海口城市地表水体重金属的空间分布特征及环境质量评估

傅杨荣, 郭跃品, 马荣林, 董志诚

1. 海南省地质调查院, 海口570206

2. 鲁东大学, 烟台264025

海口城市地表水体重金属的空间分布特征及环境质量评估

傅杨荣1,*, 郭跃品1, 马荣林1, 董志诚2

1. 海南省地质调查院, 海口570206

2. 鲁东大学, 烟台264025

城市地表水中重金属污染备受关注。通过研究海口市地表水体6种重金属(Cd、Cu、Ni、Pb、Zn和As)的空间分布特征, 并采用中国水体环境质量标准对水体环境质量进行评估。结果表明, 海口城市地表水体中重金属平均含量分别为Cu 7.4 μg·L-1、Pb 0.1 μg·L-1、Zn 15 μg·L-1、Cd 0.52 μg·L-1、As 2.6 μg·L-1和Ni 7.0 μg·L-1。海口市地表水体重金属As、Cu、Ni的含量受水体pH、温度和电导率的影响。从空间分布来看, 海口市区水体中Cu、Ni元素含量明显低于周边水体, 其他重金属空间分布无明显规律。从水体质量评估结果来看, 海口城市地表水体重金属含量均符合中国水质标准(GB 3838-2002)I类水质的限值规定。

海口市; 地表水; 重金属; 环境质量; 评估

1 引言

随着城镇化建设的快速发展和人口的剧增, 人类活动造成的水环境污染问题引起人们的广泛关注。据2012年中国环境状况公报报道[1], 中国十大流域水质断面约10.2 %达到劣V类水平, 水环境质量不容乐观。由于重金属具有难降解、生物毒性普遍、易累积性和生物放大作用等污染特征, 因此水体重金属污染的研究一直是环境科学界的热点。如李莲芳[2]针对北京市地表水体重金属污染水平进行研究, 发现人类活动频繁地区污染严重。一系列针对城市河流的研究发现城市排污河通常重金属污染严重, 存在较大生态风险[3-5]。污染物可随生活污水、工业污水和大气沉降进入地表水造成水环境污染,而地表水可能通过渗透、灌溉、疏浚作业、生物迁移等途径造成地下水源和生物的重金属污染[6]。因此, 城市地表水(河流和水库)反映了区域污染的来源输入。研究地表水对于分析区域污染物来源, 探讨河流输入以及研究污染物环境地球化学行为具有重要意义。该文主要研究海口地表水体中溶解态重金属的总量, 探索重金属在海口地表水体中的空间分布规律和特征, 从而为有关水环境的保护提供可行的科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

海口市是海南省省会, 位于北纬 19°32′－20°05′,东经110°10′－110°41′。海口市地处海南岛北部, 北濒琼州海峡, 东面与文昌市相邻, 南面与文昌市、定安县接壤, 西面邻接澄迈县。全市土地面积2304.84 km2。属于热带海洋性季风气候。年平均气温 23.8 ℃, 最高平均气温 28 ℃左右, 最低平均气温18 ℃左右。雨量分配不均, 常秋涝春旱, 年均降水量为1684.5 mm, 年均蒸发量1834 mm, 平均相对湿度 85%, 每年 5—10月份为雨季, 降水量占全年的80%。

海南岛最长的河流南渡江穿过海口市区东部入海。境内南渡江河段属于感潮河段, 受河流和潮汐的双重作用, 水文状况复杂, 其出海口分叉横沟河、海甸溪都具有一定的航运能力, 并具有分洪作用, 同时也是重要的景观水体。南渡江主流在市区长75 km, 流域面积1300 km2, 年径流量60.9×108m3。南渡江流经市区的支流水系有鸭程溪、昌旺溪、三十六曲溪、铁炉溪; 境内还有美舍河、五源河等小河流; 沙坡、永庄、那卜、丁荣、玉凤等水库; 金牛岭人工湖、红城湖、白水塘等。

2.2 样品采集与分析

图1 海口市地表水样采样点示意图Fig. 1 Sampling locations of surface water in Haikou City

分别于2006年—2007年采集海口市境内(图1)地表水共 63份水样。样点分布在市内(海大内湖HDNH、鸭尾溪YWX、海甸溪HDX、横沟河HGH、东湖DH、西湖XH、美舍河MSH、红城湖HCH、金牛岭湖JNLH、南渡江NDJ)和市内周边(南渡江龙塘段NDJLTD、东白水塘DBST、洋山水库YSSK、沙坡水库SPSK、西白水塘XBST、工业水库GYSK、永庄水库YZSK、美涯水库MYSK、那卜水库NBSK、五源河WYH、荣山养殖场RSYZC)。

