基于重金属污染指数的城市段河流水体重金属污染特征分析

毛玉凤

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

水体污染物中重金属物质很难得到有效降解，在水体中的自净能力较低，容易进入河流水库中的食物链，从而对人体生命健康产生不同程度的危害[1- 3]。水资源可持续利用不仅受用水量的影响，也同时受水体中重金属污染的影响，其对水体中的生物栖息环境也会产生较大程度的危害[4- 5]。目前，国内对于水体中重金属污染主要集中在水体沉积物或底泥中进行分析[6- 10]，而对于水体中的重金属污染特征研究还相对较少。鱼类和水生动物在水体中受重金属污染影响也较大，一条河流水环境的好坏评定标准很大程度取决于其水体中的重金属指标[11]。多个研究成果表明[12- 15]，当水体中溶解态形式存在的重金属指标含量较大时，其对水体环境影响程度较大。太子河属于辽宁地区较大的河流之一，其主要流经辽中东地区的辽阳、本溪、鞍山等主要城市，本溪地区主要为城市河段，一些研究成果表明[16- 18]太子河本溪城市段由于同时有居民生活污水和工业废水排放，其河流底泥重金属污染指标较高，但对于本溪城市段水体重金属污染研究还较少。为加大对太子河本溪城市段水体水环境保护，本文采用重金属污染指数，结合河流水质采样数据对其水体主要7种重金属指标进行分析，研究成果对于本溪城市段河流水环境保护具有重要参考价值。

1 样品采集及测定方法

1.1 样品采集

本次试验共选取11个水质采样断面，主要分布在居民生活点、工企业污水排放点，所有样品采集时的水深均在20cm范围内，每个采集点主要收集3份混合水样，其中一份水样采用pH值小于2.0的硝酸溶液进行保存，1份由直径小于0.45um的滤膜进行过滤后再采用pH值小于2.0的硝酸溶液进行样品保存，剩下的那一份不进行任何处理后进行保存。对水样采集点的位置、采样时间、水温以及采样瓶的类型和颜色进行标记和记录。

1.2 测定方法

对于未采用任何方式进行处理的样品溶液采用过滤膜进行处理后作为溶解态样本进行标记，处理前和处理后的含量差值表示为重金属颗粒的溶解态含量。首先在微波消解管中将25ml的水样进行混合均匀，在混合均匀的溶液中加入1.0ml的纯净水，然后在混合水样中加入浓硝酸5.0ml，当水样中出现大量气泡时，平稳放入到通风厨内进行静置，经过一段时间待水样中不再出现气泡后采用微波消解仪对水样进行消解处理。待微波消解仪消解程序完成后取出消解管冷却，当温度下降到室温环境后进行放气处理，再将消解管的瓶盖打开。将消解液从微波消解仪的罐内移出到容量为50ml的试剂瓶中，采用蒸馏水滴定到100ml标准溶液后进行测定。采用原子荧光光谱法测定重金属Se；火焰原子吸收法测定水体中的Cu、Pb、Mn、Zn、Cr、Cd等重金属指标。所有水样进行重金属指标测定后再进行全部样品总数的复测。通过试验检测，本次试验采样点重金属含量误差控制在5%以内。所有测定水样均采用5%的硝酸盐进行24h浸泡后进行存放和处理，再采用离子水进行清洗。离子色谱法主要用来检测水样中的阴离子。

1.3 数据处理方法

主成分分析方法主要分析太子河本溪城市段水体中重金属的主要污染来源，主成分主要通过部分代表因子来表示整体指标，各主成分之间相互独立但又存在信息反映，是多个因子之间的线性组合。重金属污染指数是对多个污染指标进行加权平均后，对其污染等级进行综合评价，其首先计算各类重金属指标的权重值，计算方程为：

Wi=k/Si

(1)

式中，Si—水体中污染物浓度的最大值，mg/l；k—受水环境影响的比例系数，本文取值为0.85。

其次需要对其重金属污染等级指数进行计算，计算方程为：

Qi=100(Ci/Si)

(2)

式中，Ci—重金属在水体中的浓度指标值，mg/l；n—评价指标的数目。

对重金属污染指数进行加权计算，计算方程为：

(3)

重金属污染指数的上限值为100，当重金属污染指标低于100时，表示水体中的重金属污染属于可接受程度。

2 太子河本溪城市段重金属污染特征分析

2.1 重金属含量特征分析

结合布设的11个水质采样断面测定7类主要重金属含量，对太子河本溪城市段进行分析，并统计分析了其主要重金属指标的变异指数，具体结果见表1。

通过对各水质采样断面进行测定，7类重金属指标浓度总体低于5.25mg/l，其中居民生活区排污口测定的重金属Zn指标浓度较高，峰值浓度达到0.56mg/l；在钢铁企业污水排放口测定的重金属指标Pb含量较高，其峰值浓度达到0.039mg/l，重金属指标Cd峰值浓度达到0.0083mg/l，重金属指标Cu的峰值浓度达到0.031mg/l，重金属指标Se的峰值浓度也可达到0.0035mg/l，该排污口重金属指标Mn的峰值浓度最高，达到5.25mg/l；峪溪桥断面重金属指标Cr浓度最高，峰值浓度达到1.45mg/l。从7类重金属指标的变异指数可看出，Cd的变异指数最高，Se的变异指数最低。

