田兵兵,劉豐羽,來(lái)志慶,王俊啟,宮姝逸,李 敏,童延斌

(石河子大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染物控制兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003)

引 言

幾十年以來(lái),隨著社會(huì)變遷和經(jīng)濟(jì)管理體制的迅速轉(zhuǎn)型,重金屬污染難題已然被視作引起水安全的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1-2]。一旦人們飲用水中重金屬超標(biāo),將會(huì)影響鐵血紅素合成和神經(jīng)系統(tǒng)。人類(lèi)受到水體重金屬的長(zhǎng)期影響,輕則引起中毒,重則會(huì)因有毒重金屬累積過(guò)量導(dǎo)致死亡。重金屬的來(lái)源主要是由地球天體作用以及地質(zhì)作用引起的自然源和以化肥農(nóng)藥、汽車(chē)尾氣,工業(yè)“三廢”排放為主的人為源。

新疆地處中國(guó)西北內(nèi)陸,常年氣候干旱,降水量少,水資源極其短缺。瑪納斯河流域(以下簡(jiǎn)稱(chēng)瑪河流域)位于準(zhǔn)噶爾盆地南部地區(qū),已成為新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)和中國(guó)第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。前人通過(guò)對(duì)新疆地表水中重金屬的廣泛研究,探索了博斯騰湖[3]、蘑菇湖水庫(kù)[4]、大泉溝水庫(kù)[5]、坎兒井[6]、塔里木河[7]、烏倫古湖[8]等河流湖泊的污染現(xiàn)狀,它們都含有不同濃度和特性的重金屬。但國(guó)內(nèi)對(duì)瑪河流域環(huán)境重金屬污染特征和來(lái)源的研究還很少,對(duì)新疆水環(huán)境質(zhì)量缺乏整體性認(rèn)識(shí)。有關(guān)地表水水體重金屬污染來(lái)源認(rèn)識(shí)不足,因此有必要加大對(duì)新疆區(qū)域水體中重金屬污染與來(lái)源的研究。

本研究從整個(gè)瑪河流域角度出發(fā),分析水環(huán)境中常見(jiàn)8種重金屬Cu、Cr、Cd、Zn、Ni、As、Pb、Hg,旨在對(duì)瑪河流域重金屬的污染狀況進(jìn)行分析,為瑪河流域水體重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),同時(shí)為新疆瑪河流域水環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)管理、污染現(xiàn)狀、來(lái)源提供有效的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瑪河流域在新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地南部,發(fā)端區(qū)的冰川滋長(zhǎng)著囊括瑪納斯河在內(nèi)的河流數(shù)百條,冰川面積608 km2。解放后興建水庫(kù),使得渠灌事業(yè)發(fā)展迅速,與瑪納斯河相聯(lián)結(jié)的水庫(kù)7座依次為大泉溝水庫(kù)、蘑菇湖水庫(kù)、夾河子水庫(kù)、躍進(jìn)水庫(kù)(大海子水庫(kù))、白土坑水庫(kù)、新戶(hù)坪水庫(kù)、鴨洼溝水庫(kù),依次編號(hào)為R1-R7號(hào)。地理位置分布見(jiàn)圖1。此前研究者指出瑪河流域地表水中的Cu、Zn、Cd、Pb濃度均未達(dá)到限值,且不同樣點(diǎn)的重金屬含量變化較小[9],少數(shù)點(diǎn)位(大泉溝、蘑菇湖、夾河子)濃度略高,但都小于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該河流沿途建有燃煤電廠、紡織廠、大量農(nóng)田、采礦場(chǎng)等。七個(gè)水庫(kù)周邊分布大小畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)和肉類(lèi)加工廠、水果蔬菜種植基地?cái)?shù)余座,給水域水質(zhì)狀況產(chǎn)生威脅。

圖1 瑪納斯河及水庫(kù)地表水采樣點(diǎn)及地理分布圖

本文的研究區(qū)域?yàn)樨S水期的瑪納斯河和水庫(kù)。該流域采樣點(diǎn)及地理位置見(jiàn)圖1。根據(jù)已有的研究,瑪河流域中動(dòng)力學(xué)聯(lián)系見(jiàn)圖2。

