盘江独木河重金属时空分布特征及污染评价

姚 兴，邢 颖，傅良同，石 姗

（黔南民族师范学院旅游与资源环境学院，贵州都匀558000）

乌江是长江上游南岸最大的支流，发源于贵州威宁县乌蒙山东麓，为贵州省流域面积最大的河流［1］。乌江流经贵阳市花溪区高坡乡后分流出清水江，盘江为清水江支流，主要位于贵州省贵定县盘江镇内，在盘江镇农、林、牧业发展中发挥着重要作用，是盘江镇人民生活与社会经济发展必不可少的部分［2，3］。但近年来，随着当地城镇化进程的不断加快，工矿业污染物和生活污水的过量排放，给盘江的水资源造成了一定程度的污染，尤其是重金属污染［4-6］。水体中重金属可在一定条件下直接被生物吸收并随食物链逐级累积，既破坏生态环境，更危害沿岸群众健康安全［7-10］。当前，盘江已成为贵州省生态环境治理和保护恢复的重点区域［11］。因此，对盘江水环境中重金属分布及风险评价的研究具有十分重要的意义。

自上个世纪末开始，已有不少学者对贵州乌江水质环境做了相关的研究，主要集中在水文特性变化［5，12］、水质量评价［2，3，13］及离子化学特征［6，14，15］，涉及水体重金属的研究相对较少。刘鸿雁等［1］研究发现，贵阳市清水河部分河段是乌江流域污染最严重的河段，其主要污染物包括铅和磷。吴迪等［4］对乌江流域沉积物中重金属含量分布及富集特征进行分析，结果表明铅的富集度相对最高，镉和铅的生态危害程度分别为中度和轻度。吕红等［3］则研究了10 种重金属与营养盐间耦合机理。然而，目前对盘江独木河水体重金属的研究未见报道。

基于此，本文以盘江音寨旅游景区内独木河水体为研究对象，对酸碱度（pH）、温度（T）及镉（Cd）、铅（Pb）、六价铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）等重金属的总浓度进行全年采样检测，利用Pear⁃son 相关分析和PCA 主成分分析，对盘江独木河主要污染因子的时空分布特征及来源进行探讨分析，并采用内梅罗综合评价指数和潜在生态危害指数评价方法，分析盘江独木河重金属的污染状况及生态风险，旨在以最新的实验数据较系统地对盘江独木河水体重金属状况进行评价，为盘江独木河污染物的治理和污染源的控制提供现实参考意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文选取的研究区域位于贵州省贵定县下辖镇盘江镇境内（107°08'～107°13'E，26°27'～26°34'N）（图1），地势特点为东西高、中部低、南北长，平均海拔1 000 m，岩性以二叠系、三叠系的灰岩、白云质灰岩和白云岩为主，岩溶广泛发育。该区气候属亚热带湿润气候，多年平均降雨量为1 084.9 mm，多年平均气温为15.5°C。盘江镇境内有大小河流10 余条，主要有瓮城河、独木河和龙里河，水域面积151.95 万m2。独木河在县境内全长95.6 km，流域面积1 180.3 km2，多年平均流量22.46 m3/s，水力资源理论蕴藏量约74 136.92 kW。

图1 研究区地理位置及采样点分布图Fig.1 Geographical location and sampling point distribution map of the study area

1.2 样品采集与测定

于2019年1-12月对盘江音寨旅游景区内独木河进行逐月采样检测，从上游至下游所设的采样点分别为马坝、独木河、音寨。每月中旬采样时使用便携式水质分析仪（Hanna，意大利）对水样的温度、pH 等基本指标进行现场分析检测。水样经0.45 μm 醋酸纤维膜过滤后置于聚乙烯塑料瓶，并滴入浓硫酸使水样酸化（pH<2），而后放入样品箱中避光运回实验室，放置于4°C 冰箱冷藏保存直至检测。严格按照《GB7475-87》步骤，使用原子吸收分光光度法测定Cd、Pb、Fe 等元素含量，Cr 的测定采用二苯碳酰二肼分光光度法，Mn 的测定采用甲醛肟分光光度法。

1.3 内梅罗综合评价指数评价法

内梅罗综合污染指数法是水体重金属污染评价的常用方法，能够反映水体单个重金属的污染现状及多种重金属对复合污染的不同贡献，能对多种重金属并存的水体进行主要污染物的判别［16］。

单因子污染指数：

多因子综合污染指数：

式中：Ci为重金属i的实测浓度；Si为水质标准，Cd、Pb 和Cr采用GB3838-2002 中的地表水III 类的水质标准作为参比标准，Mn和Fe 参考集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值；maxPi为重金属单因子污染指数的最大值；avePi为各金属单因子污染指数的平均值。水体中重金属的污染评价标准如表1所示。

