鄱阳湖重要支流重金属污染特征及环境风险

何亚卓 徐哲婷 于涛 潘涛 华叙荣 杨明航

（1 东华理工大学 江西省质谱科学与仪器重点实验室 江西南昌 330013 2 东华理工大学 核科学与工程学院 江西南昌 330013）

重金属因其具有毒性、持久性和非降解性等特征，引起了学术界、政府和公众的广泛关注［1］。重金属进入鄱阳湖水体后，因其不可降解性不能被水体自身净化而成为二次污染源，再次污染地下水［2-5］，因此，对鄱阳湖水质进行重金属污染评价显得尤为重要。近年来，学者对鄱阳湖污染情况的研究集中在沉积物污染方面。如伍恒赟等［6］对鄱阳湖沉积物重金属空间分布特征进行了分析，评价其潜在生态风险，并探讨了主要重金属的污染来源；Luo 等［7］采用FAAS 法对鄱阳湖6 个分支的沉积物的重金属含量进行了检测，结果表明Cu 的平均提取含量最高；Lu 等［8］研究了鄱阳湖沉积物中有机氯农药（OCPs）和16 种优先多环芳烃（PAHs）的浓度，鉴定了几种PAH 代谢物，并提出了可能的降解途径。进入表层水体中的重金属含量虽然低于沉积物中重金属的含量，但其具有生物富集和放大效应，即使微量存在也可对生物产生一定的毒性，最终通过食物链对人体健康造成严重威胁［9-12］。因此，迫切需要开展水环境安全风险评估，建立水环境安全评价参数和标准，并鼓励人们采取相应的措施和策略，以降低水污染的风险［13］。

本文以鄱阳湖重要支流丰水期表层水为研究对象，对鄱阳湖赣江和抚河地表水中的重金属（Zn、Pb、Hg、Cu、Cr 和As）含量进行测定并对重金属的污染水平进行评价。进一步探明两大支流水污染类型、污染程度、原因及其差异性，为鄱阳湖表层水中重金属污染的治理提供科学依据。

1 研究区域

鄱阳湖位于江西省北部长江中下游的南部，地理位置从28.37°N 到29.75°N，115.78°E 到116.75°E，是中国最大的淡水湖，其总水面积约为3 583 km2，集水面积为16.22 万km2。鄱阳湖是一个季节性湖泊，干旱和雨季之间的水位变化很大。水文观测站记录的湖泊历史最大深度为22.59 m，平均深度为10.20 m。鄱阳湖流域属亚热带季风气候，平均气温16.5 ℃～17.8 ℃，平均降水量1 542 mm。

鄱阳湖流域水系众多，流域面积涉及的范围南北长约620 km，东西宽约490 km，主要由赣江、抚河、信江、饶河、修水五大河流及各级支流，加上青峰山溪、博阳河、樟田河、潼津河等独流入湖的小河和鄱阳湖组成。赣江是鄱阳湖五河之首，发源于石城县石寮岽，由南至北贯穿江西省全境，流经南昌市汇入鄱阳湖，全长766 km，流域面积83 500 km2，占鄱阳湖流域面积的51.5%。抚河位于江西省东部，发源于广昌县，全长312 km，流域面积15 811 km2，为沿河两岸居民提供农业灌溉水、生活用水和发电等。

2 实验部分

2.1 样品采集

2020 年7 月（丰水期）采集了鄱阳湖赣江和抚河0.5 m 以下处共样品23 个。采样点由全球定位系统（GPS）定位，河流上游到下游的采样点设置如图1 所示。样品采集带回实验室酸化保存，用0.45 μm 微孔滤膜过滤，存储于聚乙烯塑料瓶中4℃保存待用。

图1 鄱阳湖重要支流沿程采样点分布

2.2 测试方法

样品消解方法参照国标GB/T 5750.6—2006。Pb、Zn、Cu 和Cr 采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICAP 7400/YQ-031），Hg、As 采用原子荧光光谱仪（AFS 200S/YQ-017）。Zn、Cu、Pb、Cr、Hg 和As 的检出限分别为1.0 μg/L、0.1 μg/L、0.1 μg/L、0.1 μg/L、0.001 μg/L、0.3 μg/L，所有元素3 次平行测样的相对标准偏差（RSD）均少于10%。

2.3 数据分析与统计

使用统计软件包SPSS 16.0 进行重金属含量的描述性统计分析和相关性分析，使用ArcGIS10.5 制作采样点分布图，其他数据处理使用Microsoft Excel 进行。