圖2 瑪河流域節(jié)點(diǎn)概化圖

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本文研究目標(biāo)是通過(guò)瑪河流域水體中重金屬含量系統(tǒng)了解該流域重金屬污染狀況和污染物來(lái)源,并對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)該研究目標(biāo)結(jié)合瑪納斯河流域的地理特征和水文狀況,設(shè)置了7個(gè)水庫(kù)采樣點(diǎn)和9個(gè)河流的采樣點(diǎn)(如圖1),于2020年5月28日至30日在設(shè)置的采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣,每個(gè)采樣點(diǎn)用清潔的直立式采樣器采集水樣(離水面下0.5 m處),每次取2個(gè)平行水樣,儲(chǔ)存于已用待采水樣潤(rùn)洗過(guò)的聚乙烯瓶中,記錄采樣信息密封保存。GPS定位采集的水樣在24 h內(nèi)置于低溫(10 ℃)環(huán)境中保存。

2.2 樣品前處理及測(cè)定

將采集的共16個(gè)水樣用中速濾紙(型號(hào)102,孔徑15～20 μm)過(guò)濾兩次后,將雜質(zhì)去除使濾液澄清,用1%HNO3溶液調(diào)整其pH后靜置待測(cè)。

采用Agilent 8800ICP-MS進(jìn)行重金屬Cu、Cr、Cd、Zn、Ni、As、Pb含量的定量分析。Hg采用AFS-933進(jìn)行分析(測(cè)試精度為μg·L-1)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本文采用SPSS statistics 26、SIMCA-P、Origin 2021對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,應(yīng)用Photoshop CS6、Global Mapper、Arcgis10.2、BIGEMAP地圖下載器繪制采樣點(diǎn)分布圖。

2.4 評(píng)價(jià)方法

本研究采用國(guó)內(nèi)外常用的單因子污染指數(shù)法[10],內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[11]對(duì)瑪納斯河流域水體重金屬污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.4.1 單因子污染指數(shù)法

Pi=Ci/Si

(1)

式中,Pi為重金屬元素的單因子污染指數(shù)(single factor pollution index);Ci為指定重金屬含量實(shí)測(cè)值,μg·L-1;Si為指定重金屬地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值或者集中式生活飲用水地表水源地項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值,μg·L-1。

2.4.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

Pn=(ave(Pi)2+max(Pi)2)1/2

(2)

式中,Pn為水體重金屬綜合污染指數(shù)(composite pollution index);ave(Pi)為所有重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值;max(Pi)為所有重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值。

采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ類(lèi)水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值作為瑪河流域水體中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目中未涵蓋的金屬(Ni)參考集中式生活飲用水地表水源地項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值。單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)(表1)。

表1 污染指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.3 水體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

采用美國(guó)保護(hù)局(U. S. Environmental Protection Agency, USEPA)推薦的致癌污染物和非致癌物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[12-14],對(duì)瑪河流域重金屬進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,2.2為成人日均飲水量,L;1.0為兒童日均飲水量,L;ci為化學(xué)致癌物或非化學(xué)致癌物的質(zhì)量濃度,μg·L-1;64.3為成人平均體重,kg;22.9為7歲兒童平均體重,kg。

由于在常規(guī)水環(huán)境中的污染物濃度較低,因此假設(shè)各種污染物所引起的風(fēng)險(xiǎn)成相加作用,即水體中總體健康風(fēng)險(xiǎn)R總為:

R總=Ra+Rb

(7)

(8)

(9)

根據(jù)國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)和世界衛(wèi)生組織(WHO)編制的分類(lèi)系統(tǒng),本次所測(cè)的重金屬污染物中,化學(xué)致癌物有Cd、As、Cr,非化學(xué)致癌物質(zhì)有Pb、Hg、Zn、Cu,其致癌強(qiáng)度系數(shù)和非致癌物質(zhì)參考劑量如表2[15-16]。