表1 水体重金属的污染评价标准Tab.1 Evaluation standard of heavy metal pollution in water

1.4 数据统计分析

本文采用Pearson 相关分析研究pH、温度与Cd、Pb、Cr、Mn、Fe浓度以及各重金属元素间的关系，采用PCA 主成分分析方法研究盘州独木河水体重金属的主成分因子载荷。数据处理采用Excel 2017、SPSS 19.0软件，辅助绘图采用Origin 7.5软件。

2 结果与分析

2.1 盘江独木河pH值、温度及重金属浓度变化特征

2.1.1 pH值和温度变化特征

2019年盘江独木河水体pH 值和温度的统计结果如表2 和图2所示。盘江独木河水体温度为7.6～20.6 ℃，从图1可以直观看出，一年中，3 个采样点的温度变化特征基本一致，均在6月达到峰值，整体表现与季节变化相符。3个采样点水体pH 值为6.67～7.63，平均值为7.08，水体呈弱碱性。其中1-4月，3个采样点pH 值呈不同变化趋势，马坝处水体表现为先降后升，独木河为先升后降再升，音寨则先降后升再降。而后，各采样点水体pH 值的变化相差不大，在6-8月达到较高水平，于9月突然显著下降，这可能是因为8-9月为农田排水时期，经一段时滞后，以C、N 等酸性物质为主的大量农业面源污染物汇入河道，从而降低了水体pH 值［17］。此外，盘江独木河水体pH 值变化具有明显的季节性，3个采样点水体均表现出春冬季低、夏秋季高的特征，这主要受到水体中植物的光合作用和呼吸作用的影响。夏秋季是浮游类生长繁殖的旺季，植物光合作用消耗水中的CO2，促进水体中HCO3-转换为H2CO3和OH-的生成，从而导致水体pH值上升［18］。

表2 盘江独木河水体pH值和温度Tab.2 pH and temperature of Dumu River of Panjiang River

图2 盘江独木河水体pH和温度的时空变化Fig.2 Temporal and spatial variation of pH and temperature in Dumu river of Panjiang River

2.1.2 重金属浓度变化特征

2019年盘江独木河水体Cd、Pb、Cr、Mn、Fe浓度的统计结果如表3和图3所示。从空间分布上看，重金属Pb、Mn、Fe 的平均浓度均表现出马坝>独木河>音寨，Cr、Cd 浓度则无明显的空间分布特征。从时间分布上看，3个采样点水体中Pd、Mn、Fe浓度变化趋势基本一致。Pd 表现为春秋高，夏冬低，最大值均出现在4月。Mn 表现为春秋高，夏冬低，最小值均出现在1月，最大值均出现在4月。Fe 表现为夏秋高，春冬低，最大值均出现在7月。Cr、Cd浓度无明显的时间分布特征。

图3 盘江独木河水体重金属时空变化Fig.3 Temporal and spatial variation of heavy metals in the Dumu river of Panjiang River

表3 盘江独木河水体重金属浓度 mg/LTab.3 Heavy metal concentration in the Dumu river of Panjiang River

此外，对照《GB 3838-2002 III 类水质标准》可知，盘江独木河水体中Cd、Pb 浓度超过了III类水的水质标准，Mn、Fe 浓度也超过了集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值，仅有Cr 浓度满足III 类水的水质标准。因此，Cd 和Pb 的来源问题及未来存在的潜在风险应引起重视。

2.1.3 pH值和温度与重金属浓度的相关性分析

对pH 和温度与重金属浓度进行Pearson 相关性分析（表4），结果显示pH值除与独木河、音寨水体Fe浓度呈极显著正相关外，与其他指标均无明显相关性，表明pH 值不是影响盘江独木河水体的重金属浓度分布的主要影响因子。温度与各采样点水体Fe 浓度均呈显著或极显著正相关，说明Fe 在盘江独木河水体中的分布与水体温度密切相关，这与周炎等［19］的研究结果相符，主要是由于温度升高影响微生物的活动，导致沉积物-水界面的氧化还原电位降低而引起的［20，21］。此外，温度还与马坝水体Cr 浓度、音寨水体Pd 呈显著正相关，表明温度与马坝水体Cr浓度、音寨水体Pd在水环境中的行为紧密相关。

表4 盘江独木河水体pH和温度与重金属浓度的相关性系数Tab.4 Correlation coefficient between pH，temperature and heavy metal concentration in Dumu river of Panjiang River

2.2 盘江独木河重金属来源分析

在水环境中，Pearson相关性和主成分分析是判别重金属来源的主要方法［22］。对盘江独木河3个采样点水体中各重金属的来源进行分析，Pearson相关性分析结果表明（表5），马坝水体中Pd、Cr、Mn 等3 种重金属具有显著相关性（p<0.05），而独木河、音寨水体中仅Pd 和Mn 间存在极显著正相关关系（p<0.05）。主成分分析结果表明（表6～8），马坝、独木河、音寨水体的累计方差分别为84.119%、88.926%和90.422%，可以解释5 种水体重金属来源信息。马坝水体重金属提取出2 个主成分，第一主成分为Mn、Pb和Cr，第二主成分为Cd和Fe，分别解释了总方差的54.866%和29.253%。独木河水体重金属提取出3个主成分，第一主成分为Mn、Pb和Cr，第二、三主成分分别为Cd和Fe，3个主成分分别解释了总方差的42.216%、24.701%和22.009%。音寨水体重金属提取出3 个主成分，第一主成分为Pb 和Mn，第二主成分为Fe 和Cr，第三主成分为Cd，3 个主成分分别解释了总方差的39.337%、28.850%和22.235%。以上结果表明，3个采样点中Mn 和Pb 均属于第一主成分。Pearson 相关性分析、主成分分析对3 个采样点水体中重金属的分析基本一致，表明3 个采样点中存在相关性的重金属具有相似空间分布特征，可为水体中各重金属分析提供重要依据。