为了保证水样的代表性, 采样点应选择在河流开阔、水流平稳处。采水容器需用预采集的水样清洗三次。水样采集后, 现场过0.45 μm孔径滤膜。将1000 mL过滤后的水样贮存于干净的聚乙烯塑料瓶中, 用1 mL 浓 HNO3(优级纯)酸化后摇匀。同时做空白样。每个样点采集水样3份。样品采集带回实验室后, 放入4℃冰箱存放, 尽快分析。水样中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As的分析采用硝酸酸化后, 直接用ICP-MS测定[7]。为确保实验结果的可靠性, 所有实验室用水均采用超纯水(Milli-Q 18.2 M)。

样品野外空白均低于检测限, 样品加标回收率控制在 80%—120%之间, 样品测试三次取平均值,三个平行样之间的相对标准偏差均低于10%。

2.3 数据处理

所有实验数据采用SPSS 16.0 和Excel 2010进行统计分析, 采用OriginPro 8.0 做图。显著水平为p＜0.05。

3 结果与分析

3.1 海口市地表水水体参数特征

城市地表水体的许多物理化学过程和微生物过程都是在一定温度条件下进行的, 因而水温对于水体中地球化学元素的浓度及赋存形态都有一定的影响。城市地表水pH是水质酸碱性的标志, 它是影响水体中元素赋存形态、浓度、分配及迁移、转化、沉淀的重要因素, 是城市地表水体最主要的水环境地球化学性状指标之一。电导率是衡量水质矿化度的一个重要指标。

根据海口地表水水温、pH、电导率的分布情况(图 2), 海口地表水水温范围为 16—20 ℃, 并且市区地表水水温集中在 17—20 ℃范围内, 而周边地表水水温集中在 16—17 ℃范围内。可见海口城市地表水水温差异明显, 市区地表水水温高于周边。海口城市地表水pH值变化不大, 介于7.6—9之间,呈碱性。但是市区与周边地表水pH值差异明显, 海口市区地表水 pH值基本高于 8.6, 周边地表水 pH值则基本低于8.6。海口市区地表水的电导率明显大于周边水体, 并且市区地表水电导率基本大于80 µs·cm-1,而周边地表水的电导率基本小于80 µs·cm-1。因此,海口城市地表水体水质参数分布呈现市区水温、pH和电导率高于周边地区。

图2 海口市地表水pH值、温度、电导率分布图Fig. 2 Distribution of pH, temperature, and conductivity of surface water in Haikou City

3.2 海口市地表水重金属空间分布及影响因素

海口城市地表水体中各重金属元素浓度水平各不相同(表1)。其中, Cu的含量范围为nd—30 μg·L-1, 均值为7.4 μg·L-1; Pb的含量范围为nd—6.8 μg·L-1, 均值为0.1 μg·L-1; Zn的含量范围为5.7—44.5 μg·L-1, 均值为15 μg·L-1; Cd的含量范围为nd—1.1 μg·L-1, 均值为0.52 μg·L-1; As的含量范围为0.42—16 μg·L-1, 均值为2.6 μg·L-1; Ni的含量范围为nd—31 μg·L-1, 均值为7.0 μg·L-1。

从不同重金属元素在海口地表水的分布(图 3)看,海口地表水体中Cu、Ni元素含量分布基本上呈现出周边高于市区的规律。这可能与市郊区分布的一些小型工厂有关。如Liu 等对东江流域水体重金属空间分布进行研究, 发现东江流域工业区污染严重, 且高于市区[8]。

整个海口市地表水中, Cd和Pb含量很低, 只有海甸溪水位于新港码头客运站附近的采样点水样中Pb含量被检出, 这可能是由于该区域船舶汽油燃烧释放所致。此外, 客运码头汽车流通量较大, 车辆磨损、汽油燃烧释放等排放的Pb通过大气沉降进入土壤和周边河流[9-10]。

表1 海口城市地表水体中重金元素含量的统计分析结果(mg·L-1)Tab. 1 Statistic results of heavy metals in surface water of Haikou City (mg·L-1)

注： 表中nd 表示未检出; Ⅰ类～Ⅴ类指地表水环境质量标准中项目标准限值；A指地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值。

图3 海口市地表水重金属空间分布Fig. 3 Distribution of heavy metal concentrations in surface water in Hainan City

Cd只有在南渡江(琼州大桥下)、南渡江龙潭段(龙塘变电厂)、沙坡水库水样检出。As在各地表水体中含量差异不明显, 这一点有待进一步研究。

海口地表水重金属含量与水质参数间 Pearson相关性分析结果如表2。

地表水中As含量均与水体pH值成显著正相关关系(p ＜ 0.05)。相反, Cu含量和Ni含量则与水体中pH值成显著负相关关系(p ＜ 0.05)。水体Ni含量随温度增加而减少(p ＜ 0.05), Cu 含量随电导率增加而减少(p ＜ 0.05)。这说明水体pH、温度和电导率会影响重金属元素在水体中的浓度。李倩[11]对三峡水库的研究也表明水质参数可显著影响重金属在水体和悬浮物之间的分配, 从而影响水体可溶态重金属浓度。