表2 致癌物質(zhì)的致癌強(qiáng)度系數(shù)和非致癌物質(zhì)參考劑量

3 結(jié)果與討論

3.1 水體重金屬成分與散布特征

瑪納斯河重金屬含量的空間分布如圖3和圖4,由表3,圖3和圖4可知,水環(huán)境中8種重金屬均值差異較大,根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)限值,重金屬含量水平大小:Zn>As>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>Hg,瑪納斯河與水庫(kù)相應(yīng)重金屬均值均未超過(guò)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明瑪納斯河受到Zn,As,Cr,Cu,Ni,Pb,Cd污染較小。

表3 瑪河流域水體中重金屬成分統(tǒng)計(jì)特征

表4 瑪河流域水體中重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)

圖3 水環(huán)境中重金屬隨水流方向的變化

圖4 各水庫(kù)中重金屬含量示意圖

Zn在9個(gè)采樣點(diǎn)中的含量范圍在4.64～39.35 μg·L-1,其中最高值在S2點(diǎn),所有采樣點(diǎn)水體中Zn均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)或更優(yōu)。此外,值得關(guān)注的是,水環(huán)境中Zn含量分布不同于其他重金屬元素,向下游方向Zn含量表現(xiàn)為升高勢(shì)頭,而其余重金屬整體上表現(xiàn)為顯著同樣也有抬升趨勢(shì),這可能是因?yàn)椴煌佣蔚闹亟饘傥廴臼艿礁浇廴驹吹挠绊?。位于瑪納斯河上游的采樣點(diǎn)位于農(nóng)工業(yè)發(fā)展重點(diǎn)集群附近。正是由于農(nóng)業(yè)、工業(yè)的快速發(fā)展,導(dǎo)致工業(yè)廢水和農(nóng)排水的大量排放,這其中摻雜著各種農(nóng)藥和化肥,其中的重金屬會(huì)隨著污水進(jìn)入到水生生態(tài)系統(tǒng),造成水資源的污染。As在9個(gè)采樣點(diǎn)中的含量范圍在1.47～3.79 μg·L-1,局部來(lái)看,中下游As污染較為嚴(yán)重。Cr在9個(gè)采樣點(diǎn)中的含量范圍在0.65～2.43 μg·L-1,其中S5和S6點(diǎn)附近散布商住區(qū),并毗鄰工業(yè)園區(qū),正是處于本研究區(qū)域內(nèi)較為主要的工業(yè)區(qū)內(nèi),因此,Cr含量最高值在S6點(diǎn)。S6點(diǎn)后重金屬Cr含量均出現(xiàn)低谷值。Cu在9個(gè)采樣點(diǎn)中的含量范圍在0.29～2.09 μg·L-1,其中最大值在S2點(diǎn),雖在R2點(diǎn)顯著上升,但隨后的采樣點(diǎn)Cu含量呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。該采樣點(diǎn)附近坐落著生產(chǎn)金屬硅,其他半金屬,半金屬礦產(chǎn)的化工園區(qū)以及周邊地區(qū)農(nóng)田,值得一提的是,當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源較為豐富,這說(shuō)明當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí),河流經(jīng)歷了礦石中重金屬的浸出溶解過(guò)程,該遷移轉(zhuǎn)化行為特征貢獻(xiàn)出較高的重金屬濃度。Ni在9個(gè)采樣點(diǎn)中的含量范圍在0.24～0.53 μg·L-1,Ni在所有采樣點(diǎn)均符合Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)或更優(yōu)。Pb在部分采樣點(diǎn)未檢出,在S2點(diǎn)出現(xiàn)最大值。

變異系數(shù)是對(duì)各采樣點(diǎn)間重金屬含量離散情況的一種反映。水庫(kù)水體中As、Ni、Pb的變異系數(shù)分別為0.79%、0.60%、0.97%,相比其他元素,變異系數(shù)較高,離散程度較大,采樣點(diǎn)受到的污染不均勻。其中重金屬Pb在大泉溝水庫(kù)和蘑菇湖水庫(kù)的最高值分別為0.062和0.39 μg·L-1,這與景一峰[9]對(duì)這兩個(gè)水庫(kù)水體Pb含量(0.6和0.4 μg·L-1)研究相比,表明石河子地區(qū)地表水還未受到重金屬Pb的污染。Cu、Zn、Cr、Cd的變異系數(shù)相近,分別為0.46%、0.25%、0.33%、0.29%,離散程度小,空間分布較為均勻。Zn含量與景一峰[9]的研究結(jié)果相持平,表明大泉溝水庫(kù)和蘑菇胡水庫(kù)仍受到Zn污染的隱患。通過(guò)對(duì)所有采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)Hg含量非常低(低于0.1 μg·L-1),很難被檢測(cè)出,表明瑪河流域還未受到重金屬Hg的污染。