2.4 评价方法

（1）单因子污染指数法。当水质指数的标准指数小于或等于1 时，表明水体评价中水质指数的浓度符合水环境标准的要求。单因子污染指数如公式（1）：

式中：Pi为地表水中重金属的单因子指数；Ci为地表水中单重金属的实测浓度；Si为地表水中重金属的评价标准；Si采用《中华人民共和国地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅰ类水域标准为背景值。

（2）内梅罗综合污染指数法。在水质评价中，虽然一些污染物的浓度超过了环境标准，但该指数的平均值并未超过标准。内梅罗综合污染指数法是一种兼顾极值和平均值的计权型多因子评价指数。该方法可以表示为［14］：

式中：RI 是各种综合污染指数的指数；Max 是一种重金属的最大浓度值；i 是重金属的种类；Ci是地表水中重金属的实测浓度；Si是地表水中重金属的评价标准；n 是参与重金属评估的污染物总数。根据RI 的大小，将污染等级划分为5 个等级，即清洁（RI＜1）、轻污染（1≤RI＜2）、污染（2≤RI＜3）、重污染（3≤RI＜5）、严重污染（RI≥5）［14］。

3 结果与讨论

3.1 重金属含量水平

利用SPSS 和Excel 软件对研究区23 个样品的重金属含量进行基本统计特征分析，分析结果见表1。

重金属含量如表1 所示。本研究采用中华人民共和国地表水环境质量标准作为参考值。从表1 可知鄱阳湖地表河流水中重金属Pb、Cu、Zn、As、Cr 的平均含量分别为3.579 μg/L、8.684 μg/L、33.496 μg/L、16.233 μg/L、1.687 μg/L，重金属浓度由高到低的顺序为：Zn＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg，每个样点各重金属元素含量的平均值均低于鄱阳湖当地的参考背景值。Pb、Cu、Zn 的平均含量均为赣江高于抚河，分别为抚河地表水对应重金属含量的1.321 倍、1.149 倍、1.365 倍。这可能是因为赣江位于任坊沙场附近，周围存在较多机械厂和化工厂，使该河段水体中金属含量偏高。变异系数可反映人为活动对重金属含量的影响，变异系数越大，表明受人为活动干扰越强烈。根据Wilding 对变异系数的分类［15］，赣江地表水中Pb 和Cr（变异系数为43.3%和39.8%）为高度变异（CV＞36%），Cu、Zn 和As（变异系数为29.6%、21.3%和21.4%）为中等变异（15%＜CV＜36%）；抚河地表水中Zn 和Cr（变异系数为43.6%和53.5%）为高度变异，Pb、Cu 和As（变异系数为28.7%、33.5%和24.2%）为中等变异。特别是抚河地表水中Cr 的变异系数远远超过其他金属元素，说明Cr 的分布较不均匀，可能受人为源的控制。通过P 值可知，赣江与抚河地表水中重金属元素Zn 存在显著性差异（P＜0.05），而Pb、Cu、As 与Cr 不存在显著性差异，这个可能与赣江周边企业污染物的排放有关。

3.2 重金属含量及分布特征

鄱阳湖赣江和抚河支流水体中重金属浓度沿程变化如图2 及图3 所示。

由图2 可以看出，赣江支流中，Cu、As 和Cr 浓度沿程变化较为相似，上游变化较为平稳，在G8 处出现最高值，随后下降趋于稳定；Pb 在整个流域内浓度较低且变化较小，在中上游的G5 处出现最高值；Zn 浓度沿程波动较大，最高值出现在中上游的G5 处。由赣江中重金属沿程变化可知，5 种重金属浓度最高值均出现在中上游及中游区域，经过现场调查发现，该流域范围内具有大量的工业企业。

表1 鄱阳湖重要支流表层水中重金属含量及水质指标值

图2 鄱阳湖赣江支流重金属含量沿程变化

图3 鄱阳湖抚河支流重金属含量沿程变化

由图3 分析可得，抚河支流沿程中，Pb、Cu、As 和Cr 浓度沿程变化较为相似，Pb、Cu 和As 浓度最高值出现在F2 处，Cr浓度最高值出现在F3 处，随后逐渐下降并保持在稳定的浓度状态；Zn 浓度沿程波动较为明显，在上游变化程度较大，在F4处采样点达到最高值。中上游区域重金属浓度明显高于上游，且在河道拐弯处支流与干流交汇处重金属浓度较高。

综合可得，赣江表层水中重金属沿程变化特征与抚河中重金属较为相似。相对于抚河而言，赣江流域地表水为农业灌溉用水、工业用水、生活用水主要来源，分布较多企业，重金属含量相对高于抚河流域。