3.3 海口市地表水重金属含量与世界其他水体比较

与世界其他水体比较(表3), 海口城市地表水中Cu含量高于Dhaka Metropolitian城市地表水[12]、鄱阳湖[14]和洞庭湖[16], 而低于 Aswan Nile 河[13]和双台子河[15]。海口城市地表水中 Pb含量低于其他地区。海口城市地表水中 Zn含量略高于洞庭湖[16]而低于其他地区。海口城市地表水中Cd含量高于鄱阳湖和洞庭湖; Ni含量高于洞庭湖, 低于双台子湖; As含量低于Dhaka Metropolitan 城市地表水[12]和洞庭湖[16], 高于双台子湖[15]。这说明海口城市地表水与世界其他水体比较, 处于较低的水平, 环境质量较好。这可能与海口生态建省, 着力发展旅游业, 减少污染性工业政策有关。

3.4 海口市地表水重金属环境质量评估

海口城市地表水体中Pb、Zn和As四种元素均符合地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中Ⅰ类水质标准(表4)。

与地表水环境质量标准标准相比, 除了南渡江博雅村附近的 S23号点位(Ⅱ类水)之外的其他所有水体中Cd元素含量也均符合Ⅰ类水质标准。对Cu元素而言, 海口周边水体Cu元素含量明显高于市区水体; 周边的荣山养殖场、五源河、那卜水库、美涯水库、沙坡水库、洋山水库以及白水塘等水体的部分采样点以及市区的红城湖、横沟河及南渡江博雅村附近的个别点位的 Cu元素含量符合Ⅱ类水质标准, 其他水体均符合Ⅰ类水质标准。

表2 海口地表水重金属含量与水质参数之间的Pearson相关性系数(n=63)Tab. 2 Pearson correlation concentrations in surface water in Haikou City and water quality parameters (n=63)

表3 海口城市地表水与国内外数据比较(μg·L-1)Tab. 3 Comparison of heavy metal in surface water of Haikou city and other areas worldwide (μg·L-1)

与地表水环境质量标准中所列的集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值相比, 除了周边的那卜水库、美涯水库、工业水库、沙坡水库、洋山水库和东白水塘的个别点位 Ni元素高于集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值外, 其他所有水体中 Ni元素含量均低于集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值, 同时Ni元素含量分布基本上呈现出周边高于市区的规律。

综合以上分析, 根据海口城市地表水体中重金元素含量的统计分析结果和评价结果(表1, 表3), 与地表水环境质量标准(GB 3838-2002)相比, 海口市地表水体中 Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和As元素的平均含量符合Ⅰ类水质标准。

4 结论

综合以上分析, 可得出以下结论：

1) 市区水体中 Cu、Cr、Ni元素含量明显低于周边水体, Zn和As含量空间分布差异不大。水体中As、Cu、Ni含量受水体pH、温度和电导率的影响。

2) 与地表水环境质量标准(GB 3838-2002)相比,海口市地表水体中 Cu、Pb、Zn、Cd、Cr和As元素的平均含量符合Ⅰ类水质标准。

表4 海口城市地表水环境质量评价结果Tab. 4 Environmental quality assessment of surface water in Haikou City

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Distribution and evaluation of heavy metal in surface water in Haikou City

FU Yangrong1,*, GUO Yueping1, MA Ronglin1, DONG Zhicheng2

1. Hainan Institute of Geological Survey, Haikou 570206, China
2. Lu Dong University, Yantai 264025, China

Heavy metal pollution in surface water of city has been of great concern. The distribution of heavy metal (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, and As) in surface water in Haikou City and the water quality was evaluated. The results showed that average concentrations of heavy metals in surface water were 7.4 μg·L-1for Cu, 0.1 μg·L-1for Pb, 15 μg·L-1for Zn, 0.52 μg·L-1for Cd, 2.6 μg·L-1for As, and 7.0 μg·L-1for Ni. Concentrations of As, Cu and Ni in surface water in Haikou City were influenced by pH, temperature and conductivity. Levels of Cu and Ni in urban surface water were lower than those in outskirts waters, however, no obvious spatial distribution of other metals in waters of Haikou City was found. The evaluation results indicated heavy metal concentrations in surface water of Haikou City were lower than the limited values of Class I in water quality standard (GB 3838-2002).

Haikou City; surface water; heavy metal; environmental quality; evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.024

X82

A

1008-8873(2016)01-154-07

2013-12-05;

2013-12-30

中国地质调查局多目标生态地球化学调查项目(1212010511215)、海南省科学技术厅海南岛生态环境地质调查评价成果集成与技术研发及应用研究项目(ZDXM2014092)资助

傅杨荣(1966—), 男, 博士, 研究员, 从事环境地球化学研究

*通信作者：傅杨荣, E-mail： fuyangrong2013@163.com

傅杨荣, 郭跃品, 马荣林, 等. 海口城市地表水体重金属的空间分布特征及环境质量评估[J]. 生态科学, 2016, 35(1)： 154-160.

FU Yangrong, GUO Yueping, MA Ronglin, et al. Distribution and evaluation of heavy metal in surface water in Haikou City[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 154-160.