3.2 瑪河流域地表水重金屬污染評(píng)價(jià)

3.2.1 單因子污染指數(shù)法

對(duì)采集到的瑪河流域的8種重金屬Cr、Cd、Zn、As、Cu、Ni、Pb和Hg計(jì)算單因子污染指數(shù)(見(jiàn)圖5),可以發(fā)現(xiàn)所有元素單因子污染指數(shù)遠(yuǎn)低于1,處于清潔水平。從空間分布來(lái)看,瑪納斯河和水庫(kù)中除Zn外,水庫(kù)中其他重金屬污染程度較輕,說(shuō)明研究區(qū)域內(nèi)重金屬污染物隨河流的運(yùn)輸和遷移能力較弱,且流域內(nèi)水體對(duì)上述重金屬的凈化緩沖作用較強(qiáng)。

注:圖中箱式圖的箱體范圍為25%～75%,—為最大值和最小值,Δ為中位數(shù),□為平均值。

3.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)顯示研究區(qū)S5樣點(diǎn)污染指數(shù)偏高,但整個(gè)研究區(qū)其他樣點(diǎn)均偏低且處于清潔水平。蘑菇胡水庫(kù)中多種重金屬含量較高,這與景一峰[9]和池艷峰等[4]對(duì)蘑菇湖水庫(kù)水體重金屬污染結(jié)果相似,顯示蘑菇湖水庫(kù),大泉溝水庫(kù)目前污染程度較輕,但根據(jù)重金屬含量分析而言,如果不積極采取措施管控,各種重金屬含量上升仍會(huì)對(duì)水庫(kù)水質(zhì)造成影響。

3.2.3 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

運(yùn)用USEPA推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和參數(shù)評(píng)價(jià)瑪河流域水體重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5,從數(shù)據(jù)判斷,兒童總健康風(fēng)險(xiǎn)是成人的一倍,因此,加強(qiáng)瑪河流域重金屬污染管控尤為重要。

由圖6可知瑪納斯河和水庫(kù)中非致癌重金屬導(dǎo)致的成人和兒童年均個(gè)人綜合風(fēng)險(xiǎn)(Ra)分別為6.03×10-8～2.88×10-7,7.70×10-8～3.68×10-7和8.64×10-8～3.93×10-7,1.10×10-7～5.02×10-7,均遠(yuǎn)小于ICRP推薦的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平(人均致癌風(fēng)險(xiǎn)限值為1×10-6·a-1),認(rèn)為是可以接受的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。瑪納斯河和水庫(kù)中非致癌重金屬所致的人均年致癌風(fēng)險(xiǎn)大小順序?yàn)镃u>Pb>Zn>Ni>Hg,致癌重金屬中,瑪納斯河和水庫(kù)的人均年致癌風(fēng)險(xiǎn)大小順序分別為Cr>As>Cd和As>Cr>Cd,按順序可知,Cr和As的人均年致癌風(fēng)險(xiǎn)均超過(guò)了ICRP所推薦的最大可接受水平5.01×10-5·a-1,占總風(fēng)險(xiǎn)的主導(dǎo)地位,Cd的風(fēng)險(xiǎn)值遠(yuǎn)小于Cr和As重金屬,其人均年致癌風(fēng)險(xiǎn)不高于ICRP所推薦的風(fēng)險(xiǎn)值,但大于英國(guó)皇家協(xié)會(huì)所推薦的1×10-5·a-1。這與其他研究者[12-14]對(duì)不同河流重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果相同。綜上所述,可以認(rèn)為瑪河流域的重金屬風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自于致癌重金屬Cr、As、Cd。

