东辽河水体中重金属污染特征及评价

Pollution Characteristics and Assessment of Heavy Metals in Water from the Dongliao River

摘要: 以东辽河水体为研究对象，对东辽河水体中Fe、Mn、Cu、Ni、Pb和Cd 6种重金属含量进行测定与分析，阐明其空间分布特征和污染程度。采用重金属污染指数法(HPI)进行评价。结果表明，除Pb外，其它重金属含量均符合地表水III类水质标准；东辽河流域水体HPI值为26.1930，处于可接受水平。

Abstract: The concentrations of heavy metals including Fe, Mn, Cu, Ni, Pb, Cd in the Dongliao River were de-termined to illustrate the distribution characteristics of heavy metals. Heavy metal pollution index (HPI) method was used to evaluate pollution levels of heavy metals. The results showed that the contents of heavy metals except Pb were in line with the surface water quality standard III. The HPI of the Dongliao River was 26.1930 at an acceptable level.

1. 引言

随着经济快速发展，重金属污染已成为全球环境问题之一 [1]。环境中重金属主要来自污水处理厂所排放的污水和污泥，农业生产中农药和化肥的使用，工业生产所产生的“三废”等 [2] [3]。重金属具有非生物降解性、生物可利用性、生物富集性和环境毒性 [4]。重金属会引发不同的人类疾病，如发育迟缓畸形，肾脏损坏，癌症，流产，智力低下等 [5] [6] [7]。

近年来，众多学者对水体中重金属污染特征方面开展了一系列研究。张润洁等 [8] 研究了辽河干流13种重金属含量与分布特征，并探讨重金属含量的变化规律。权轻舟 [9] 运用健康风险评价模型对沋河湿地重金属污染物对人体产生的危害进行了风险评价。周晓红等 [10] 通过单因子以及内罗梅综合指数，对金山湖水体重金属风险进行综合评价。尽管环境水体中重金属的研究较多，但针对辽河源头水体重金属的污染状况却鲜有报道。

东辽河位于吉林省的南部，为辽河的源头水。东辽河流域是吉林省重要的粮食生产基地，主要种植玉米、大豆、水稻等。近年来，随着东辽河流域周边农业、养殖业和工业的迅速发展，农业废水、工业废水和生活污水的排放量日益增加，流域水环境质量面临着巨大的挑战。

本研究以东辽河为研究对象，采集东辽河水系辽河源镇–王奔段代表性断面的表层水，分析水体重金属Fe、Mn、Cu、Ni、Pb、Cd的含量及空间分布规律，并采用重金属污染指数法评价水体重金属的污染程度，以期为东辽河水污染防治提供基础数据。

2. 材料与方法

2.1. 样品采集和测试

在东辽河辽河源镇–双辽市王奔镇陈船口段设置21个采样点(见图1)，在靠近河道中心部位采集表层水样。水样以不锈钢桶采集，采样量约为2 L，采集后的水样装入聚丙烯采样桶中。水样采集后，运回实验室低温避光密封保存，以火焰原子吸收光谱法测定重金属Fe、Mn、Cu、Ni、Pb、Cd的含量。

2.2. 数据处理方法

数据采用SPSS20.0软件统计分析，绘图和相关的插图采用ArcGIS 10.0和Origin7.5制作。

2.3. 重金属污染指数法

重金属污染指数法是以加权算术平均值为基础，对各种重金属产生的影响进行综合评价的方法 [11]。具体内容如下：

Figure 1. Distribution of sample sites in the Dongliao River

图1. 东辽河水样采样点分布

1) 计算第i个重金属指标的权重。

$W_i=k/S_i$ (1)

2) 计算第i个重金属指标的质量等级指数。

$Q_i=100\times V/S_i$ (2)

3) 加权计算重金属污染指数。

$\text{HPI}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}\left(W_i{Q}_i\right)/{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{W}_i}}$ (3)

