渭河陕西段水体重金属污染现状及其来源探析

田渭花，王蕾，关建玲，王舒婷，张宇

陕西省环境监测中心站，陕西 西安 710054

渭河陕西段水体重金属污染现状及其来源探析

田渭花，王蕾*，关建玲，王舒婷，张宇

陕西省环境监测中心站，陕西 西安 710054

基于重金属及常规监测指标实测数据，对渭河陕西段水体重金属的污染现状进行评价，利用主成分分析等对重金属(Hg、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Ca和Zn)与常规监测指标(NH3-N浓度、COD、EC、DO浓度和pH)的相关性及其来源进行研究。结果表明：渭河陕西段水体中As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn浓度均在GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ～Ⅱ类标准限值内，Ni浓度低于《集中式生活饮用水地表水源地特定项目》标准限值；渭河陕西段水体存在Hg污染。重金属与常规监测指标有不同程度的相关性，其中As、Cr、Ni与NH3-N呈显著正相关；As、Pb、Cd与EC呈极显著正相关；As与DO呈极显著负相关。主成分分析表明，第一主成分主要包括As、Pb、Cr、Ni、Cu，与NH3-N同源，主要与工业、生活等人为活动污染有关；第二主成分主要包括Cd和Zn，主要为地球化学来源。

渭河陕西段；重金属；常规监测指标；相关性；来源

渭河是陕西的“母亲河”，也是黄河的最大支流，在陕西境内主要流经宝鸡市、杨凌区、咸阳市、西安市、渭南市5个市(区)，是该地区工农业生产及生活用水的重要来源[1]，渭河水质的好坏直接影响到沿岸人民的生活和经济社会的发展。重金属是流域中重要的污染物[2-4]，人类直接饮用被重金属污染的水或间接食用被污染的水产品和农产品，都会对其身体健康造成重大伤害[5]。张辉[6]的研究表明，污染水体的重金属主要有Hg、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn等，其中，以As和Hg的毒性最大，Cd次之，Cr、Zn、Cu有一定的毒性。近年来，对渭河流域中常规监测指标，如氨氮(NH3-N)、化学需氧量(CODCr)等的研究较多[7-9]，对重金属污染的报道也逐渐增多[10-11]；但对水体中重金属和常规监测指标〔如NH3-N、CODCr、电导率(EC)、溶解氧(DO)、pH〕的相关性研究鲜有报道。笔者针对渭河陕西段水体中的Hg、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn等8种重金属进行监测，分析其污染现状，并对重金属与常规监测指标进行了Pearson相关性分析及主成分分析，以期为渭河流域重金属的污染防治提供基础数据，为环境管理提供服务。

1 材料与方法

1.1样品采集与制备

研究包括渭河干流及主要入渭支流共19个断面(图1)。干流断面包括林家村、卧龙寺桥、虢镇桥、常兴桥、兴平、咸阳铁桥、天江人渡、耿镇桥、新丰镇大桥、潼关吊桥10个；支流断面包括清姜河入渭、金陵河入渭、黑河入渭、涝河入渭、新河入渭、沣河入渭、皂河入渭、灞河入渭、临河入渭9个。水样采集时间为2015年8—9月，样品采集后，按500mL水样加5mL盐酸固定，用于Hg、As浓度测定；500mL水样加5mL硝酸固定，用于Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn浓度测定；水样加浓硫酸固定，使pH≤2，用于NH3-N浓度和CODCr测定；处理后水样运回实验室2～4℃保存。现场测定EC、DO浓度和pH。

图1 监测断面示意Fig.1 Location of sampling sites

1.2样品测定与分析

重金属和常规监测指标的测定均采用国家规定的标准方法进行：Hg、As浓度依据HJ694—2014《汞、砷、硒、铋和锑的测定 原子荧光法》，使用AFS-830原子荧光光度计(北京吉天仪器公司)测定；Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn浓度依据HJ700—2014《水质65种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》，使用XSeries2电感耦合等离子体质谱仪(赛默飞世尔科技公司)测定；NH3-N浓度依据HJ535—2009《纳氏试剂分光光度法》测定；CODCr依据GB/T11914—1989《重铬酸盐法》测定；EC、DO浓度、pH采用Sension156多参数测定仪(美国哈希公司)现场测定。试验所用仪器均在计量检定有效期内；所用试剂均为优级纯或分析纯；试验用水均为超纯水；塑料、玻璃器皿均在硝酸溶液中浸泡24h以上，并用超纯水冲洗干净后使用。为保证数据准确度和精密度，采用国家标准物质中心提供的标准物质进行质量控制，并设空白样和平行样，所有测定元素的相对误差(RE)均小于±20%，相对标准偏差(RSD)均低于10%。

