郜佳琪,羅家宏，方硯秋

(河海大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

長江三角洲經(jīng)濟(jì)圈是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，因此，長江口流域也是受人類活動影響最為強(qiáng)烈的地區(qū)。強(qiáng)大的陸源徑流每年除帶來巨大的入海水沙和營養(yǎng)物質(zhì)外，還帶來大量的油類、COD、氨氮、重金屬等有機(jī)和無機(jī)污染物。據(jù)國家海洋局發(fā)布的全國海洋環(huán)境質(zhì)量公報顯示，不包括入海排污口排放的重金屬污染物，每年由長江口攜帶入海的重金屬就達(dá)2～3萬t。入海重金屬中Cu、Pb是常見的重金屬污染物，當(dāng)人體內(nèi)殘存了大量的重金屬之后，急易對身體內(nèi)的臟器造成負(fù)擔(dān)，特別是肝和膽，當(dāng)這兩種器官出現(xiàn)問題后，維持人體內(nèi)的新陳代謝就會出現(xiàn)紊亂，會導(dǎo)致肝硬化，肝腹水甚至更為嚴(yán)重[1-9]。河口中的沉積物是重金屬的匯聚處，重金屬吸附在水中的沉積物中，而后由于懸浮的作用被釋放出來，危害水中生物和人類的健康[10-16]。早在20世紀(jì)80年代很多學(xué)者都對長江口的重金屬的存在形式和轉(zhuǎn)移機(jī)理進(jìn)行了研究[17-20]。王百順等學(xué)者調(diào)查了1984年到2000年長江口溶解態(tài)Hg,Pb,Cd 和 Cu 的分布變化，幫助我們在時間和空間兩個維度上分析了長江口重金屬的總體變化和分布特征[21]。

基于小組內(nèi)其他成員對長江口2004～2016近十年徐六涇、啟東港、東風(fēng)西沙水源地、石洞口、南港、北港六個水域水相中的Cu、Pb數(shù)據(jù)，借以運用R/S與Mann-Kendall分析法，定量地分析口水體近十年Cu、Pb的演變趨勢。本文在此基礎(chǔ)之上對長江口負(fù)荷驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行研究。利用Pearson相關(guān)性分析找出各重金屬負(fù)荷與各驅(qū)動要素之間的相關(guān)密切程度，建立多元回歸方程確認(rèn)長江口重金屬負(fù)荷與4個負(fù)荷驅(qū)動因子的量化線性關(guān)系。

1 研究區(qū)域及監(jiān)測點分布

長江口是長江在東海入?？诘囊欢嗡颍鞘澜缟献畲蟮娜牒？谥?。從江蘇江陰鵝鼻嘴起，到入?？诘碾u骨礁止，長約232kg。長江口平面呈喇叭形，窄口端江面寬度5.8kg，寬口江面寬度90kg。徐六涇以下河槽有分汊，徐六涇以下被崇明島分成南支和北支，南支后被橫沙島和長興島分為南北兩港，南港又由九沙分為南北兩槽，使長江形成四個入海通道[22]。由于長江口的特殊位置，排入其中的污染物會受到徑流和潮流兩股巨大的動力，以及水中泥沙顆粒等多方面因素所影響[23]。長江口水域作為上海的重要水源地，對上海市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。因此，長江口的水質(zhì)情況成為眾人的焦點。

本文將長江口分為七個水域(圖1)，本文的研究水域為A區(qū)徐六涇、C區(qū)啟東港、D區(qū)東風(fēng)西沙水源地、E區(qū)石洞口和F區(qū)北港、G區(qū)南港6個區(qū)域，以分析長江口近岸區(qū)域上覆水中的Cu演變情況。A區(qū)徐六涇、B區(qū)青龍港區(qū)、C區(qū)啟東港、D區(qū)東西風(fēng)沙水源地、E區(qū)石洞口區(qū)和F區(qū)北港區(qū)6個區(qū)域，以分析長江口近岸區(qū)域上覆水中的Pb演變情況。

本文采用的水質(zhì)數(shù)據(jù)為長江水文水資源委員會在長江口水域六個監(jiān)測站位對重金屬Cu常規(guī)監(jiān)測提供的監(jiān)測值，監(jiān)測站位分別為徐六涇斷面、石洞口斷面、南港斷面、北港斷面、吳淞口下23km斷面、啟東港斷面(圖1)。2004年3月到2016年12月的12年間一共進(jìn)行了516個航次監(jiān)測。樣品采集以及具體分析方法按照《海洋監(jiān)測規(guī)范(GB17378-1998)[24]。

