扎龙湿地龙湖重金属污染情况及其潜在生态风险评价.pdf

监 测 与 评 价 扎龙湿地龙湖重金属污染情况及其 潜在生态风险评价 * 李苗臧淑英吴彬孙清展苏丹那晓东 黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室，哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨 150025 摘要 为了探讨龙湖中重金属污染情况， 测定了龙湖中 9 个取样点的重金属元素含量， 并从中选取 Mn、 Cu、 Pb、 As 4 种 重金属元素进行水质评价。通过灰色关联评价分析， 所采集的 9 个样点中有 8 个样点都属于Ⅴ类水质、 1 个样点属于 Ⅳ水质。采用 Hakanson 潜在生态风险指数法对龙湖沉积物进行重金属潜在生态风险评价分析， 4 种重金属的潜在风 险顺序为 Cu ＞ As ＞ Pb ＞ Mn， 其中每个样点的 Cu 元素都达到了极强的潜在生态危害， As 元素的潜在生态危害程度都 达到了强度生态危害。 关键词 重金属;龙湖;灰色关联;潜在风险评价 POLLUTION AND THE POTENTIAL ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT OF HEAVY METALS IN LONG LAKE OF ZHALONG WETLAND Li MiaoZang ShuyingWu BinSun QingzhanSu DanNa Xiaodong Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment，College of Heilongjiang Province， School of Geographical Sciences，Harbin Normal University，Harbin 150025，China AbstractIn order to discuss the heavy metals pollution in the Long Lake，9 samples were collected from Long Lake in Zhalong Wetland． The content of Mn，Cu，Pb and As in the lake were measured by ICP-MAS． The heavy metals pollution was uated by the grey relation analysis． The results indicated that the correlation degree of 8 samples reached the five class standard，as well as the correlation degree of 1 sample reached the four class standard．Meanwhile，Hakanson potential ecological risk index was adopted to analyze and uate the heavy metal pollution． The order of potential ecological risk of the 4 kinds of heavy metals was Cu ＞ As ＞ Pb ＞ Mn． Cu of all samples reached the strongest potential ecological risk，and As of all samples reached stronger potential ecological risk． Keywordsheavy metals;Long Lake;grey relation;potential ecological risk assessment * 国家自然科学基金重点项目 41030743 ; 国家自然科学基金青年项 目 41001243 ; 黑 龙 江 省 高 等 学 校 科 技 创 新 团 队 建 设 计 划 项 目 2010td10 。 0引言 随着我国社会经济的飞速发展， 自工业革命以 来， 世界范围内 30 ～ 40 的湖库受到不同程度的 影响 ［1］， 许多河流、 湖泊和近海都已经遭受了不同程 度的重金属污染 ［2- 3］。灰色理论自我国学者邓聚龙教 授于 20 世纪 80 年代提出以来， 在水质评价方面得到 广泛的应用。灰色关联分析法概念直观， 计算相对简 单， 容易推广和应用， 而且在评价过程中能充分利用 环境监测数据， 不会丢失信息。本研究在综合考虑各 种分析方法的优缺点后， 采用灰色关联分析法对湖水 重金属污染情况进行了评价， 并进一步采用了潜在生 态危害指数法对湖水重金属的潜在生态危害进行评 价分析， 以期为合理预防和治理龙湖及其所在的扎龙 自然保护区环境问题提供依据。 