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标题 调水后受水区水环境的演化及重金属污染评价
范文 孙亚乔+窦琳+段磊+乔晓霞+申圆圆
基金项目:国家自然科学基金（41102150,41002086,41372258）；陕西省自然基金（2013JM5003）；中央高校科研专项基金（2013G1291065,2013G1291067,2013G1502036）
作者简介:孙亚乔（1977），女，浙江上虞人，副教授，博士，主要从事水文地球化学、水污染控制与生态环境保护方面研究。Email:sunyaqiao@126.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.
摘要：通过渭河原水和客水的混合稀释实验模拟调水后受水区水环境的演化，价调水后水环境的重金属污染特征、含变化规律及潜在的生态风险。研究结果表明：在pH、矿化度等其他因素和重金属间相互作用下，渭南和咸阳段混合水体中重金属Co、Cr、Mn、Mo、Pb和V的含量基本上随客水混入量的增大而下降，水质呈良性发展；客水汇入后，受混合稀释作用的影响，混合水的重金属内梅罗综合污染指数P综合平均降低幅度达到60%左右，重金属污染程度明显降低；调水后受水区水环境中单个重金属潜在生态风险系数和潜在生态危害指数RI明显降低，重金属Cr、Mn、Pb的潜在生态风险系数平均下降幅度分别达到50%、70%、56%左右，潜在生态危害指数RI的平均下降幅度为57%作用，说明调水的混合稀释作用可以明显降低重金属的潜在生态风险。
关键词：受水区；重金属污染；内梅罗指数；潜在生态风险指数；潜在生态危害系数；“引汉济渭”工程
中图分类号：X171，X53文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04005106
Water Environment Evolution and Heavy Metal Pollution Assessment
in the WaterReceiving Area after Water Transfer
SUN Yaqiao1,DUAN Lei1,DOU Lin1,QIAO Xiaoxia2,SHEN Yuanyuan1
(1School of Environmental Science and Engineering,Chang′an University,Key Laboratory of
Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education,Key Laboratory of
Environmental Protection & Pollution and Remediation of Water and Soil of Shaanxi Province,Xi′an 710054，China
2Road and Bridge Department,Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu,611130，China)
Abstract:The mixture dilution experiment of Weihe River water andincoming water was performed to simulate the water environment evolution in the water receiving area after water transfer and to assess the pollution characteristics of heavy metals in the water environment and the potential ecological risk.The results showed that (1) the contents of Co,Cr,Mn,Mo,Pb,and V in the mixed water of Weihe River of the Weinan and Xianyang sections decrease with the increasing volume of incoming water due to the impacts of the interactions among pH,TDS,and heavy metals,and water quality of the mixed water improves;(2) thecomprehensive pollution index of heavy metal (Nemoro P综合) of the mixed water reduces by about 60% in average due to mixture dilution,and the pollution degree of heavy metals decreases significantly;and (3) the potential ecological risk coefficient of single heavy metal and potential ecological risk index RI in the water environment of the waterreceiving area after water transfer reduce apparently.The average decline rates of the potential ecological risk coefficients of Cr,Mn,and Pb are 50%,70%,and 56% respectively,and the average decline rate of the potential ecological hazard index RI is 57%,which indicates that the mixture dilution can decrease the potential ecological risk of heavy metals significantly.
