徐劍喬

摘要：為了準(zhǔn)確掌握水環(huán)境中的重金屬污染情況，提高水質(zhì)生態(tài)防治效果，提出了基于改進(jìn)主成分分析法的水環(huán)境中重金屬污染流域水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)方法研究。選取研究污染流域水質(zhì)區(qū)域，收集4個(gè)區(qū)域地表水，測(cè)定金屬元素含量，通過四類分析與評(píng)價(jià)法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中重金屬污染狀況及潛在危害的生態(tài)評(píng)價(jià)，得出評(píng)價(jià)的B區(qū)域和C區(qū)域水質(zhì)綜合重金屬污染較高，鐵元素在四個(gè)區(qū)域均在第一主成分，是污染程度最高的，整體生態(tài)評(píng)價(jià)為及格。評(píng)價(jià)結(jié)果表明所提方法可以對(duì)水環(huán)境中重金屬污染狀況進(jìn)行精確的評(píng)價(jià)，輔助保護(hù)人民身體健康與生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)主成分分析法；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；水生態(tài)環(huán)境；重金屬污染；水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)資源的過度利用、不合理的人類開發(fā)活動(dòng)等導(dǎo)致一系列的水生態(tài)問題，未經(jīng)處置的生活廢水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污水和其他有毒有害物質(zhì)等不合理地排放到河流中，導(dǎo)致了水質(zhì)和其他水生態(tài)環(huán)境的惡化，間接性地造成人類健康受損等問題。針對(duì)工業(yè)污水等排入江河造成的水環(huán)境污染，具有影響范圍廣、污染嚴(yán)重、防治難度大等問題。

王鋮潔等以蘇北平原河網(wǎng)區(qū)為研究區(qū)，不同地區(qū)的流域生態(tài)評(píng)估準(zhǔn)則為依據(jù)，以及“水質(zhì)好壞度”和“群眾滿意度”為否定項(xiàng)，構(gòu)建一套包含水生物、水生態(tài)、水空間、水安全和公眾滿意度等多個(gè)方面的生態(tài)綜合評(píng)估指標(biāo)體系。林廣等針對(duì)影響因素多、耦合機(jī)理復(fù)雜的現(xiàn)狀，將河流水質(zhì)變化表征為各影響因素的一階、二階偏導(dǎo)項(xiàng)線性疊加，建立河流水質(zhì)變化的數(shù)學(xué)模型。

但上述文獻(xiàn)方法不能準(zhǔn)確掌握河流污染狀態(tài)，從而影響修復(fù)和治理工作效率。因此，基于改進(jìn)主成分分析法的水環(huán)境中重金屬污染流域水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)方法研究。通過選擇研究區(qū)域，設(shè)置采樣點(diǎn)并采集樣品水，獲得平均質(zhì)量濃度，確定生態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)為及格，并利用改進(jìn)主成分分析法等方法得出鐵元素是水環(huán)境中重金屬含量濃度高，對(duì)流域水質(zhì)生態(tài)影響最大。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

此研究區(qū)域的流域水系長(zhǎng)116千米，這條河的河寬為5. 98米，水深為0.36米，年均徑流量為4.91億立方米，包含11條支流，A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。

在流域河段，集水區(qū)面積為53平方公里，最大徑流和最小徑流分別為23.0立方米和0.039立方米；其最大流速為1. 26米／秒，最小流速為0.14米／秒，年均流量為0. 597米／秒，全年徑流量為1 963萬立方米。此流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了快速的發(fā)展，流人河段的污染物已經(jīng)超過了流域的水環(huán)境承載能力。

1.2 樣品的采集與重金屬含量測(cè)量

通過GPS定位采樣點(diǎn)分別對(duì)四個(gè)區(qū)域?qū)嵭胁杉瘶悠?，在相同的取樣點(diǎn)，以及離河面0.3 m深的河道剖面上收集多個(gè)點(diǎn)的水樣，將其等份均勻混合后放置30分鐘，然后把500毫升的水放進(jìn)一個(gè)塑料瓶子內(nèi)，但在放樣品水前需要利用去離子水將瓶?jī)?nèi)清理干凈，且洗三遍，用0.4微米微孔濾膜對(duì)水樣進(jìn)行過濾，再添加2 mL的硝酸，用一層密封的薄膜將瓶子的口部封閉起來，在4℃的環(huán)境中運(yùn)輸和保存樣本，最終將樣本送到實(shí)驗(yàn)室做金屬元素的測(cè)試。通過電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定水中鉻、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、鉛濃度，在對(duì)每個(gè)樣本分別進(jìn)行3次試驗(yàn)后，得到其平均質(zhì)量濃度。

1.3 基于改進(jìn)主成分分析法的水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)

水環(huán)境中的重金屬，以中國(guó)土壤環(huán)境背景值為研究對(duì)象，以《土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，對(duì)其河流中的重金屬含量進(jìn)行了分析與比較。地積累指數(shù)法根據(jù)Muller的分類標(biāo)準(zhǔn)，將污染物由沒有污染至極度污染分成6個(gè)級(jí)別，見表1為污染等級(jí)和水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)。

1.3.1 地積累指數(shù)

地積累指數(shù)Igeo是常用的重金屬污染評(píng)價(jià)法。在此基礎(chǔ)上，引入了地球化學(xué)背景值，可以更直觀地反映土壤中重金屬的污染情況。表達(dá)式為式（1）：

式（1）中，Cn描述的是測(cè)定的重金屬含量；Bn描述的重金屬背景值；K描述的取自不同地區(qū)的巖性差別可能導(dǎo)致背景值變化的系數(shù)。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