1研究区与方法 1. 1研究区及采样点布设 龙湖位于齐齐哈尔市东南即扎龙自然保护区中 西 部，东 经 124 12. 968～ 124 14. 138，北 纬 4711. 695 ～ 4712. 596。龙湖是由嫩江支流乌裕尔 河、 双阳河流至下游， 失去明显河道， 河水漫溢而形 成， 处于已利用土地和保护区的交界处。湖水补给方 001 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 式主要为河水， 其次为降水和冰雪融水。湖区年平均 温度为 3 ～ 6 ℃ ， 1 月份平均温度为 － 19 ～ － 15 ℃ ， 7 月份平均温度为 22 ～ 24 ℃ ， 年降水量 400 ～ 600 mm， 降 水 的 年 际 变 率 大，年 蒸 发 量 多 在 1 100 ～ 2 000 mm［4- 6］。近几年随着社会经济的发展， 乌裕尔 河两岸工厂排放的工业废水、 农业生产排放的废水以 及生活污水， 使得龙湖的水质状况呈下降趋势， 水体 已经面临着环境问题 ［7- 8］。为了研究龙湖水体重金属 污染情况， 于 2011 年 8 月对龙湖进行实地考察， 共设 置 9 个采样点位 见图 1 。 图 1采样点位分布 1. 2试验与分析方法 采样容器为 250 mL 聚四氟乙烯塑料瓶， 样品经 0. 45 μm滤膜进行现场过滤， 然后加入几滴浓硝酸酸 化， 密封保存运回实验室置于4 ℃ 冰箱保存。用电感 耦合等离子体质谱 ICP-MS Agilent 测定各元素含 量， 同时做空白试验。将测定值和标准值进行对比， 结果表明所有待测元素的 RSD 相对标准偏差 均低 于 5 ， 数据的准确程度和精度均符合要求。 本研究应用 ArcGIS 对扎龙湿地的影像进行矢量 化处理， 同时根据 GPS 定位的经纬度坐标提取出克 钦湖采样点的分布图。采用了灰色关联分析法和潜 在生态危害指数评价法评价湖水体重金属。 2结果与分析 2. 1湖水中重金属的统计性描述 通过对研究区样本数据的统计分析 见表 1 得 出Mn 含 量 为 1. 64 ～ 19. 15 mg/kg，平 均 值 为 7. 79 mg/kg; Cu 含量为 0. 31 ～ 1. 89 mg/kg， 平均值为 0. 8 mg/kg， As 含量为 0. 44 ～ 71. 71 mg/kg， 平均值为 0. 94 mg/kg; Pb 含量为 0. 09 ～ 2. 14 mg/kg， 平均值为 0. 46 mg/kg。 各种金属的变异系数都较高， 其中 Pb 的 变异系数最高达到 139. 8 。 表 1湖水中各种重金属统计分析结果 n 9 极小值极大值均值标准差方差变异系数 / Mn1. 6419. 157. 796. 2839. 4480. 6 Cu0. 311. 890. 80. 510. 2663. 3 As0. 441. 710. 940. 440. 247. 1 Pb0. 092. 140. 460. 650. 42139. 8 2. 2湖水中重金属元素间的相关性分析 龙湖水样中不同重金属含量间相关性分析结果 见表 2 表明， Cu 与 Mn 之间有很高负相关性， 相关系 数为 －0. 792。Pb 和其他三种元素的相关性都非常低。 As 与 Mn、 As 与 Cu 之间呈极显著相关， 相关系数分别 为 0. 889、 0. 818， 表明两种元素的污染源可能相同。 表 2龙湖中各金属含量间的相关矩阵 元素MnCuAsPb Mn1 Cu－ 0. 792a1 As0. 889b0. 818b1 Pb－ 0. 1180. 0320. 0791 注 a － 在 0. 05 水平上显著相关; b － 在 0. 01 水平上显著相关。 2. 3水体重金属的灰色关联分析 在实际评价中， 首先确定水质分级标准序列和各 水质样品实测样本序列。 通常设水质分级标准共分 j 级， 评价因子有 k 1， 2， 个， 水质样品总数 i 1， 2， 个， 则得到所有水质样品实测值组成的样本序 列 xi k和各级水体质量标准的标准序列 y j k ， 其 中， xi k ［ xi 1 ， xi 2 ， ， x i k ］ ， 表示第 i 个水 质样品中第 k 项评价因子的实测值; yj k ［ yj 1 ， yj 2 ， ， yj k ］ ， yj k表示第 j 级水质标准中第 k 项评价因子的取值 ［9］。 ξij k Δmin ρΔmax Δij k ρΔmax k 1， 2， ， M 1 式中 ξij k 为因素 Xi对 Yj的关联系数， 其中， 101 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 Δij kxi k－ yj k 2 Δmax maxjmaxiΔij k 3 Δmin minjminiΔij k 4 依据式 1 求关联系数， 式中 ρ 为分辨系数， ρ 取 ［ 0， 1］ ， ρ 值越大， 分辨能力越强， 但对整个趋势无影 响， 在环境质量评价中， 目的只是求得其关联系数的 大小即可， 通常取 0. 