圖1 長江口研究水域及監(jiān)測點位分布圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)業(yè)面源：選取農(nóng)田土壤中的重金屬含量(Cu、Pb、)作為代表因子進(jìn)行量化分析。收集整理長江口沿線地區(qū)(徐六涇、浮橋、石洞門、南支北支、啟東區(qū)域)具有代表性的農(nóng)田區(qū)域土壤重金屬含量數(shù)據(jù)。生活污水：由于生活污水的多源性及難以確定性，擬選取區(qū)域人口分布作為代表因子進(jìn)行量化分析。收集整理長江口沿線地區(qū)的人口數(shù)量。工業(yè)廢氣排放因子：選取工業(yè)廢氣排放后廢棄中的重金屬離子通過干濕沉降進(jìn)入水體對水體造成污染。收集整理長江口沿線地區(qū)的工業(yè)廢氣排放數(shù)量。工業(yè)廢水排放因子：選取工業(yè)廢水的重金屬排放量(Cu、Pb)作為代表因子進(jìn)行量化分析。收集整理長江口沿線排污口總工業(yè)重金屬排放量數(shù)據(jù) 。

2.2 分析方法

將重金屬濃度因子與4種驅(qū)動要素(工業(yè)廢水排放、農(nóng)業(yè)面源、生活污水、工業(yè)廢氣因子)各自進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行相關(guān)性分析，從而衡量重金屬負(fù)荷與各驅(qū)動要素之間的相關(guān)密切程度。如上的因子變量都為連續(xù)型變量，對重金屬濃度變化與4個驅(qū)動要素進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，分析重金屬因子與4個驅(qū)動要素之間的相關(guān)性。

評判標(biāo)準(zhǔn)為：r值(Pearsoncorrelation)為皮爾遜相關(guān)系數(shù)。

(1)當(dāng)r>0表示兩變量正相關(guān)，r<0表示兩變量負(fù)相關(guān)。

(2)當(dāng)|r|≥0.8時，可以認(rèn)為兩變量間高度相關(guān)；

(3)當(dāng)0.5≤|r|≤0.8時，可以認(rèn)為兩變量中度相關(guān)；

(4)當(dāng)0.3≤|r|≤0.5時，可以認(rèn)為兩變量低度相關(guān)；

(5)當(dāng)0≤|r|≤0.3時，說明相關(guān)程度弱，基本上不相關(guān)。

由以上操作可得出各個i組皮爾遜相關(guān)系數(shù)r1i，r2i，r3i，r4i。(i代表不同的研究水域，r1i代表該研究水域下工業(yè)廢水排放因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，r2i代表該研究水域下工業(yè)廢氣排放因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，r3i代表該研究水域下生活污水因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，r4i代表該研究水域下農(nóng)業(yè)面源因子與重金屬濃度因子的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，通過分析四組皮爾遜相關(guān)系數(shù)，將4種重金屬負(fù)荷驅(qū)動因子對重金屬濃度的相關(guān)程度按大小排序(各研究水域均進(jìn)行排序)。

2.3 多元回歸分析

以重金屬濃度為因變量，以工業(yè)排放因子、農(nóng)業(yè)面源因子、生活污水因子、干濕沉降因子、生物消耗因子為自變量，建立重金屬濃度與五項因子的多元回歸方程。在這里同樣利用R語言軟件進(jìn)行五元回歸方程的確認(rèn)。方程為：yi=b0i+b1ix1i+b2ix2i+b3ix3i+b4ix4i。(i表示不同的研究水域，b0i為該研究水域下方程的常數(shù)項，b1i,b2i,b3i,b4i為該研究水域下方程的回歸系數(shù)，x1i,x2i,x3i,x4i，分別為為該研究水域下工業(yè)廢水排放因子、農(nóng)業(yè)面源因子、生活污水因子、工業(yè)廢氣因子，yi即為該研究水域下重金屬濃度因子)。通過建立此五元回歸方程，確認(rèn)了長江口重金屬負(fù)荷與4個負(fù)荷驅(qū)動因子的量化線性關(guān)系。