3.3 重金属污染评价结果

利用重金属单因子污染指数评价法和内梅罗综合污染指数法计算得到鄱阳湖赣江和抚河表层水中重金属的污染指数，结果见表2，Hg 未检出。由表2 可知，鄱阳湖赣江和抚河支流所测点重金属的Pi 为0.108～1.681，重金属单因子平均污染程度由高到低的顺序为：Cu＞Zn＞Pb＞As＞Cr，5 种重金属除Cu外在各个采样点的Pi 值均小于1，达到国家一级标准，表明其他重金属在各个采样点上无污染。Cu 的单因子污染指数在G8、G9、F1 和F2 采样点处在1.000～2.000，属于轻微污染。

从内梅罗污染指数来看，整个采样点的RI 介于0.636～1.674 之间。G8 采样点的污染程度较高，RI 值达到了1.674。采样点G5～G8、G11～G13、F1～F4 的RI 在1.000～2.000 之间，属于轻污染，其余采样点无污染。主要污染区位于南昌清湖村（G5），西湖区（G9 和G8），抚州湖南乡（F1 和F2）。南昌市是一个大型的工业化城市，重金属的污染主要来源于人类活动，包括城市化、工业化、工业废物的沉积等。清湖村附近有多家砂场，砂场废水中含有Pb、Zn，故推测Pb、Zn 可能为砂场处理过后的水流入到赣江中。抚河湖南乡主要有多家电力器材厂和建材厂，电力器材厂和建材厂生产的废水中含有Cu，推断Cu含量受工业废水排放影响。

表2 鄱阳湖重要支流表层水中重金属环境风险评价结果

3.4 重金属元素间的相关性

各重金属元素之间相关性与元素的性质、吸附特性和污染源有关。一般情况下，元素相关性越显著越有可能具有同一污染源，反之则受到不同污染源的作用［16］。为揭示主要地表河流水中重金属的分布及迁移特征，采用Pearson 相关性分析探讨鄱阳湖赣江和抚河支流中样品的重金属Pb、Cu、Zn、As、Cr来源一致性，见表3 所示。重金属中Cu 和As、Cu 和Cr、As 和Cr 浓度之间呈极显著相关（P＜0.01），相关系数分别为0.777、0.527 和0.771，Pb 和Zn 呈显著相关（P＜0.05），相关系数为0.488，说明它们之间浓度变化规律相似，这可能与地球化学性质有关，表明它们可能具有相同的来源。

表3 鄱阳湖重要支流中表层水重金属的相关性

赣江与抚河各地表水中5 种重金属元素相关性分析结果如表4 所示。赣江表层水中重金属Cu、As、Cr 浓度两两之间均呈极显著正相关（P＜0.01），Cu 和As、Cu 和Cr、As 和Cr 其相关系数分别为0.881、0.679 和0.706，表明它们具有相似的地球化学行为，具有一定的同源性。抚河地表水中As 与Cu、Cr 浓度之间呈极显著正相关（P＜0.01），其相关系数分别为0.848、0.816，Pb 与Cu、As 和Cr 浓度之间呈显著正相关（P＜0.05），其相关系数分别为0.695、0.703 和0.647，从地球化学的角度看，这些金属具有相似的地球化学行为，具有一定的同源规律，而其他重金属之间不存在显著的相关性。

表4 赣江和抚河中表层水重金属的相关性

3.5 重金属元素主成分分析

通过主成分分析可以有效判别重金属元素的污染来源［17］。通过前述相关性分析，发现大部分重金属元素之间具有显著的相关性。本文利用SPSS 16.0 软件对赣江和抚河中重金属进行主成分分析，确定赣江和抚河地表水中重金属的来源。得到KMO 检验值为0.558，Bartlett 球型检验相伴概率为0.000，小于显著性关系0.05，因此各重金属元素间相关性较强，适合做因子分析。赣江和抚河中表层水重金属主成分分析结果见表5，根据特征值大于1 的原则，筛选出2 个成分，共解释了77.894%的原有信息，这说明对前2 个主成分进行分析即可得到Pb、Cu、Zn、As、Cr 这5 种重金属含量数据的大部分信息。在进行污染来源分析时，来自同一污染源的污染物之间一般存在一定的相关性，反映的信息具有一定的重叠［18］。

由表6 可知，鄱阳湖赣江和抚河支流地表水中5 种重金属主要由2 个主成分构成，2 个主成分累计贡献率为77.894%，贡献率分别为51.268%、26.626%。结合主成分相关系数（表3）可知，第一主成分为As、Cu 和Cr，其权重系数分别为0.925、0.847、0.796；第二主成分为Pb 和Zn，其权重系数分别为0.774、0.729。

