乌梁素海水体重金属元素统计分布特征研究

岳荣 张红 史锐等

摘要[目的]研究乌梁素海水体中重金属污染现状。[方法]于2010年1月～2014年12月在乌梁素海湖区采集表层水样，对湖水中重金属及相关水质因子含量进行分析，然后利用非参数检验、相关性分析及主成分分析，对水体中重金属及相关水质因子进行相关分析及来源解析。[结果]参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水体标准，乌梁素海水体中高锰酸盐指数、Hg及Pb均出现超标现象；不同的样点水体中重金属含量无显著差异，不同时间段内As、Hg、Pb、Zn和Cr含量存在显著差异；河套灌区农田面源污染、上游工业污水及乌梁素海周边生活污水为影响乌梁素海水体中重金属含量的3个主要因素。

关键词湖泊水体；重金属；分布特征；乌梁素海

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2015）31-376-04

Research on Statistical Distribution Characteristics of Heavy Metals in Wuliangsuhai Lake

YUE Rong1， ZHANG Hong2， SHI Rui1* et al

（1. Institute of Environmental Science of Bayannur， Linhe， Inner Mongolia 015000； 2. College of Environmental Science and Resources， Shanxi University， Taiyuan， Shanxi 030006）

Abstract[Objective] The study aims to analyze water pollution of Wuliangsuhai Lake by heavy metals. [Method] After Surface water samples were collected from in Wuliangsuhai Lake from January 2010 to December 2014， the content of heavy metals in the lake water were analyzed， and the correlation of heavy metals was analyzed based on the principal component analysis. [Result] According to the Surface Water Environmental Quality Standards （GB38382002）， the potassium permanganate index， Hg and Pb content exceeded the nation standard. There were no significant differences in the content of heavy metals in different lake areas， while As， Hg， Pb， Zn and Cr content had significant differences in different periods. Nonpoint source pollution of Hetao irrigation farmland， industrial sewage and domestic pollution source are three main factors affecting the content of heavy metals in Wuliangsuhai Lake.

Key wordsLake water； Heavy metals； Distribution characteristics； Wuliangsuhai Lake

湖泊水體是人类赖以生存的重要自然资源，也是维系区域生态系统功能的重要组成部分，更是地球物质生物化学循环的储库[1-2]。自工业文明兴起的百年来，由于人类工农业生产活动，如采矿、冶炼、化工、民用固体废弃物不合理填埋和堆放以及大量化肥、农药的施用，导致进入水体环境中的污染物种类和数量越来越多，给环境和生态系统健康造成了许多问题[3]。多年来，许多学者非常关注水体富营养化问题，因为其宏观破坏性能引起人们的注意，而水体重金属污染问题人们重视程度相对不够。研究表明，水体中重金属可以导致人群健康风险[4-5]，如甲基汞是水俣病致病因，镉是骨痛病致病因。重金属污染物进入水体后不易被微生物降解，难以治理，具有累积性效应，并且绝大部分通过各种物理、化学、生物途径迅速由水相转入固相（悬浮物和沉积物），最终进入沉积物中蓄积，又在有机质的分解和生物活动等条件下被释放出来，造二次污染[6-7]。此外，重金属污染物进入天然水体后，河流底泥沉积物将会对污染物中的重金属离子进行吸附富集[8-10]。研究证实水体中有些重金属转化的过程是可逆的，在各种水环境关键因子的作用下，颗粒态的重金属又会向水体中解吸、释放，从而污染水体[11]。乌梁素海是内蒙古自治区的主要渔业基地，其湖水终将退水黄河，重金属的理化性质及生物毒性会影响湖区渔业与黄河水体安全，增加区域生态风险[12]。因此，水体中重金属含量常被用作判别水环境质量的重要参考指标[13]。目前，关于乌梁素海重金属的研究主要集中在湖泊沉积物方面，对于表层水体中重金属研究较为薄弱，且存在研究的水质因子较少，主要针对某一重金属因子开展环境行为研究，尤其缺少探讨多种重金属与其他相关水质因子的关系等问题。此外，根据《水污染防治行动计划》要求，内蒙古自治区和巴彦淖尔市两级政府决定启动乌梁素海生态治理工程。因此，摸清乌梁素海水质因子时间变化趋势，探讨重金属污染物来源，对于实施乌梁素海生态治理工程意义十分重大。