1.3数据评价与处理

参照GB3838—2002《地表水环境质量标准》[12]中各污染物分类标准浓度限值及河流断面各污染物的监测浓度进行污染程度评价；运用SPSS19.0统计软件进行Pearson相关性分析及主成分分析，研究渭河陕西段水体中重金属及常规监测指标的相关性，并识别其污染来源[13-14]。

2 结果与讨论

2.1测定结果

渭河陕西段水体中8种重金属的测定结果如表1所示。由表1可知，渭河陕西段水体中As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn浓度在GB3838—2002Ⅰ～Ⅱ类浓度限值内，其中As、Pb、Cr、Cu、Zn检出率达100%，Cd的检出率达89%，与杨学福等[15]的研究相比(渭河西安段各断面Pb、Cd未检出，Cu、As、Zn的检出率3.5%～75%)，检出率大幅提高，说明水体中As、Pb、Cd、Cu、Zn等重金属浓度有所增加；各断面Ni浓度均低于《集中式生活饮用水地表水源地特定项目》标准限值；26%的断面Hg浓度超出了Ⅲ类水质标准限值。胡月红等[16]研究也表明，渭河西安段部分断面Hg浓度超过了Ⅲ类标准限值。监测结果表明，渭河陕西段干支流断面均存在一定的Hg污染。

表1 渭河陕西段水体中重金属浓度测定统计结果

注：ND代表未检出；检出率=(检出样品个数/实际检测样品个数)×100%；计算平均浓度时未检出按方法检出限值计算。Hg、Cd的检出限值分别为0.04、0.05 μg/L。

渭河陕西段水体中常规监测指标的测定结果如表2所示。由表2可知，渭河陕西段水体中NH3-N、CODCr和DO的平均浓度分别为1.840、25和6.47 mg/L，EC的平均值为600 μS/cm；渭河陕西段不同河段和不同支流NH3-N浓度、CODCr和DO浓度差异较大，超过GB 3838—2002中Ⅲ类标准浓度限值的断面分别占总断面的53%、53%和26%，说明该水体中存在一定的氮污染和有机物污染；95%的断面pH大于7，平均为7.71，表明渭河陕西段水体呈弱碱性。

表2 渭河陕西段水体中常规监测指标的测定结果

注：ND代表未检出；CODCr的检出限值为10 mg/L。

2.2重金属与常规监测指标的相关性及其来源探析

通过SPSS 19.0统计软件计算渭河陕西段水体中重金属与常规监测指标的相关性，结果见表3。由于仅有36%的断面检出Hg，故未进行Hg的相关性分析。由表3可知，渭河陕西段水体中7种重金属与常规监测指标存在不同程度的相关性，其中As、Cr、Ni与NH3-N呈显著正相关，相关系数分别为0.545、0.457、0.503；As、Pb、Cd与EC呈极显著正相关，相关系数分别为0.650、0.583、0.579；Ni与EC呈显著正相关，相关系数为0.544；As与DO呈极显著负相关，相关系数为-0.620；Cd、Ni与DO呈显著负相关，相关系数分别为-0.530、-0.492。此外，重金属之间也有不同程度的相关性，其中As与Ni、Pb呈极显著正相关，相关系数分别为0.750、0.620；Cu与Pb、Cr、Ni呈极显著正相关，相关系数分别为0.788、0.909、0.846。说明渭河陕西段水体中的重金属有相似的来源和污染水平。

表3 渭河陕西段水体中重金属与常规监测指标的相关系数

注：**为在0.01水平(双侧)上显著相关(极显著)；*为在0.05水平(双侧)上显著相关(显著)。

进一步利用主成分分析[17]研究了渭河陕西段水体中重金属与常规监测指标的相关性及其来源，如表4所示。由表4可以看出，根据主成分分析的因子选取原则(特征值大于1)，选出第一主成分(F1)和第二主成分(F2)，其重金属的特征值分别为4.005和1.333，这2个主成分因子对流域水体中7种重金属影响因子的贡献率达76.252%，2个主成分的贡献率分别为57.208%(F1)和19.044%(F2)，基本上反映了7种重金属的大部分信息。渭河陕西段水体中重金属的成分矩阵由表5所示。由表5可以看出，F1主要包括As、Pb、Cr、Ni、Cu，F2主要包括Cd、Zn。

