基于改进主成分分析法的水环境中重金属污染流域水质生态评价方法研究

徐剑乔

摘要：为了准确掌握水环境中的重金属污染情况，提高水质生态防治效果，提出了基于改进主成分分析法的水环境中重金属污染流域水质生态评价方法研究。选取研究污染流域水质区域，收集4个区域地表水，测定金属元素含量，通过四类分析与评价法，实现对水环境中重金属污染状况及潜在危害的生态评价，得出评价的B区域和C区域水质综合重金属污染较高，铁元素在四个区域均在第一主成分，是污染程度最高的，整体生态评价为及格。评价结果表明所提方法可以对水环境中重金属污染状况进行精确的评价，辅助保护人民身体健康与生态环境。

关键词：改进主成分分析法；潜在生态风险；水生态环境；重金属污染；水质生态评价

中图分类号：X824 文献标志码：B

前言

随着社会经济的发展，人类对资源的过度利用、不合理的人类开发活动等导致一系列的水生态问题，未经处置的生活废水、工业废水、农业污水和其他有毒有害物质等不合理地排放到河流中，导致了水质和其他水生态环境的恶化，间接性地造成人类健康受损等问题。针对工业污水等排入江河造成的水环境污染，具有影响范围广、污染严重、防治难度大等问题。

王铖洁等以苏北平原河网区为研究区，不同地区的流域生态评估准则为依据，以及“水质好坏度”和“群众满意度”为否定项，构建一套包含水生物、水生态、水空间、水安全和公众满意度等多个方面的生态综合评估指标体系。林广等针对影响因素多、耦合机理复杂的现状，将河流水质变化表征为各影响因素的一阶、二阶偏导项线性叠加，建立河流水质变化的数学模型。

但上述文献方法不能准确掌握河流污染状态，从而影响修复和治理工作效率。因此，基于改进主成分分析法的水环境中重金属污染流域水质生态评价方法研究。通过选择研究区域，设置采样点并采集样品水，获得平均质量浓度，确定生态评价等级为及格，并利用改进主成分分析法等方法得出铁元素是水环境中重金属含量浓度高，对流域水质生态影响最大。

1 材料与方法

1.1 研究区域

此研究区域的流域水系长116千米，这条河的河宽为5. 98米，水深为0.36米，年均径流量为4.91亿立方米，包含11条支流，A、B、C、D四个区域。

在流域河段，集水区面积为53平方公里，最大径流和最小径流分别为23.0立方米和0.039立方米；其最大流速为1. 26米／秒，最小流速为0.14米／秒，年均流量为0. 597米／秒，全年径流量为1 963万立方米。此流域的社会经济得到了快速的发展，流人河段的污染物已经超过了流域的水环境承载能力。

1.2 样品的采集与重金属含量测量

通过GPS定位采样点分别对四个区域实行采集样品，在相同的取样点，以及离河面0.3 m深的河道剖面上收集多个点的水样，将其等份均匀混合后放置30分钟，然后把500毫升的水放进一个塑料瓶子内，但在放样品水前需要利用去离子水将瓶内清理干净，且洗三遍，用0.4微米微孔滤膜对水样进行过滤，再添加2 mL的硝酸，用一层密封的薄膜将瓶子的口部封闭起来，在4℃的环境中运输和保存样本，最终将样本送到实验室做金属元素的测试。通过电感耦合等离子体质谱仪测定水中铬、锰、铁、镍、铜、锌、汞、铅浓度，在对每个样本分别进行3次试验后，得到其平均质量浓度。

1.3 基于改进主成分分析法的水质生态评价

水环境中的重金属，以中国土壤环境背景值为研究对象，以《土壤质量标准》为依据，对其河流中的重金属含量进行了分析与比较。地积累指数法根据Muller的分类标准，将污染物由没有污染至极度污染分成6个级别，见表1为污染等级和水质生态评价等级。