3 結(jié)果分析

由圖2中R語言相關(guān)檢驗結(jié)果可以看出：A區(qū)徐六涇水域Cu濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.45兩變量低度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.16兩變量低度相關(guān)，與生活污水因子之間r13=-0.16兩變量低度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r14=0.62兩變量低度相關(guān)。|r14|> |r11|>|r12|=|r13|，A區(qū)與重金屬負(fù)荷相關(guān)性最密切的因子是農(nóng)業(yè)面源因子。

圖2 長江口水域Pb濃度與驅(qū)動因子相關(guān)性分析結(jié)果圖

C區(qū)啟東港水域Cu濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.31兩變量低度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.69兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.79兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.39兩變量低度相關(guān)。|r13|>| r12|>| r14|>| r11|，C區(qū)與重金屬負(fù)荷相關(guān)性最密切的因子是農(nóng)業(yè)面源因子。

D區(qū)東風(fēng)西沙水源地Cu濃度變化與與工業(yè)廢水排放因子之間r11=-0.39兩變量低度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.33兩變量低度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.79兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=0.31兩變量低度相關(guān)。|r13|>|r11|>|r12|>|r14|，D區(qū)與重金屬負(fù)荷相關(guān)性最密切的因子是農(nóng)業(yè)面源因子。

E區(qū)石洞口水域Cu濃度變化與與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.45兩變量低度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.53兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.76兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.67兩變量中度相關(guān)。|r13|> |r14|> |r12|> |r11|，E區(qū)與重金屬負(fù)荷相關(guān)性最密切的是農(nóng)業(yè)面源因子。

F區(qū)北港水域Cu濃度變化與與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.73兩變量中度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.63兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.60兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.83兩變量高度相關(guān)。|r14|> |r11|> |r12|> |r13|，F(xiàn)區(qū)與重金屬負(fù)荷相關(guān)性最密切的是生活污水因子。

G區(qū)南港水域Cu濃度變化與與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.82兩變量高度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.73兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.44兩變量低度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.92兩變量高度相關(guān)。|r14|> |r11|> |r12|> |r13|，G區(qū)與重金屬負(fù)荷相關(guān)性最密切的是生活污水因子。

由圖3中R語言相關(guān)檢驗結(jié)果可以看出：A區(qū)徐六涇水域Pb濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.26兩變量低度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.58兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.77兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.82兩變量高度相關(guān)。|r14|>|r13|>|r12|>|r11|，A區(qū)與Pb負(fù)荷相關(guān)性最密切的是生活污水因子B區(qū)青龍港水域Pb濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=-0.51兩變量中度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.44兩變量低度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.31兩變量低度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=0.96兩變量高度相關(guān)。|r14|>|r11|>|r12|>|r13|，B 區(qū)與Pb負(fù)荷相關(guān)性最密切的是生活污水因子。

C區(qū)啟東港水域Pb濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=-0.07兩變量基本不相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.53兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.49兩變量低度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=0.20兩變量基本不相關(guān)。|r12|>|r13|>|r14|>|r11|，C 區(qū)與Pb負(fù)荷相關(guān)性最密切的是工業(yè)廢氣排放因子。

D區(qū)東風(fēng)西沙水域Pb濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=-0.19兩變量基本不相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.52兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.56兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.51兩變量中度相關(guān)。|r13|>|r12|>|r14|>|r11|，D區(qū)與Pb負(fù)荷相關(guān)性最密切的是農(nóng)業(yè)面源因子。

E區(qū)石洞口水域Pb濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.45兩變量低度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.53兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=0.76兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.67兩變量中度相關(guān)。|r13|>|r14|>|r12|>|r11|，E區(qū)與Pb負(fù)荷相關(guān)性最密切的是農(nóng)業(yè)面源因子。

F區(qū)北港水域Pb濃度變化與工業(yè)廢水排放因子之間r11=0.55兩變量中度相關(guān)，與工業(yè)廢氣排放因子之間r12=-0.55兩變量中度相關(guān)，與農(nóng)業(yè)面源因子之間r13=-0.02兩變量中度相關(guān)，與生活污水因子之間r14=-0.69兩變量中度相關(guān)。|r14|>|r12|=|r11|>|r13|，F(xiàn)區(qū)與Pb負(fù)荷相關(guān)性最密切的是生活污水因子。