5［10- 11］。 综合各点 k 1， 2， ， M 的关联系数，得样本 序列和标准序列之间的关联度 γij。即 γij 1 nΣ n k 1ξij k 5 γij越大， 说明参考数列{ xi k } 与第 j 个比较数 列{ yj k } 的关联性越好。 2. 3. 1采用的水质标准 本研究采用 GB 38382002地面水环境质量标 准 见表 3 并参照全国水资源调查和评价统一规定 的全国水系水质分级表， 对样品进行分析和评价。 表 3地面水环境质量标准值 mg/L 项目ⅠⅡⅢⅣⅤ 锰≤0. 1 以下0. 10. 10. 51. 0 铜≤0. 01 以下1. 01. 01. 021. 0 砷≤0. 050. 050. 050. 10. 1 铅≤0. 010. 010. 050. 050. 1 2. 3. 2数据的标准化处理 龙湖 1 号样点水质实测值和分级标准构成的矩 阵 MNCUASPB X0 k Yj k 4． 051． 10． 840． 24 ＜ 0． 1＜ 0． 01≤ 0． 05≤ 0． 01 ≤ 0． 1≤ 1． 0 ≤ 0． 05≤ 0． 01 ≤ 0． 1≤ 1． 0 ≤ 0． 05≤ 0． 05 ≤ 0． 5≤ 1． 0 ≤ 0． 1≤ 0． 05 ≤ 1． 0≤ 1． 0 ≤ 0． 1≤ 0．                   1 为了便于对各项评价指标进行综合性分析并使 评价结果具有可比性， 需要将样本序列和标准序列各 个指标进行标准化处理， 使其数值归一化到［ 0， 1］区 间上。这样既可达到无量纲化的目的， 又可以消除不 同指标数量级相差很大产生的影响 ［12］。 y x － xmin / xmax－ xmin 6 对此矩阵进行归一化处理 X0 k Yj k 0． 210． 580． 480． 11 0000 00． 5300 00． 5300． 02 0． 020． 530． 030． 02 0． 050． 530． 030．                   04 2. 3. 3关联系数的计算 利用式 2 求差序列矩阵 X0 k Yj k 0． 210． 580． 480． 11 0． 210． 050． 480． 11 0． 210． 050． 480． 09 0． 190． 050． 450． 09 0． 160． 050． 450．                 07 利用式 3 、 式 4 求两级最大差及最小差 △max maxjmaxi△ij k 0. 58 △min minjmini△ij k 0. 05 利用式 1 求关联系数 Δij k 0． 680． 390． 440． 85 0． 6810． 440． 85 0． 6810． 440． 85 0． 7110． 460． 89 0． 6010． 460．                 94 2. 3. 4关联度的计算 利用式 5 计算实测样本序列与各级标准序列 的关联度如下 γ01 2. 40， γ02 3. 00， γ03 3. 04， γ04 3. 09， γ05 3. 19， 其中 γ05 max{ γ01 ， γ 02 ， γ 03 ， γ 04 ， γ 05} ， 将该 水样评价为Ⅴ类水体。 2. 3. 5评价等级 依据以上步骤， 计算出剩余的 8 个采样点的灰色 关联度及水质评价结果见表 4。 表 4灰色关联度计算结果 测点ⅠⅡⅢⅣⅤ评价结果 12. 403. 003. 043. 093. 19Ⅴ 22. 452. 502. 562. 712. 60Ⅳ 31. 381. 511. 521. 511. 55Ⅴ 42. 152. 212. 212. 302. 39Ⅴ 52. 132. 372. 412. 432. 51Ⅴ 62. 292. 322. 382. 442. 59Ⅴ 72. 402. 282. 372. 472. 65Ⅴ 82. 222. 252. 262. 722. 81Ⅴ 92. 752. 792. 802. 85290．Ⅴ 201 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 2. 4水体重金属潜在生态风险评价 采用 Hakanson 潜在生态风险指数法 ［13］。对湖 泊沉积物进行重金属潜在生态风险评价， 该方法不但 考虑了土壤重金属含量， 还综合考虑了重金属的毒 性、 在沉积物中的迁移转化规律和评价区域对重金属 污染的敏感性， 以及重金属区域背景值的差异， 反映 出重金属潜在的生态危害程度， 见式 7 。 Cif Cis/Cin Eir Tir Cif RI ΣEir 7 式中 Cif为重金属 i 的污染指数; Ci s为重金属 i 的实测 含量; Cin为重金属 i 的计算参考值; Ei r是重金属 i 的潜 在风险指数; Tir是重金属毒性响应系数; RI 为潜在生 态风险指数。 