1.3.1 地积累指数

地积累指数Igeo是常用的重金属污染评价法。在此基础上，引入了地球化学背景值，可以更直观地反映土壤中重金属的污染情况。表达式为式（1）：

式（1）中，Cn描述的是测定的重金属含量；Bn描述的重金属背景值；K描述的取自不同地区的岩性差别可能导致背景值变化的系数。

1.3.2 潜在生态风险指数

将毒性关联系数引入到风险评价中，但要顾及水环境中重金属范围背景值的差别以及毒性的变化，以排除干扰因素，表达式为式（2） -式（5）：

式（2） -式（5）中，Cif描述的是金属污染系数，Cin描述的是参考值，表示全国范围土壤环境背景值。Tir描述的是金属毒理反应因子，Eir描述的是潜在生态危害系数，RI描述的是复合重金属的潜在生态风险因子，Cd描述的是多因素污染参量。

1.3.3 水环境生态危害评价模型

重金属对生态造成的危害可分为两类，一类是有毒物，另一类是非有毒物。则表达式为式（6） -式（8）：

式（6） -式（8）中，Rci描述的是有毒物质i经过食人性引起的年平均中毒风险，Rni描述的是非有毒物质i经过食人性引起的年平均中毒风险，Di描述的是有毒物质或非有毒物质i的单位体重日均暴露剂量，qi描述的是由食入性有毒物i所引起的中毒力系数，RfDi描述的是由食入性非有毒物i所引起的中毒力系数，80描述的是人类平均预期寿命，2.0描述的是成人每天喝水量平均值，L，Ci描述的是饮用水中的重金属含量，75描述的是成人平均重量，kg。

2 水环境中重金属污染流域水质生态评价

2.1 重金属分布特征

根据测量结果可知，D区域的水环境中铁含量是最高的，这是由于该地区有多个矿区，矿石的风化和降雨冲刷作用，使矿石中的金属被运移到流域内，对水体造成严重的铁污染。一旦发生洪涝灾害时，可能会发生倒灌现象，使水中的污染物不断积累，从而加重河流的污染状况。汞在A区域的分布不均，且污染程度较重，可以把汞看作是人类活动的一个重要因子。为此，能够认定此位置在人口流量大，人为活动频繁，城市生活污水、固体废弃物等大量排放会引起汞污染。

2.2 重金属污染水质生态评价

采用改进主成分分析法，通过软件SPSS19.0中的测度及巴特利球体球形度检验，发现规范化后的重金属数据适用于改进的主成分分析法。

A区域重金属铁、汞在第一因子上的载荷最高，而重金属铬、锰、铜、铅则在第二因子上相对最高，重金属镍、锌在第三因子上含量最高，故可推测A区域中重金属主要有2种来源。

B区域则重金属锰、铁在第一因子上的载荷最高，重金属铬则在第二因子上相对最高，重金属镍、铜、锌、汞、铅在第三因子上含量最高，故可推测B区域中重金属主要有2种来源。

C区域则重金属铬、铁、铅在第一因子上的载荷最高，重金属锰、铜、汞则在第二因子上相对最高，重金属镍、锌、汞在第三因子上含量最高，故可推测C区域中重金属主要有3种来源。

D区域则重金属铁在第一因子上的载荷最高，重金属铬、锰、铜则在第二因子上相对最高，重金属镍、锌、汞、铅在第三因子上含量最高，故可推测D区域中重金属主要有1种来源。

通过对4个区域中8种重金属的潜在生态风险系数和整体潜在生态风险指数进行计算，如表2所示，以采样点的重金属平均潜在风险因子为基础，4个区域8种重金属的潜在生态风险由高到低依次是：A区域：铁>汞>铜>铬>铅>锰>锌>镍，B区域：锰>铁>铬>铜>汞>镍>铅>锌，C区域：

3 结束语

重金属，这类潜在的有害物质，具有生物累积性和毒性。在水环境中，重金属会受到物理、化学和生物等多种因素的影响，从水相向固相迁移。这种迁移可能导致重金属通过食物链进人生物体，进而对人类的健康和生态系统产生严重影响。为了准确评估水环境中重金属的污染程度及其对流域水质生态的影响，研究采用改进主成分分析法进行评价。通过实地采样、测定样本水的平均质量浓度，并明确生态风险等级，研究发现水环境中重金属铁的含量较高，对流域水质生态的影响最为显著。综合评估结果显示，整体水质生态评价达到及格水平，但仍需继续关注并采取措施减轻重金属污染，以确保生态系统能够在安全的环境中持续发展。