圖3 長江口水域Cu濃度與驅(qū)動因子相關(guān)性分析結(jié)果圖

由相關(guān)性分析可以看出，重金屬負(fù)荷與各驅(qū)動因子之間相關(guān)性密切程度均不是很高，推測重金屬負(fù)荷是各驅(qū)動因子共同作用的結(jié)果。為進(jìn)一步確認(rèn)長江口重金屬負(fù)荷與4個負(fù)荷驅(qū)動因子的量化線性關(guān)系。找出與長江口重金屬負(fù)荷關(guān)系最密切的因子，利用R語言軟件進(jìn)行多元回歸方程的確認(rèn)。得到各多元回歸方程及其散點矩陣圖(圖4、圖5)。

Pb多元回歸方程：

A區(qū)徐六涇水域：y=-0.06145+0.338134x1-0.05794x2-0.79059x3+0.118796x4

B區(qū)青龍港水域：y=9.59×10-9+0.090952x1-0.03416x2+0.943336x3+0.204763x4

C區(qū)啟東水域：y=1.93×10-8-0.505879x1-0.49047x2+0.697419x3+0.684995x4

D區(qū)東風(fēng)西沙水域：y=0.150775+0.292593x1+0.319948x2-0.97111x3+0.215248x4

E區(qū)石洞口水域：y=-1.20×10-8+0.4309235x1-0.113853x2-0.862486x3+0.49001x4

F區(qū)北港水域：y=1.46×10-8+1.19757x1-0.28677x2-2.05891x3-0.36158x4

圖4 Pb多元回歸矩陣散點圖

A區(qū)徐六涇水域：y=1.28×10-10+0.166415x1+0.094243x2+0.228675x3+0.793053x4

C區(qū)啟東水域：y=8.52×10-9+0.62908x1+-0.92545x2+0.016877x3+0.004182x4

D區(qū)東風(fēng)西沙水域：y=1.7×10-8-0.20997x1-0.07252x2+0.0313x3+0.732928x4

E區(qū)石洞口水域：y=-1.2×10-8+0.430923x1-0.11385x2-0.86249x3+0.49001x4

F區(qū)北港水域：y=-1.8×10-9-0.04837x1+0.167091x2-0.59395x3+0.539831x4

G區(qū)南港水域：y=1.48×10-9+0.214813x1+0.153157x2-0.96014x3+0.306127x4

圖5 Cu多元回歸矩陣散點圖

4 結(jié)論

通過A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)、F區(qū)六個研究水域的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及利用皮爾遜相關(guān)性分析確認(rèn)各因子與各水域Pb、Cu濃度變化趨勢的相關(guān)性，通過建立多元回歸方程確認(rèn)長江口重金屬濃度變化與各因子間量化線性關(guān)系，可以得出以下結(jié)論：

(1)總體而言，近十年來長江口水域附近：工業(yè)廢水排放量逐年增加，但工業(yè)廢水排放因子與重金屬濃度變化相關(guān)性逐年降低至負(fù)相關(guān)，說明工業(yè)廢水重金屬排放治理效果顯著。(2)工業(yè)廢氣排放量逐年上升，工業(yè)廢氣排放因子與重金屬濃度變化相關(guān)性逐漸下降并趨于穩(wěn)定呈負(fù)相關(guān)，說明工業(yè)廢氣重金屬排放治理效果顯著。(3)農(nóng)業(yè)播種面積逐年減少，但農(nóng)業(yè)面源因子與重金屬濃度變化總體呈正相關(guān)且相關(guān)性較高，說明農(nóng)業(yè)污染治理有待提高，具體可表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)化肥使用量逐年上升，可導(dǎo)致農(nóng)業(yè)播種地區(qū)地下水重金屬含量上升，水流入江后導(dǎo)致長江口水域重金屬含量增加。(4)長江口水域附近城鎮(zhèn)常駐人口總數(shù)逐年上升，生活污水因子與重金屬濃度變化呈正相關(guān)且相關(guān)性較高，說明向長江排放的生活污水中重金屬濃度含量較高。(5)通過對長江口重金屬濃度與各因子間量化線性分析，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)污染與生活污水污染仍然嚴(yán)重，應(yīng)注意對長江口地區(qū)生活污水排放和農(nóng)業(yè)化肥使用進(jìn)行合理管控。