鄱阳湖重要支流中重金属元素主成分载荷见图4。

图4 中重金属间的距离反映了重金属元素含量间的相关性，Pb 和Zn，As、Cu 和Cr 之间的距离较近，显示出较强的相关性。再次表明Pb 和Zn 之间具有一定的同源性，As、Cu 和Cr之间具有一定的同源性，而与Pb 和Zn 显示出较强的异源性。

表5 鄱阳湖重要支流中重金属主成分分析结果

赣江和抚河中重金属主成分分析结果见表7。

表6 鄱阳湖重要支流中重金属含量主成分分析成分矩阵

表7 赣江和抚河中重金属主成分分析结果

图4 鄱阳湖重要支流中重金属元素主成分载荷

由表7 可知，赣江地表水中重金属主要由2 个主成分构成，2 个主成分累计贡献率为80.35%，贡献率分别为50.88%、29.47%。重金属As、Cu、Cr 的含量在第一主成分上载荷较高，主要反映了As、Cu、Cr 的富集信息；重金属Pb、Zn 的含量在第二主成分上载荷较高，主要反映了Pb、Zn 的富集信息。抚河地表水中重金属主要由2 个主成分构成，2 个主成分累计贡献率为82.47%，贡献率分别为70.31%、12.16%。其中Pb、As、Cu、Cr的含量在第一主成分上载荷较高，主要反映了Pb、As、Cu、Cr的富集信息；Zn 的含量在第二主成分上载荷较高。

对赣江沿岸重金属污染状况调查发现，赣江流域内耕地面积近118 500 hm2，农药和化肥的施用是赣江As 的主要来源；Cu 和Cr 主要与钢铁厂、机械厂有关，赣江流域南昌段分布有较多的钢铁厂，生产过程中产生的工业废水、废渣等未经过污水处理排放到河流中。石先罗等［19］的研究结果表明赣江南昌段沉积物重金属Cu 是主要风险污染物，主要来源于南昌市城市生活污染和附近的工业企业污染。赣江水体中Pb 和Zn可能来源于自然，即地表水的自身组成。抚河沿岸的重金属含量与冶炼有关，Pb、As、Cu、Cr 源于重金属采选与冶炼企业产生的工业外排废水或雨水淋溶矿物废渣。第二主成分Zn 可能来源于地球化学行为。

结合表1 和表7，可判断鄱阳湖西南部支流中地表河流水中5 种重金属第一主成分As、Cu 和Cr 受赣江影响较大，主要来源于钢铁厂；第二主成分Pb 和Zn 受抚河影响较大，可认为来自于重金属采选与冶炼企业产生的工业外排废水或雨水淋溶矿物废渣。

4 结论

（1）鄱阳湖赣江和抚河支流主要地表水中重金属Pb、Cu、Zn、As、Cr 的 平 均 含 量 分 别 为3.579 μg/L、8.684 μg/L、33.496 μg/L、16.233 μg/L、1.687 μg/L，Pb、Zn、As 与Cr 的含量低于GB 3838—2002 I 类地表水质标准，Cu 的浓度相对较高。Pb、Cu、Zn 的平均含量均为赣江高于抚河，而As 和Cr 的含量则相差不大。由变异系数可知，Cr 的变异系数最大，含量在空间上分布存在较大差异。通过P 值可知，赣江与抚河地表水中仅重金属Zn 存在显著性差异（P＜0.05）。

（2）赣江和抚河5 种重金属含量沿程分布存在明显的差异，赣江中Cu、As 和Cr 浓度主要呈现中游偏高的现象；Pb 在中上游的G5 处偏高。抚河中Pb、Cu、As 和Cr 浓度存在上游偏高的现象，而Zn 在赣江和抚河中的浓度沿程波动较为明显。

（3）单因子污染指数评价法结果表明赣江和抚河中主要污染因子均为Cu，重金属元素产生的风险均值大小为Cu＞Zn＞Pb＞As＞Cr，除Cu 外的重金属元素单因子污染指数均小于1；从内梅罗综合污染评价来看，整个采样点的RI 介于0.636～1.674 之间，最高点位于G6 处。

（4）赣江和抚河5 种重金属含量整体的相关性表明，Cu、As、Cr 3 种金属具有同源性，而Pb 与这3 种金属来源性不同，但与Zn 的来源相似。通过对赣江和抚河主要地表河流水中Pb、Cu、As、Cr 与Zn 进行相关性分析及主成分分析，结合当地自然环境与工业情况可判定：第一主成分As、Cu 和Cr 受赣江影响较大，主要来源于钢铁厂；第二主成分Pb 和Zn 受抚河影响较大，可认为来自于重金属采选与冶炼企业产生的工业外排废水或雨水淋溶矿物废渣。