笔者以乌梁素海为研究对象，研究了2010年1月～2014年12月湖区表层水体中As、Hg、Pb、Cu、Zn、Cr含量及高锰酸盐指数、pH分布特征，分析了其与其他相关水质因子的关系及可能的来源，目的在于通过对乌梁素海重金属浓度的监测及时间分布特征分析比较，掌握湖区水体中重金属污染现状，为乌梁素海水质变化趋势研究积累资料，并为“十三五”期间乌梁素海生态治理和水质管理提供可参考依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况

乌梁素海位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗境内、呼和浩特、包头、鄂尔多斯三角地带的边缘（图1），距乌前旗政府所在地西山嘴镇13 km，距110国道22 km，是黄河改道形成的河迹湖，我国八大淡水湖之一，是全球荒漠半荒漠地区极为少见的大型草原湖泊，也是地球同一纬度最大的湿地，现有水域面积293 km2，其中芦苇区面积为11897 km2，明水区面积为111.13 km2。乌梁素海是内蒙古自治区的主要渔业基地，每年产鱼量约700多万t[14]，其湖水终将退水黄河，因此也是内蒙古河套灌区排灌水系统的重要组成部分，河套灌区多年来的农田退水、上游工业污水不断携带污染物入湖，加速了乌梁素海的水质恶化[15]。

2.2水体中重金属因子时间分布特征

2.2.1年际变化。

由图3可知，2010～2014年乌梁素海水体中各重金属的含量基本上都有各自的规律。Zn、Pb和Cd元素在采样时间段内含量差别不大，Hg、Cu 3个样点均在2011年出现峰值，其中As元素在2010年出现峰值，2011年湖心区样点中Hg的含量达0.26 μg/L，较低的入口区样点中Hg含量也达0.13 μg/L，全部超过Ⅲ类地表水体标准。当地环保部门乌梁素海入口历史水质监测断面数据显示，2011年黄河来水中Cu含量出现峰值8.3 μg/L，其余年份为1.5～46 μg/L，由此判断，2011年Cu含量异常升高在很大程度上受到来水影响；其次，2010～2014年上游来水中Hg含量为0.04～0.10 μg/L，As含量为2.50～4.18 μg/L，年均含量差别不大，烏梁素海内部水体-沉积物循环状况的变化、小尺度区域内污染物排放量及库容水量都有可能是导致2011年度Hg含量异常升高的原因。总体来看，各重金属元素在出现峰值后含量下降趋势不明显，甚至有含量升高现象。

2.2.2非参数检验。非参数检验是对不满足方差分析条件样本的一种可调整的方法，因为非参数检验不要求样本的分布是正态的和方差齐性的，它是通过对数据从小到大的排序，并由数据的秩代替原始数据进行统计分析。该研究中分析测试的数据分布不属于正态分布，因此采用多个独立样本的非参数检验对样本进行分析，检验方法为KruskalWallis H 法。由表2可知，当分组变量为样点时，检验结果中未得到的显著性概率 P<0.05的水质因子，在一定程度上说明不同的采样位置水质因子含量无显著差异；当分组变量为采样时间时，显著性概率 P< 0.05的水质因子有As、Hg、Pb、Zn和Cr，说明不同时间段内这些水质因子的含量差异显著。