Key words:waterreceiving area;heavy metal pollution;Nemoro index;potential ecological risk coefficient;potential ecological hazard index;Hanjing River to Weihe River water transfer project
我国水资源严重短缺并且时空分布不均，随着社会经济的高速发展，水资源供需矛盾加剧［1］。近些年来，各种规模的跨流域调水工程如“引黄济青”、“引碧入连”、“南水北调”、“引汉济渭”等大量修改，用以调整水资源的时空分配，缓解缺水带来的生态环境、工农业生产、居民生活等方面的问题［2］。由于调水改变流域间水资源的地理分布，受水区的水文情势将发生改变，河床周边水体环境之间污染物吸收与释放的动态平衡也被打破［37］，直接影响周边水环境质量［811］。渭河流域属于资源型干旱地区，水资源供需矛盾突出，如无跨流域调水，至2020年渭河流域缺水量达2496亿m3［12］。渭河沿岸城市污水(点源污染)、工业废水和四大灌区灌溉退水以及降雨径流排入的污染物(非点源污染)量逐年增加，排污量远远超过渭河纳污能力，使得渭河水量少、水质差的问题更加突出，干流13个监测段面除对照断面外，水质现状均为V类或劣V类水，其中78%的断面属劣V类水质［13］。渭河水环境污染严重制约了关中地区社会经济的发展，因此目前正在修建的引汉济渭工程为破解陕西缺水问题意义重大。
“引汉济渭”工程在2012年建成三河口水库以下工程，年调水量5亿m3，将在2015年完全竣工，届时年调水量达15亿m3，可有效增加渭河水量，缓解水资源的供需矛盾。为了评价调水后渭河水环境演化，特别是客水汇入对重金属污染的影响，本文将进行混合稀释实验，为客水调入后渭河水环境污染的防治提供科学依据。
1实验方法
11样品采集
2010年12月6日-8日期间，对渭河流域进行了现场调查，分别在渭河流域咸阳段（北纬34°21＇23″，东经108°46＇29″）和渭南段（北纬34°31＇47″，东经109°31＇47″）进行了地表水采样。
12实验方案
渭河陕西段水资源量为80～435亿m3/a左右，平水年为6302亿m3/a左右，2012年计划调水量为的5亿m3（丰枯水期渭河水量和调客水量的混合比例为14∶1～9∶1），2015年为15亿m3（丰枯水期渭河水量和调客水量的混合比例为533∶1～3∶1）。据此，拟设定渭河水和客水的混合比例方案为16∶1、12∶1、10∶1、9∶1、8∶1、7∶1、6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1，其中包括了对丰水期、平水期、枯水期客水的混入比例。在烧杯中进行混合稀释实验，用于确定渭河水质在外来水源稀释情况下水质的变化状况。
首先对采集的原水水样进行详细测定（咸阳和渭南水样为所取得地表原水，自来水代替客水），结果见表1。然后取按不同比例充分混合后的水量1 000 mL，采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP6300）测定主要污染渭河水环境的六种重金属元素(Co、Cr、Mn、Mo、Pb、V)的含量Co、Cr、Mn、Mo、Pb、V。
13质量控制
实验分析时，所有样品均进行10%平行样测试，相对标
表1实验原水水化学组分分析结果
Table 1Chemical composition analysis
results of Weihe River water
（mg/L）
原水渭南水样咸阳水样自来水Ph757754796Eh/mv231502530024100电导率/（us·cm-1）569006810014690矿化度489635785712014总硬度（以碳酸钙计）1055699344178HCO327008278189121Cl89058905372SO2414388236972525K+1098912160Na+513500219Ca2+750971103521Mg2+30472824657Co000360003400000Cr000160001600009Mn002500000000004Mo002050016900008Pb000070002100000V000320001800003准偏差（RSD）在03%～08%，满足实验要求。重金属测定的准确性通过国家标准物质进行验证，回收率在92%～1013%之间，符合质量控制要求。所有分析样品时所用的仪器在检定合格有效期内，因此实验数据结果准确可靠。
2结果与分析
21重金属浓度变化特征
经过混合稀释作用后，各重金属浓度随混合比例的变化规律见图1。
从图1可以看出，渭南和咸阳段混合水体中重金属Co、Cr、V的浓度随客水量的增加呈现波动式下降的变化趋势；Mn浓度在渭南段混合水体中随客水量的增加呈现缓慢下降的趋势，在咸阳段混合水体中则变化趋势不明显；Mo浓度随客水量的增加呈现显著下降的趋势；Pb浓度随客水量的增加呈现先上升后下降的变化趋势。
2.2pH值的变化特征
从图2可以看出，随着客水比例的增加，混合水pH值呈现上升趋势。为了探讨pH值对混合水中重金属浓度影响，本文对混合溶液水中pH值与重金属相关性进行了分析，结果见表2、表3。
由表2可知，渭南段不同比例混合水中pH值与Co、Mn、Mo、V均呈负相关，而与Cr、Pb呈正相关，其中负相关程度为Mo＞Mn＞Co＞V，正相关程度为Cr＞Pb。特别是，pH值与Mn、Mo呈极显著的负相关性（P≤001）。
由表3可知，咸阳段不同比例混合水中pH值与重金属Co、Mo、V呈负相关，而与Cr、Mn、Pb呈正相关，其中负相关程度为Mo＞V＞Co，正相关程度为Mn＞Cr＞Pb。图1重金属随混合比例的变化规律