圖6 瑪河流域致癌(a)與非致癌(b)年均個(gè)人總風(fēng)險(xiǎn)以及重金屬通過(guò)水體進(jìn)而對(duì)人體總健康風(fēng)險(xiǎn)R總(c)

3.3 重金屬來(lái)源分析

3.3.1 相關(guān)性分析

為探討瑪河流域水體中重金屬元素的來(lái)源,分析了重金屬之間Pearson相關(guān)性。由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,瑪河流域水環(huán)境中重金屬Ni-Cd、Cu-Zn、As-Cd、As-Ni兩兩呈一定的強(qiáng)度相關(guān)性(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別是0.872、0.839,0.878、0.943,說(shuō)明As、Ni、Cd、Zn、Cu有著相同的污染來(lái)源。Cr-Cd,Cr-Ni,Cd-Cu,As-Ni、As-Pb,Pb-Ni元素之間呈顯著相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)分別是0.718、0.776、0.707、0.674,0.831、0.822,說(shuō)明采樣點(diǎn)處的重金屬在遷移過(guò)程中具有一定的一致性,水樣采集區(qū)周邊有大量的農(nóng)田[17],農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中施用磷肥、氮肥等有機(jī)肥,肥料中混雜有微量Ni、Cd、Zn、Cu、As,因此易造成水體重金屬的富集效應(yīng)[18-19]。Pb、Cr則可能與支流帶入、大氣沉降、汽車(chē)尾氣排放等有關(guān)[20]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),大泉溝和蘑菇湖附近有養(yǎng)殖場(chǎng),肉類(lèi)加工廠,這為Pb污染提供了主要來(lái)源,且雞糞及其他養(yǎng)殖動(dòng)物糞便中含有多種重金屬,且處理糞便不當(dāng),更會(huì)污染土壤,進(jìn)而影響周邊水域水質(zhì)[21-23]。此外,相關(guān)性分析可知,As、Pb和Ni可能為同一污染源。但還需進(jìn)一步分析論證。Cr與Zn、As、Cu、Pb這些元素的相關(guān)性并不是很好,說(shuō)明它們的來(lái)源極可能不同。同時(shí),7種重金屬不存在顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明這7種重金屬不存在明顯的競(jìng)爭(zhēng)作用。

3.3.2 因子分析

對(duì)瑪納斯河水體中的7種污染型重金屬進(jìn)行因子分析,分析結(jié)果見(jiàn)表5,7種重金屬污染因子被提取出四個(gè)公因子,總計(jì)累積貢獻(xiàn)率為98.225%,因子分析結(jié)果表明,研究區(qū)水體中7種重金屬83.701%的變異信息可由前2個(gè)公因子特征值大于1反映(表5)。

表5 瑪納斯河水體重金屬因子分析特征值及其累積貢獻(xiàn)率

由結(jié)果知:S5>S7>S6>S2>S8>S9>S4>S1>S3,進(jìn)而可以知道排在前面的污染源分布較多。由圖1采樣點(diǎn)分布圖可知,S5,S2處于瑪納斯河上游,且分布大小城鎮(zhèn)數(shù)余座。生活污水,工業(yè)污水,交通路線等污染源分布集中。根據(jù)實(shí)際調(diào)查,對(duì)河道可能產(chǎn)生污染的煤礦有新疆天棚煤化工、恒昌蘭煤場(chǎng)及天興巨源煤場(chǎng)等處。S7,S6位于旱卡子灘哈薩克民族鄉(xiāng)附近,因該地有常年運(yùn)行的污水處理廠,由此排放的混合污水可能會(huì)污染河道。此外,周遭遍布常年使用有機(jī)肥的大量農(nóng)田,可能會(huì)對(duì)瑪納斯河附近地下水產(chǎn)生污染。S8和S9位于清水河鄉(xiāng)境內(nèi),李欽智[24]指出近年來(lái),由于污水排放入河前未進(jìn)行相關(guān)處理,支流沿線河岸煤礦分布不合理等原因,對(duì)周邊自然環(huán)境造成不利影響。

3.3.3 主成分分析

主成分分析結(jié)果見(jiàn)表6,7種重金屬污染因子被提取出二個(gè)組分,總計(jì)累積貢獻(xiàn)率為83.701%,顯示出分析結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)能做出較好的解釋。