2.2.3不同水期重金属分布。

从不同水期乌梁素海水体中重金属分布来看（图4），Hg和Pb呈现相同的分布规律，即平水期>枯水期>丰水期，As呈现丰水期>枯水期>平水期，Cu与Zn呈现平水期>丰水期>枯水期，Cr呈现平水期>丰水期>枯水期，这些规律除与湖区水量、区域污染源有关外，还与重金属本身的理化性质与外部环境有关。pH是影响水体水质因子至关重要的因子[19]，乌梁素海整体呈现碱性环境，在这种环境中，Cr、Zn的活性较大，而As和Cu则转入稳定态在底泥中富集；其次，乌梁素海N、P元素富集较为严重，水体中COD浓度相对较高[20]，当湖体中N、P富集会引起水体中微生物和浮游植物的大量繁殖，造成水体富营养化，进而造成水体中溶解性有机质增多，而溶解性有机质可以作为重金属迁移转化的的一个媒介，控制着重金属的迁移和溶解性[21]，使得重金属由水体向底泥的迁移转化效果增加，表现为水体中重金属含量降低，同时，COD会通过影响重金属离子的价态，从而影响重金属的行为，使得重金属在水相与沉积相之间得到重新分配。当水体中 COD浓度增加时，沉积物及周围环境的氧化还原电位升高，水体的金属离子和有机物之间的离子交换、吸附、螯合及氧化还原等一系列反应也相应改变[22]；再次，乌梁素海地处北方干旱区，一年内温差较大，藻类的生长、有机物的合成均受到明显影响，这些因素均可能导致重金属元素浓度时间分布特征的改变。

2.3乌梁素海水体中重金属可能的来源

对乌梁素海水体中重金属元素进行主成分分析，用较少的综合指标综合存在于各变量中的信息。由表3可知，前4个主成分对大多数变量的信息给出了较充分的概括，可以解释总方差变异的67532%。从各因子与原始变量的关系来看，第1个因子（Factor 1）基本反映了高锰酸盐指数、As，其负荷分别为0731、0819，其他变量的信息在第1个因子上所占的负荷很少；第2个因子（Factor 2）基本反映了Pb和Cr的信息，因子负荷分别为0.676、0.778，其他变量的信息在第2个因子上也表现出较小的负荷；第3个因子（Factor 3）基本反映pH特征，其负荷分别为0.727；第4个因子（Factor 4）无明显得分较高水质因子（表4）。这说明上述因子之间是密切相关的，pH对上述因子的影响较大。剩余重金属因子所反映的信息在前4个因子中没有提取出来。采用前两个主成分为坐标轴作图（图5），可以更好地反映各个变量在前两个主成分轴上的分布情况，图中各点在X轴和Y轴上的投影分别代表各个变量在Factor 1和Factor 2的贡献率。由图5可知，Cu、pH相对位于原点附近，表明其在这两个轴上的投影都较小，这些变量所解释的方差也较小。同时，各水质因子对X轴和Y轴的贡献率均不同，如Cr和Pb对Y轴的贡献率较高，As、高锰酸盐指数在X轴方向有较高的贡献率。这可以推断出，相同样点中不同水质因子受到的影响差异也比较明显，距离原点较远的因子受到的影响较大，距离远点较近的因子受到的影响较小。从目前关于水体中重金属输入的研究结论来看，非点源的重金属输入主要由人为活动如农田耕作、畜牧养殖等引起，且输入贡献较大。乌梁素海湿地处于河套灌区排灌系统末端，属于典型灌区湖泊，接受来自于流域内的农业面源污染，研究表明制造化肥使用的工业硫酸、磷矿石及各类有机质中含有Cd、Pb、Hg等重金属元素，化肥流失所携带的重金属流入湖泊，致使水体中重金属含量增加。此外，流域内矿产资源丰富，工业废水排入也会造成乌梁素海水环境重金属的富集与污染。F1矩阵中包含的高锰酸盐指数与As表明工业废水对于乌梁素海水体有明显影响；F2矩阵中包含部分重金属与F1矩阵中确定的主成分有关，表明该重金属有部分源自F1矩阵所确定的污染源。在实地调查中发现，出口区周围5 km范围内有分散分布的居民区与养殖户，说明生活污水与养殖废水有可能是除灌区农田退水及工业源之外的重要污染源。

3结论

（1）参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水体标准，乌梁素海水体中各样点在采样时间段内Hg及Pb均出现超标现象。

（2）非参数检验结果表明，不同的湖体分区重金属含量无显著差异，不同时间段内As、Hg、Pb、Zn和Cr的含量存在显著差异。

（3）主成分分析显示，河套灌区农田面源污染、上游工业污水及周边生活污水为影响乌梁素海水体中重金属含量的3个主要因素。

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