式中：S_i——水域功能允许的最高浓度值(μg/L) (《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》的III类标准限值)；k——由条件决定的比例常数，为计算简便通常取1；C_i——水体重金属的监测浓度值(μg/L)；n——评价指标的个数。HPI为重金属污染指数。根据研究文献 [11] [12] ，通常污染临界指数HPI为100，当HPI > 100时，该水体的重金属污染程度已超过其最高可接受水平。

3. 结果与讨论

3.1. 重金属含量分析

东辽河水中重金属含量统计分析结果见图2。Fe、Mn、Cu、Ni、Pb、Cd的平均含量分别为260 μg/L、50 μg/L、9.5 μg/L、10 μg/L、136 μg/L、0.11 μg/L。Fe、Mn、Cu、Ni、Pb、Cd在东辽河水中背景值分别为80 μg/L、19 μg/L、1.3 μg/L、1.3 μg/L、0.84 μg/L、0.05 μg/L [13]。上述重金属含量均值均高于背景值，其中Cd含量超过背景值1.2倍，Mn含量超过背景值1.6倍，Fe含量超过背景值2.3倍，Cu、Ni含量超过6倍左右，Pb含量超背景值160倍。

Figure 2. Box statistical analysis of heavy metal contents in the Dongliao River

图2. 东辽河水体重金属含量统计分析箱式图

3.2. 水中重金属的空间分布及来源分析

东辽河水中重金属的空间分布见图3。Mn、Cu、Pb、Ni、Fe这五种重金属均在中下游出现高值区，上游含量偏低。其中，Cu、Mn、Ni、Pb含量在各个采样点间的变化幅度较大，Fe含量的变化幅度较小，整体含量偏高。Cd仅在其中一个采样点检出，且含量较高。

Figure 3. Spatial distribution of six heavy metals in the Dongliao River

图3. 东辽河水中6种重金属空间分布

Mn、Fe主要来自岩石和土壤等，并且在一定程度上受到农业施肥的叠加和人类活动影响如大气粉尘、农业施肥、废水灌溉等 [14] ，中下游地区农业活动更为频繁，使中下游Mn、Fe的含量高于上游。Pb主要来自工矿企业排放的废物和废水 [15]。公主岭市和双辽市所在河段Pb含量较高，与其周围存在的工矿企业有关。Ni主要来自食品加工、电镀、化石燃料燃烧和农业废水等 [16]。公主岭市所在河段受Ni污染较为严重，该地区水稻的种植面积较大，而且存在化工、粮食深加工企业，导致Ni含量偏高。Cu主要来自农药、化肥使用等农业活动 [17]。东辽河中下游地区主要为农业用地，农田径流中含有Cu，导致水体中Cu含量偏高。Cd主要来自工业废水和农业废水 [17] ，四平市京哈高速所在河段Cd含量偏高可能与周围工厂排放的废水有关。

3.3. 重金属污染评价

东辽河水体重金属污染指数(HPI)计算结果见表1。由结果可知，东辽河河水的HPI值为26.1930，按重金属污染评价方法，HPI < 100时，重金属污染程度处于可接受水平。所以，东辽河水体重金属污染程度处于可接受水平，污染程度较轻。水体中大部分重金属浓度满足地表水质量标准III类水的要求。从重金属的污染贡献可以看出，东辽河主要污染元素是Pb。

Table 1. Assessment of heavy metal pollution

表1. 重金属污染评价结果

4. 结论和建议

根据本研究的结果，得出以下结论：

1) 东辽河流域水体检出的6种重金属平均含量由大到小依次为：Fe > Pb > Mn > Ni > Cu > Cd。除Pb外，其它重金属含量均在《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》的III类水质标准范围内。

2) 东辽河流域水体的HPI为26.1930，低于污染临界值100，这说明东辽河水体的重金属污染程度处于可接受水平。

3) 综合以上两种分析结果，东辽河水体中重金属主要污染元素为Ni、Pb。

建议在东辽河水体重金属污染治理过程中，着重加强Ni和Pb的污染治理，并不断开发出更全面有效的重金属污染治理技术，有效地防治东辽河水体重金属污染，不断地加强东辽河水环境保护。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。