表6 瑪納斯河總解釋的方差變量

第一主成分的貢獻(xiàn)率為59.863%,變量Cd、Ni、Cu、Cr、Pb、Zn在第一主成分呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別是0.937、0.898、0.760、0.612、0.833、0.708、0.676,屬于中度至高度相關(guān)。相關(guān)性分析也表明除了Pb與其他重金屬的有弱相關(guān)性外,其余重金屬之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明主成分1是控制水環(huán)境Cd、Ni、Cu、Cr、Pb的主要因素。相關(guān)研究顯示,Cu是城市金屬冶煉和燃煤燃油排放、化肥較多的金屬元素,由圖3、4可知,S2,R1和R6點(diǎn)位中Cu含量均很高,這三個(gè)位點(diǎn)周邊分布數(shù)座工廠以及農(nóng)田,可判斷三個(gè)點(diǎn)位的Cu受工業(yè)、灌溉廢水的影響較大。Cd則可能與瑪納斯河周邊城市發(fā)展迅速,農(nóng)業(yè)發(fā)展較快導(dǎo)致過(guò)度使用化肥有關(guān),由于土壤中的Cd主要以可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在,因此很容易受環(huán)境因素改變而進(jìn)入灌溉水中,由圖3、4可知,S7和S5以及水庫(kù)中各采樣點(diǎn)濃度較高,這些點(diǎn)位附近主要遍布大量農(nóng)田,由此可知,這些點(diǎn)位中Cd易受化肥使用區(qū)的影響。Cr元素則與瑪河流域內(nèi)的紡織工廠、養(yǎng)殖場(chǎng)等有關(guān)。錢(qián)曉雍等[25],宋磊等[26],張俊華等[27]對(duì)肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)土壤,豬糞進(jìn)行了重金屬含量的測(cè)定,結(jié)果顯示:不同壤質(zhì)中含有不同質(zhì)量的As、Pb、Cd、Cr、Cu,各采樣點(diǎn)Cr濃度均低于標(biāo)準(zhǔn)背景值,河流S5、S6和S7點(diǎn)位和水庫(kù)中R6濃度較高,這些點(diǎn)位周邊分布多個(gè)工廠和交通樞紐、畜牧養(yǎng)殖區(qū),可判斷S6、S5和S7點(diǎn)位中Cr濃度升高受交通源以及工業(yè)、畜牧養(yǎng)殖廢水排放影響較大。Pb也有可能來(lái)自于瑪河流域內(nèi)縣道和鄉(xiāng)道以及連霍高速。道路上的汽車(chē)尾氣中含Pb,隨著降塵積累至水環(huán)境中,S8和R2點(diǎn)位周邊污染源較少,但這些點(diǎn)位周邊交通路線交錯(cuò)分布,由此判斷這些點(diǎn)位中Pb濃度升高受交通源影響。在前人研究工作中,可以發(fā)現(xiàn)大氣沉降進(jìn)入空氣中的Zn濃度與其他重金屬相比,表現(xiàn)出更高的污染貢獻(xiàn)率,平均排放濃度高達(dá)5.651 μg·m-3。此外,萬(wàn)勤等[28],楊子鵬等[29]的研究指出在電廠固體樣品中飛灰的Zn含量相對(duì)較高,倪琳等[30]通過(guò)飛灰及爐渣中的分布與富集規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)飛灰顆粒容易吸附重金屬,沒(méi)有被除塵器捕獲的超細(xì)顆粒物很容易釋放到大氣中,然而這類(lèi)污染物的潛在危害性很大,S2和水庫(kù)中各采樣點(diǎn)中Zn受其他外源污染影響較大,這些點(diǎn)位周邊同樣分布污水處理廠等工業(yè)污染源,由此判斷Zn主要受空氣沉降的貢獻(xiàn),如飛灰,揚(yáng)塵等工業(yè)交通污染影響。前文指出,水環(huán)境中的Cd、Ni、Cu、Cr的污染來(lái)源可能一致,因此從以上分析可以確定,瑪河流域內(nèi)Cd、Ni、Cu、Cr、Pb、Zn以大氣-水體、污水直排或間排為主,主要包括石河子地區(qū)煤礦開(kāi)采區(qū)、燃煤電廠,交通排放污染以及番茄醬廠、纖維素廠、污水處理廠、旅游餐飲及煤礦洞滲水等。此外還包括農(nóng)業(yè)灌溉,化肥以及農(nóng)藥使用。第一主成分可以解釋為農(nóng)業(yè)面源以及交通排放,工業(yè)污染的人為污染源。