Eir和 RI 的指数与分级标准见表 5表 6。 表 5单项及综合潜在生态风险指数与分级标准 潜在生态风险指数轻微中等强很强极强 单因素潜在生态风险因子EirEir＜ 4040 ≤ Eir＜ 8080 ≤ Eir＜ 160 160 ≤ Eir＜ 320Eir≥ 320 总潜在生态风险因子RI RI ＜ 150150 ≤ RI ＜ 300300 ≤ RI ＜ 600 RI ≥ 600 表 6各样本单项与综合潜在生态风险指数 采样点CuEriMnEriPbEriAsEriRI 155040. 5120168882. 9 215532. 7105160456. 3 3945191. 52903241761. 7 428095. 675140593. 4 5340122. 690214770. 2 626532. 975144519. 3 719516. 44588346. 4 8590143. 72153421301. 5 927025. 410701181486. 2 3结论 1 根据分析结果， 湖水受重金属污染程度相对 较为严重。通过灰色关联评价分析， 所采集的 9 个样 点水样中有 8 个样点都属于Ⅴ类水质、 1 个样点属于 Ⅳ水质。 2 通过潜在生态风险评价分析， 4 种金属的潜在 风险顺序为 Cu ＞ As ＞ Pb ＞ Mn， 其中每个采样点的 As 元素的潜在生态危害程度都达到了“强” 级生态危 害， Cu 元素都达到了“极强” 级别。9 个样点中的第 3、 5、 8 样点水样中的四种重金属都达到了“强” 级生 态危害程度。 3 湖水中重金属的潜在生态危害程度较高， 建 议有关部门应加强对乌裕尔河中下游两岸的工矿企 业的管理， 控制化肥农药的大量使用， 加强对扎龙湿 地水体的保护。 4 由于采样点不是密集的布设， 难以找到整个 湖受污染的规律性， 后续研究中应进一步加强。 参考文献 ［1］Rona Vink， Horst Behrendt，Wim Salomons． Development of the heavy metal pollution trends in several European riversan analysis of point and diffuse sources［J］． Water Science and Technology， 1999， 39 12 215- 223． ［2］Mudroch A，Azcue D J M． Manual of Aquatic Sediment Sampling ［M］． Boca RatonLewis Publications， 1995． ［3］马孝义， 康绍忠． 果树地下滴灌灌水技术田间试验研究［J］． 西 北农业大学学报， 2000， 28 1 57- 61． ［4］罗新正， 朱坦， 孙广友， 等． 松嫩平原湿地荒漠化现状、 成因和对 策［J］． 中国沙漠， 2003， 23 4 372- 378． ［5］何春光， 郎惠卿， 卜兆君， 等． 松嫩平原湖泊湿地植物群落多样 性及其保护研究［J］． 国土与自然资源研究， 2006 3 53- 54． ［6］吕金福， 肖荣寰， 李志民， 等． 松嫩平原湖泊类型组合的区域分 异［J］． 东北师大学报． 自然科学版， 2000， 32 2 99- 105． ［7］联合国环境规划署． 全球环境展望 2000［M］． 北京 中国环境 科学出版社， 2001． ［8］郭跃东， 邓伟， 潘继花． 扎龙河滨湿地水体营养化污染特征及水 环境恢复对策［J］． 生态环境， 2003， 12 4 393- 397． ［9］张蕾， 王高旭， 罗美蓉． 灰色关联分析在水质评价应用中的改进 ［J］． 中山大学学报． 自然科学版，2004， 43 6 234- 236． ［ 10］黄方， 张树文， Jan de Leeuw， 等． 20 世纪 70 年代以来松嫩平原 乌裕尔河中下游流域的湿地演变［J］． 自然资源学报， 2006， 21 6 949- 956． ［ 11］张龙江． 水质评价的模糊综合评价． 加权平均复合模型应用 ［J］． 环境工程， 2001， 19 6 53- 55． ［ 12］李炳军， 朱春阳， 周杰． 原始数据无量纲化处理对灰色关联序 的影响［J］． 河南农业大学学报， 2002 2 199- 202． ［ 13］Hakanson L． An ecological risk index for aquatic pollution control a sedimentological approach［J］． Water Research， 1980， 14 8 975- 1001． 作者通信处臧淑英150025哈尔滨市利民开发区师大南路 1 号 哈师大地理科学学院 E- mailzsy6311 163． com 2011 － 12 － 15 收稿 301 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期