的风险值最小，三者的风险值的数量级在10-9～10-16a-1之间，即每一亿人口中因水源地中的非致癌物质而受到健康影响或死亡的人口不到1人,结果表明非致癌物质所引起的健康风险甚微，不会造成明显危害。云蒙湖水中致癌物质的风险值大于非致癌物质，是非致癌物质的104～108倍，说明致癌物质对人体的危害远高于非致癌物质。

2.6 主成分分析法结果

调用pcacov函数得到累积贡献率排名。由排名可以得出：在整个研究区的10个采样点中，YM03采样点的贡献率最高，污染最严重，其次为YM02和YM05。这是综合分析6种重金属污染情况的综合结果。这3个样点位集中于东汶河附近，属于云蒙湖综合污染重灾区，经调查得知，有5家企业的工业废水及蒙阴县污水处理厂出水排放到东汶河，污水可能没有经过严格处理并由此入云蒙湖，导致入湖口重金属的污染比较严重。

3 结论与展望

3.1 结果分析与建议

通过对云蒙湖10个样点中Pb、Zn、Cr、Cd、Cu、Ni等6种金属的测定与分析，分别利用地积累指数评价法和潜在生态风险评价对云蒙湖底泥中重金属的富集程度和生态危害进行评价。地积累指数的评价结果为：底泥中铜金属的富集量较大，其他金属的富集程度小且多属于Ⅰ类，处于无污染状态。潜在生态风险指数的评价结果为：整个湖区RI的平均值为7.83，属于低度生态风险水平，且远远小于生态风险等级中的低级污染风险标准值，其中综合Cd与RI值其生态潜在危害较小，对于云蒙湖流域的生态危害可忽略不计。

另外，根据水环境健康风险评价模型的结果来看，由于长期的沉积作用，底泥重金属含量远高于饮用水中重金属含量。尽管水体中致癌物质的含量远高于非致癌物质，但两者的风险值均远远低于风险标准值，对人体的危害可以忽略。综合水质风险程度和重金属富集程度以及对生态的潜在影响不难看出，云蒙湖作为临沂市的重要饮用水源地之一，其水质状况完全达标，可以直接饮用。

为增强实验结果的可靠性，利用PCA方法分析得到云蒙湖上游东汶河流域附近的点位污染状况较为严重。根据现状调查，云蒙湖流域外源污染分为点源污染和面源污染，点源污染主要是工厂排污，面源污染主要包括农村居民生活污水排放，固废垃圾随意丢弃，雨季的大规模降水将污染物冲刷到湖里，造成水质污染。

虽然综合评价结果处于低风险级别，但水质对人类的影响不仅仅局限于水源地沉积物中的重金属，在相当程度上还取决于重金属对于人类皮肤、呼吸道的危害，因此该结果低估了水源地重金属的生态风险；在对研究区水质样品进行采样并将其移动到实验室的过程中，也会造成重金属物理性质的改变，有些重金属的物理性质受环境因素影响较大，该因素也会影响实验结果。因此在本研究的基础上进行深入研究时，应综合考虑上述问题与建议。

3.2 展望

本研究区位于鲁中南地区，经济发展较整个山东省而言处于中下游位置，而云蒙湖对整个流域的作用不仅仅体现在提供基本的水源生活保障上，其污染的状况与污染的治理水平也能从侧面体现出周边地区工业发展状况与政府的重视程度。自习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”的理念以来，对生态文明建设的重视程度远高于盲目追求GDP发展，生态本身就是经济。较山东省第一大天然湖南四湖而言，云蒙湖的污染程度较低，但寻找其污染源的相同点可以发现，Cu元素的风险值远高于其他5种重金属元素，通过食物链和食物网的传递，易在人体内富集，是构成潜在生态风险的最主要元素。因此在今后的综合治理中，云蒙湖流域可考虑与南四湖流域建立合作，共同整治污染源附近的高污染企业，集中整治民用污水的滥排状况，提高排放标准，有必要可以考虑建设生态环境治理与恢复工程，为建设鲁中南地区良好水质生态谋划蓝图。