表5 盘江独木河水体重金属的相关性系数Tab.5 Correlation coefficient of heavy metals in Dumu river of Panjiang River

表6 马坝水体重金属的主成分因子载荷Tab.6 Principal component factor loading of heavy metals in water at Maba

表7 独木河水体重金属的主成分因子载荷Tab.7 Principal component factor loading of heavy metals in water at Dumu river

综合以上结果，Mn 和Pb 这2 种重金属均具有显著相关性，均属于同一主成分且具有较高载荷，说明它们在研究区水体中可能具有相似来源。Mn和Pb浓度均值均高于长江水体中的重金属参照值（分别是0.025和0.055 mg/L）［23］。探其原因，可能受地质背景的影响，石灰岩母质发育的土壤的Mn 和Pb 含量通常较高，且喀斯特地貌区淋溶作用较强，面源污染严重［24］；也可能受农药、化肥等过量施用的人为因素影响。据统计，2016年黔南州农用化肥施用量为11.86 万t，2010-2016年农药用量达0.17～0.21万t［25］。研究区河段周边农田、林地分布面积较大，是该镇的农产品主产地，而农药和氮肥的施用会造成周边水体重金属污染［26］。由于Fe、Cr和Cd 在不同采样点属于不同主成分，且几乎不存在相关性，表明3 种重金属来源不同。其中，Cd 的来源主要受自然因素制约。前人研究表明［24，27］，由于石灰岩大面积分布，贵州地表介质中具有Cd的高含量背景分布特征。Fe和Cr 的浓度也高于长江表层水中的Fe、Cr 浓度，推断其受人为因素制约［23］。Cr的污染主要由工业引起，主要来自电镀、制革、油漆、印染等行业，在本研究中，Cr的污染来源与盘江上游周边工业有关［28］。而Fe 主要来源于上游钼铁、镍铁、钼精粉等有色金属生产的含铁废水。

表8 音寨水体重金属的主成分因子载荷Tab.8 Principal component factor loading of heavy metals in water at Yinzhai

2.3 盘江独木河重金属污染评价

基于内梅罗综合污染指数法评价盘江独木河水体重金属污染程度，结果如表9所示，5 种重金属元素的单因子污染指数（Pi）与多因子综合污染指数（Pn）的平均值从大到小均为Pb>Mn>Cd>Fe>Cr。结合表1的评价标准，可知Pb、Mn、Cd 的重金属污染等级为重度污染。其中，Pb 的Pi值和Pn值远高于标准值，分别达到68.422和76.156，表明盘江独木河水体Pb的污染较为严重。此外，Fe的Pi值属于无污染，而Pn值属于中度污染，这可能与水体Fe 浓度的变异程度较大有关。Cr 的Pi值和Pn值始终处于安全水平，均属于无污染，表明盘江独木河Cr 暂未达到污染水平。从空间分布上看，Cd、Pb、Mn、Fe 的Pi值和Pn值均表现为马坝>独木河>音寨，而Cr 的Pi值和Pn值则表现为马坝>音寨>独木河，表明Cd、Pb、Mn、Fe等重金属元素的污染程度从上游到下游递减，即随着其他较洁净的支流不断汇入，盘江独木河重金属浓度随着河流迁移逐步受到河水稀释自净作用，导致音寨水体污染程度降低［29］。

表9 盘江独木河重金属Pi值和PnTab.9 Pi and Pn of heavy metals in Dumu river of Panjiang River

3 结论

（1）盘江独木河水体重金属Pb、Mn、Fe 具有基本一致的时空分布特征，Cr、Cd浓度无明显的时空分布特征，各重金属浓度受pH和温度的影响不大，Fe的分布与水体温度密切相关。

（2）对盘江独木河水体中各重金属的来源进行分析，Mn 和Pb在研究区水体中的浓度主要受人为因素影响，Fe、Cr和Cd的来源则不同，推断Cr和Fe浓度受人为因素制约，而Cd浓度主要受研究区地质背景控制。

（3）利用内梅罗污染评价法对盘江独木河水体进行重金属污染评价与生态风险评价，Pb、Mn、Cd 的重金属污染等级为重度污染，Cr 暂未达到污染水平。此外，盘江独木河水体重金属污染状况具有从上游到下游递减的空间分布特征，与河水稀释自净作用有关。□