表4 渭河陕西段水体中重金属的主成分分析

表5 渭河陕西段水体中重金属的成分矩阵

为了更深入了解重金属与常规监测指标的相关性，对其来源进行了分析。将F1、F2作为新的变量指标分析其与常规监测指标的相关性，结果见表6。由表6可知，F1与NH3-N呈显著正相关，表明F1中的重金属As、Ni、Cu、Cr、Pb与NH3-N可能同源，皂河入渭、新河入渭、虢镇桥等点位都具有工业生产集中、人口密集等特点，可见F1中的重金属As、Ni、Cu、Cr、Pb浓度较高主要是受各种人为活动的影响，该结果与张莉等[18]的研究结果相似；而NH3-N的点源污染也主要来自城镇排放的含有大量有机氮和无机氮污染物的工业废水和生活污水，这些污染物在微生物的作用下分解成NH3-N[19]，进一步说明了F1中的重金属As、Ni、Cu、Cr、Pb与NH3-N同源，都与工业及生活等人为活动污染有关。F1与EC呈显著正相关、与DO呈显著负相关，是因为水中重金属浓度越高，其盐类浓度越高，溶解的盐类大都是强电介质，所以电导率也越大[20]，而重金属的增加可能对水体微生物有毒害作用，因此导致水体DO浓度的降低。F2中Cd、Zn与常规监测指标未发现明显相关性，有研究表明，Cd、Zn主要受母质和成土过程的影响[21]，如Cd、Zn的高浓度区潼关吊桥区域矿产资源丰富，矿产资源钙矾石中的Ca2+能被许多阳离子不同程度地替换，导致Cd、Zn等元素进入钙矾石或其他矿物晶格内[22]，说明Cd、Zn主要为地球化学来源。

表6 渭河陕西段水体中重金属主成分与常规监测指标间的相关系数

注：*为在0.05水平(双侧)上显著相关。

3 结论

(1)渭河陕西段水体中重金属As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn平均浓度均在GB3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅰ～Ⅱ类标准浓度限值内，但其浓度较2012年有所增加；各断面Ni的浓度均低于集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准浓度限值；渭河陕西段水体中存在一定的Hg污染现象。

(2)渭河陕西段水体中各重金属与常规监测指标之间存在不同程度的相关性：其中As、Cr、Ni与NH3-N呈显著正相关；As、Pb、Cd与EC呈极显著正相关；Ni与EC呈显著正相关；As与DO呈极显著负相关；Cd、Ni与DO呈显著负相关。

(3)主成分分析及相关性分析结果显示，渭河陕西段水体中重金属污染物有2个主成分：第一主成分包括As、Pb、Cr、Ni、Cu，与NH3-N同源，与工业及生活等人为活动污染有关；第二主成分包括Cd、Zn，其与常规监测指标未发现明显相关性，其元素主要为地球化学来源。

在今后的工作中，渭河陕西段水体重金属污染防治应重点控制Hg污染，同时需及时监测重金属As、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn的污染变化并依据其主要污染来源适时采取有效的预防措施。如对As、Pb等重金属应重点控制人为污染，尤其应加强对企业排污的监测；而对Cd和Zn的防治则应主要从其周围地壳、成土母质等自然环境要素入手。

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HeavymetalpollutionandsourceanalysisofWeiheRiverinShaanxiProvince

TIAN Weihua, WANG Lei, GUAN Jianling, WANG Shuting, ZHANG Yu

Shaanxi Environmental Monitoring Center, Xi'an 710054, China

Based on the measured data of heavy metals (Hg, As, Pb, Cd, Cr, Ni, Cu and Zn) and related routine monitoring indexes (NH3-N, COD, EC, DO and pH), the heavy metal pollution of the Weihe River in Shaanxi Province was evaluated according to theEnvironmentQualityStandardsforSurfaceWater(GB 3838-2002), and then the heavy metals sources in the region studied by principal component analysis and correlation analysis in and between the heavy metals and the routine monitoring indexes. The results indicated that the contents of As, Pb, Cd, Cr, Cu and Zn of the Shaanxi section of the Weihe River were below the standard limits for category Ⅰ or Ⅱ surface water, the content of Ni was below the limit of specific items for the drinking water and surface water sources, and the river was polluted at a certain degree by Hg. Heavy metals were correlated with routine monitoring indexes in different degrees, in which As, Cr, Ni had significant positive correlations with NH3-N, As, Pb, Cd showed highly significant positive correlations with EC, while As showed a significant negative correlation with DO. According to principal component analysis, the first principal component mainly included As, Pb, Cr, Ni, Cu, all were homology with NH3-N, and they were mainly from various human activities including of industry and life. The second principal component mainly included Cd and Zn, being of the geochemical sources.

Shaanxi Province section of Weihe River; heavy metals; routine monitoring indexes; correlation; source

田渭花，王蕾，关建玲,等.渭河陕西段水体重金属污染现状及其来源探析[J].环境工程技术学报,2017,7(6):684-690.

TIAN W H, WANG L, GUAN J L, et al.Heavy metal pollution and source analysis of Weihe River in Shaanxi Province[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):684-690.

2017-06-13

陕西省社会发展科技攻关项目(2015SF282)

田渭花(1983—)，女，高级工程师，硕士，主要从事环境监测与评价研究，weihua1983lyh@163.com

*通信作者：王蕾(1983—)，女，高级工程师，博士，主要从事环境质量综合分析研究，19416253@qq.com

X824

1674-991X(2017)06-0684-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.094