將毒性關(guān)聯(lián)系數(shù)引入到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，但要顧及水環(huán)境中重金屬范圍背景值的差別以及毒性的變化，以排除干擾因素，表達(dá)式為式（2） -式（5）：

式（2） -式（5）中，Cif描述的是金屬污染系數(shù)，Cin描述的是參考值，表示全國(guó)范圍土壤環(huán)境背景值。Tir描述的是金屬毒理反應(yīng)因子，Eir描述的是潛在生態(tài)危害系數(shù)，RI描述的是復(fù)合重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，Cd描述的是多因素污染參量。

1.3.3 水環(huán)境生態(tài)危害評(píng)價(jià)模型

重金屬對(duì)生態(tài)造成的危害可分為兩類，一類是有毒物，另一類是非有毒物。則表達(dá)式為式（6） -式（8）：

式（6） -式（8）中，Rci描述的是有毒物質(zhì)i經(jīng)過食人性引起的年平均中毒風(fēng)險(xiǎn)，Rni描述的是非有毒物質(zhì)i經(jīng)過食人性引起的年平均中毒風(fēng)險(xiǎn)，Di描述的是有毒物質(zhì)或非有毒物質(zhì)i的單位體重日均暴露劑量，qi描述的是由食入性有毒物i所引起的中毒力系數(shù)，RfDi描述的是由食入性非有毒物i所引起的中毒力系數(shù)，80描述的是人類平均預(yù)期壽命，2.0描述的是成人每天喝水量平均值，L，Ci描述的是飲用水中的重金屬含量，75描述的是成人平均重量，kg。

2 水環(huán)境中重金屬污染流域水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)

2.1 重金屬分布特征

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，D區(qū)域的水環(huán)境中鐵含量是最高的，這是由于該地區(qū)有多個(gè)礦區(qū)，礦石的風(fēng)化和降雨沖刷作用，使礦石中的金屬被運(yùn)移到流域內(nèi)，對(duì)水體造成嚴(yán)重的鐵污染。一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，可能會(huì)發(fā)生倒灌現(xiàn)象，使水中的污染物不斷積累，從而加重河流的污染狀況。汞在A區(qū)域的分布不均，且污染程度較重，可以把汞看作是人類活動(dòng)的一個(gè)重要因子。為此，能夠認(rèn)定此位置在人口流量大，人為活動(dòng)頻繁，城市生活污水、固體廢棄物等大量排放會(huì)引起汞污染。

2.2 重金屬污染水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)

采用改進(jìn)主成分分析法，通過軟件SPSS19.0中的測(cè)度及巴特利球體球形度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)規(guī)范化后的重金屬數(shù)據(jù)適用于改進(jìn)的主成分分析法。

A區(qū)域重金屬鐵、汞在第一因子上的載荷最高，而重金屬鉻、錳、銅、鉛則在第二因子上相對(duì)最高，重金屬鎳、鋅在第三因子上含量最高，故可推測(cè)A區(qū)域中重金屬主要有2種來源。

B區(qū)域則重金屬錳、鐵在第一因子上的載荷最高，重金屬鉻則在第二因子上相對(duì)最高，重金屬鎳、銅、鋅、汞、鉛在第三因子上含量最高，故可推測(cè)B區(qū)域中重金屬主要有2種來源。

C區(qū)域則重金屬鉻、鐵、鉛在第一因子上的載荷最高，重金屬錳、銅、汞則在第二因子上相對(duì)最高，重金屬鎳、鋅、汞在第三因子上含量最高，故可推測(cè)C區(qū)域中重金屬主要有3種來源。

D區(qū)域則重金屬鐵在第一因子上的載荷最高，重金屬鉻、錳、銅則在第二因子上相對(duì)最高，重金屬鎳、鋅、汞、鉛在第三因子上含量最高，故可推測(cè)D區(qū)域中重金屬主要有1種來源。

通過對(duì)4個(gè)區(qū)域中8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和整體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如表2所示，以采樣點(diǎn)的重金屬平均潛在風(fēng)險(xiǎn)因子為基礎(chǔ)，4個(gè)區(qū)域8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由高到低依次是：A區(qū)域：鐵>汞>銅>鉻>鉛>錳>鋅>鎳，B區(qū)域：錳>鐵>鉻>銅>汞>鎳>鉛>鋅，C區(qū)域：

3 結(jié)束語(yǔ)

重金屬，這類潛在的有害物質(zhì)，具有生物累積性和毒性。在水環(huán)境中，重金屬會(huì)受到物理、化學(xué)和生物等多種因素的影響，從水相向固相遷移。這種遷移可能導(dǎo)致重金屬通過食物鏈進(jìn)人生物體，進(jìn)而對(duì)人類的健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了準(zhǔn)確評(píng)估水環(huán)境中重金屬的污染程度及其對(duì)流域水質(zhì)生態(tài)的影響，研究采用改進(jìn)主成分分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過實(shí)地采樣、測(cè)定樣本水的平均質(zhì)量濃度，并明確生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，研究發(fā)現(xiàn)水環(huán)境中重金屬鐵的含量較高，對(duì)流域水質(zhì)生態(tài)的影響最為顯著。綜合評(píng)估結(jié)果顯示，整體水質(zhì)生態(tài)評(píng)價(jià)達(dá)到及格水平，但仍需繼續(xù)關(guān)注并采取措施減輕重金屬污染，以確保生態(tài)系統(tǒng)能夠在安全的環(huán)境中持續(xù)發(fā)展。