Fig.1Variation of contents of heavy metals with mix ratio图2pH值和矿化度随混合比例的变化趋势
Fig.2Variation of pH and TDS with mix ratio
总体上，渭南和咸阳不同比例混合水中pH值与各重金属元素的变化规律基本吻合，除了部分混合水体中Mn、Cr、Pb的变化有所异常外大部分重金属浓度皆随着客水的混入而降低，说明外来优质客水的混入在改变原水pH值的同时也降低了重金属的浓度，水体的混合稀释作用使水质向好的方向发展。
23矿化度变化特征
渭南和咸阳混合水的矿化度与重金属的关系见表2和表3。
由表2可知，渭南不同比例混合水中矿化度与Cr负相关，而与Co、Mn、Mo、Pb、V呈正相关，且正相关程度为Mo＞Mn＞Co＞V＞Pb。特别是，矿化度与Co、Mn、Mo呈极显著正相关（P≤001），矿化度与V呈显著正相关（P≤005）。
由表3可知，咸阳不同比例混合水中矿化度与Cr、Mn负相关，而与Co、Mo、Pb呈正相关，且正相关程度为Mo＞V＞Co＞Pb。特别是，矿化度与Mo呈极显著正相关（P≤001），与Mn呈极显著负相关（P≤001），与Co、V呈显著正相关（P≤005）。
渭南和咸阳段不同比例混合水中矿化度与各重金属的变化规律基本吻合。渭南和咸阳段混合水体中重金属Mo的含量与矿化度都呈现出呈极显著正相关（P≤001），说明优质低矿化度客水的混入可以使水质变好。表2渭南水混合水中pH值、矿化度与重金属相关性
Table 2Relativity of pH and TDS with heavy metals in mixed water (Weinan section)
pHTDSCoCrMnMoPbVpH1TDS1Co05270746**1Cr028014402111Mn0729**0954**0593*01131Mo0758**0991**0788**01040947**1Pb0097014701240014022601791V01790608*0701*01040604*0676*01611**.在 0.01 水平（双侧）上显著相关，*.在 0.05 水平（双侧）上显著相关。表3咸阳水混合溶液中pH值、矿化度与重金属相关性
Table 3Relativity of pH and TDS with heavy metals in mixed water (Xianyang section)
pHTDSCoCrMnMoPbVpH1TDS1Co-00880601*1Cr0337-054401111Mn0395-0968**-0674*04211Mo-05640996**057-0542-0957**1Pb004702540033-0021-025802731V-02880621*0173-0329-0581*0629*03651**在 0.01 水平（双侧）上显著相关，*.在 0.05 水平（双侧）上显著相关。2.4混合水体中重金属元素的相互作用
不同混合比例水体中重金属元素浓度的相关性见表2和表3。
从表2可以看出，渭南混合水中Co和Mo、Mn和Mo呈极显著正相关（P≤001），说明溶液中Co和Mo、Mn和Mo的协同作用明显；Co和Mn、V和Co、Mn、Mo显著正相关（P≤005），Cr和Co、Mn、Mo、Pb呈负相关，说明Cr和Co、Mn、Mo、Pb在混合水体中呈现拮抗作用。
从表3可以看出，咸阳混合水中重金属Mn和Mo呈极显著负相关（P≤001），说明溶液中Mn和Mo的具有明显的拮抗作用；重金属Co和Mn、Mn和V呈显著负相关（P≤005），说明溶液中重金属Co和Mn、Mn和V具有拮抗作用；混合水中重金属V和Mo显著正相关（P≤005），说明溶液中V和Mo具有协同作用；Cr和Mn、Mo、V呈负相关，说明Cr和Mn、Mo、V在咸阳混合水体中呈现拮抗作用。
3调水后水环境重金属污染评价
本文选择内梅罗综合污染指数法进行水环境质量评价，评价标准为《地表水环境质量标准》（GB 38382002）［14］。另外，结合重金属性质及环境行为特点，利用Hakanson(1980)潜在生态风险评价对调水后水环境中重金属的生态危害程度进行评价［15］。
3.1重金属综合污染评价
将渭南和咸阳混合水中重金属测定值代入内梅罗综合污染指数的计算公式，评价结果见表4和图3，可以看出：
（1）不同比例混合水的重金属内梅罗综合污染指数P综合＜08，水质优良，而且混合水的重金属内梅罗综合污染指数P综合皆小于原水，渭南段平均下降5934%，咸阳段平均下降了6176%。
（2）随客水混入量的增大，渭南段混合水的重金属内梅罗综合污染指数P综合逐渐下降，下降速率为每混入一份外来水源，P综合下降0096；咸阳段的则波动式变化，在混合比例为8∶1时，污染指数P综合为最大值0066，说明在咸阳段的其它因素对重金属浓度起到了重要的影响作用，如水体中的胶体含量等。
3.2重金属潜在生态风险评价
3.2.1渭南混合水中重金属的潜在生态风险
渭南不同比例混合水中重金属潜在生态危害系数与危害指数计算结果见表5和图4。
表4混合水中重金属综合污染指数
Table 4Comprehensive pollution index of
heavy metals in mixed water
混合比例样品编号P综合渭南原水0414客水001416∶1WM1017812∶1WM2018810∶1WM301849∶1WM401838∶1WM501817∶1WM601786∶1WM701775∶1WM801644∶1WM901623∶1WM1001482∶1WM1101441∶1WM120135混合比例样品编号P综合咸阳原水0088客水001416∶1XM1002912∶1XM2004210∶1XM300229∶1XM400338∶1XM500667∶1XM600206∶1XM700175∶1XM800324∶1XM900343∶1XM1000422∶1XM1100331∶1XM120033图3混合水中重金属内梅罗综合污染指数