第二主成分的貢獻(xiàn)率為23.838%,成分因子As相關(guān)系數(shù)分別是0.811。相關(guān)研究認(rèn)為[31-32],水體中的As主要受地球化學(xué)成因影響,主要是對(duì)土壤母質(zhì)的溶濾作用,As的變異系數(shù)為26%,為最小,說(shuō)明人為影響相對(duì)較小[33]。同時(shí)研究區(qū)As含量均值為4.80 μg·L-1(表3),比地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)低,所以推斷瑪納斯河水環(huán)境中As并未受人類(lèi)活動(dòng)的影響。在污染物的遷移過(guò)程中,土壤以及地表水系統(tǒng)的氧化-還原條件、pH和水化學(xué)成分對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化有著重大的影響[34]。通過(guò)以上分析可以解釋,研究區(qū)水體中As主要受河流周邊土壤成土母質(zhì)的影響,因此,第二主成分可視為土壤母質(zhì)的自然污染源。

3.3.4 聚類(lèi)分析

利用SPSS23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)聚類(lèi)分析,聚類(lèi)結(jié)果(圖7)顯示,數(shù)字2、7、6、5、4被劃為一類(lèi),1和3劃為另一類(lèi),瑪納斯河上游毗鄰大量廢置農(nóng)田以及多條交通源,此外,采樣時(shí)間正值瑪河流域內(nèi)農(nóng)耕旺期并伴隨大量使用化肥、農(nóng)藥。具體可知重金屬Cd、As、Cu、Ni、Pb被聚為一類(lèi),主要為養(yǎng)殖、工農(nóng)業(yè)污染的人為源;Cr和Zn分一類(lèi),主要污染為成土母質(zhì)及大氣沉降的自然源(見(jiàn)圖7)。

圖7 聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖

4 結(jié)論

(1)瑪河流域8種重金屬平均濃度的大小順序?yàn)?Zn>As>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>Hg,均未超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)》中的Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)限值。

(2)單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和水體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)方法的結(jié)果顯示,整個(gè)瑪河流域重金屬污染水平低。

(3)瑪河流域中非致癌重金屬導(dǎo)致的成人和兒童年均個(gè)人綜合風(fēng)險(xiǎn)(Ra)均遠(yuǎn)小于ICRP推薦的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)水平(人均致癌風(fēng)險(xiǎn)限值為1×10-6·a-1),非致癌重金屬呈現(xiàn)出Cu>Pb>Zn>Ni>Hg的特征,致癌重金屬中Cr>As>Cd和As>Cr>Cd,按順序可知,Cr和As的人均年致癌風(fēng)險(xiǎn)均超過(guò)了ICRP所推薦的最大可接受水平5.01×10-5·a-1,占總風(fēng)險(xiǎn)的主導(dǎo)地位,是瑪河流域水體污染的主要污染物。

(4)多元分析結(jié)果表明,瑪河流域水體中Cd、Ni、Cu、Cr、Pb、Zn污染來(lái)源于流域內(nèi)盛行的養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)、工業(yè)產(chǎn)業(yè)的人為污染源;As的污染來(lái)源于成土母質(zhì)的自然污染源。

(5)瑪納斯河是七個(gè)水庫(kù)的主要水源灌區(qū),且與各水庫(kù)水體重金屬含量密切性較強(qiáng)。分析得出重金屬Zn隨河流運(yùn)輸遷移能力較強(qiáng)。Cr、As、Cd在整個(gè)流域內(nèi)為致病高風(fēng)險(xiǎn)重金屬,如不加以管控相關(guān)重金屬源頭,會(huì)對(duì)流域內(nèi)人體健康造成威脅。