表1 太子河本溪城市段重金属指标变异指数分析结果

2.2 重金属污染程度对比

结合GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类和Ⅳ类各重金属指标浓度标准对本溪城市段11个水质采样断面7类重金属水质指标进行对比分析，见表2。

表2 本溪城市段河流水体重金属指标浓度范围及水质标准对比结果

从本溪城市段河流水体重金属指标浓度范围及水质标准对比结果可看出，在7类重金属指标中,除Mn和Cr两类重金属指标浓度较大值和平均值均超过Ⅳ水质标准外，其他重金属平均浓度和浓度范围均未超过Ⅳ水质标准；Cd重金属指标平均浓度未超过Ⅳ水质标准但其浓度最高值超过Ⅳ水质标准，钢铁企业排污口采样断面Cd重金属指标浓度最高。

2.3 重金属主成分分析

结合各类重金属指标作为主成分分析的污染源，将7类重金属指标划分成两个主成分，各主成分因子荷载计算结果见表3。

表3 本溪城市段河流水体重金属指标主成分因子荷载计算结果

从本溪城市段河流水体重金属指标主成分因子荷载计算结果可看出，选取的7类重金属指标其方差累积贡献率达到79.82%，Mn、Cr及Cd三类重金属指标在第一主成分的因子荷载值均高于0.8，这三类重金属指标主要受居民及企业点源污染排放影响，可以归纳为人类活动影响；Zn重金属指标在第二主成分中因子荷载值最大，高于0.8，通过分析得知该类重金属指标主要来源于区域水土流失，可归纳为自然影响。

2.4 重金属污染指数分析

采用重金属污染指数方法对11个水质采样断面的重金属污染指数HPI进行计算，见表4。

表4 本溪城市河段各水样采集断面重金属污染指数计算结果

从本溪城市河段各水样采集断面重金属污染指数计算结果可看出，各水质采样断面重金属污染指数总体在72.5～125.3之间，其中S5采样断面重金属污染指数最低，为72.5，该水质采样断面位于老官砬子上游，其为太子河上游段，污染源较少；S4断面重金属污染指数最高，达到125.3，高于100，该断面主要为钢铁企业排污口，因此其重金属污染指数较高，表明该断面重金属含量不能达到水环境条件可接受的水平。通过分析，重金属污染指数高于100的断面主要分布在葠窝水库入口上游5km范围内。

3 本溪城市段河流水体重金属形态特征分析

3.1 溶解态含量分析

采用试验测定各水质采样断面的7类重金属指标，分析本溪城市段河流各类重金属指标在水体中溶解态含量，试验结果见表5。

表5 本溪城市河段各水样采集断面重金属指标水体溶解态含量测定结果 单位：mg/l

重金属对水体污染主要取决于其存在的形态，而溶解态是重金属在水体中存在的一个重要形态，从本溪城市河段各水样采集断面重金属指标水体溶解态含量测定结果可看出，各水质监测断面的7类重金属指标在水体中的溶解态含量均较低，其中Cr、Cu、Mn在水中溶解态含量较高，其他4类重金属指标在水体中的溶解态含量较为接近。

3.2 形态特征分析

在进行各类重金属指标在水体溶解态含量分析的基础上，对本溪城市段河流水体重金属存在的形态进行分析，结果见表6。

表6 本溪本溪城市河段各水样采集断面水体重金属存在形态的百分比 单位：%

4 结论

(1)本溪城市段河流水体中重金属沉淀(MnCO3)的百分比最高，建议加大对河段中MnCO3离子的示踪检测力度，加强对重点钢铁企业排污口、本溪彩屯桥断面水环境治理措施，如减排或加入试剂降低重金属Mn离子含量。

(2)PbCO3是Pb在水体中主要的沉淀形态，其中百分比较高的为PbCO3，这主要是因为碳酸根离子和Pb离子在水体中具有较高的平衡程度，而Pb2+在碱性水体中较易产生分解，建议通过减少排量来降低水体中重金属Pb2+离子的含量。

(3)重金属指标主要以胶体和沉淀形态存在，使得其溶解态很难被检测出来，在后续试验测定重金属溶解态含量时，还需要通过试验方式将重金属从胶体和沉淀形态分离，从而提高重金属在水体溶解态含量分析的准确度。