随混合比例的变化规律
Fig.3Variation of Nemoro comprehensive pollution index
of heavy metals with mix ratio
从表5中可以看出，渭南不同比例混合水中重金属潜在
表5渭南混合水中重金属潜在生态危害
系数Eir与危害指数（RI）
Table 5Potential ecological hazard coefficient and index
of heavy metals in mix water(Weinan secion)
混合比例EirCrMnPbRI16∶100480233012040112∶10040244024052410∶10032024201704449∶10072023701704798∶1008023302105237∶1009602280205246∶10048022603806545∶10048021401303924∶10052021101704333∶1004019301704032∶10072018401904461∶1006401740150388图4混合水中重金属的潜在生态危害指数
Fig.4Potential ecological hazard index of
heavy metals in mixed water
生态危害系数顺序为Mn＞Pb＞Cr，受水后混合水比渭河原水中重金属Cr、Mn、Pb的潜在生态危害系数分别平均下降了5194%、5958%、52018%，与渭南华县地表水重金属潜在生态危害系数的顺序一致，而且不同比例混合水中重金属潜在生态危害系数皆小于40，属于轻微生态危害。
渭南不同比例混合水中重金属潜在生态危害指数RI随客水混入量增加呈现先上升后下降的变化趋势，RI平均下降了5589%。在混合比例为6∶1时，重金属潜在生态危害指数RI为最大值0654（见图4），而且不同比例混合水中重金属潜在生态危害指数RI皆小于150，属于轻微生态危害。
332咸阳混合水中重金属的潜在生态风险
咸阳不同比例混合水中重金属潜在生态危害系数与危害指数计算结果见表6和图4。
从表6中可以看出咸阳不同比例混合水中重金属潜在生态危害系数顺序为Pb＞Cr＞Mn，受水后混合水比渭河原水中重金属Cr、Mn、Pb的潜在生态危害系数分别平均下降了5353%、8160%、6096%，而且不同比例混合水中重金属潜在生态危害系数皆小于40，属于轻微生态危害。
咸阳不同比例混合水中重金属潜在生态危害指数RI随外来水源混入增加呈现先波动式升降的变化趋势，平均下降了6054%，在混合比例为8∶1时，重金属潜在生态危害指数RI为最大值0478（见图4），咸阳不同比例混合水中重金属潜在生态危害指数RI低于渭南，而且不同比例混合水中重金属潜在生态危害指数RI皆小于150，属于轻微生态危害。表6咸阳混合水中重金属潜在生态危害系数与危害指数
Table 6Potential ecological hazard coefficient and index of
heavy metals in mix water (Xianyang section)
混合比例CrMnPbRI16∶100520018023212∶1004002703110∶100200140169∶10044002102548∶10048004304787∶10048001201686∶100400090135∶10064000401902584∶10016000902202453∶10076000502503312∶100560014030371∶10076002101302274结论
（1）在pH、矿化度等其他因素的对重金属的作用及重金属间相互作用下，受客水后渭南和咸阳段混合水环境中重金属含量基本上是随客水混入量的增大而下降，水质呈良性发展。
（2）调水后，由于受客水汇入混合稀释作用的影响，渭南段和咸阳段混合水的重金属内梅罗综合污染指数P综合平均降低幅度分别为5934%和6176%，重金属污染程度明显降低。
（3）调水后受水区后地表水中单个重金属潜在生态风险系数和潜在生态危害指数RI明显降低，重金属Cr、Mn、Pb的潜在生态风险系数平均下降幅度分别达到50%，70%，56%左右，潜在生态危害指数RI的平均下降幅度为57%左右，说明混合稀释作用明显降低了重金属的潜在生态风险。
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［15］Lars Hakanson.An Ecological Risk Index for Aquatic Pollution Control.a Sedimentological Approach.Water Research,1980,(8):9751001.表6咸阳混合水中重金属潜在生态危害系数与危害指数
Table 6Potential ecological hazard coefficient and index of
heavy metals in mix water (Xianyang section)
混合比例CrMnPbRI16∶100520018023212∶1004002703110∶100200140169∶10044002102548∶10048004304787∶10048001201686∶100400090135∶10064000401902584∶10016000902202453∶10076000502503312∶100560014030371∶10076002101302274结论
（1）在pH、矿化度等其他因素的对重金属的作用及重金属间相互作用下，受客水后渭南和咸阳段混合水环境中重金属含量基本上是随客水混入量的增大而下降，水质呈良性发展。
（2）调水后，由于受客水汇入混合稀释作用的影响，渭南段和咸阳段混合水的重金属内梅罗综合污染指数P综合平均降低幅度分别为5934%和6176%，重金属污染程度明显降低。
（3）调水后受水区后地表水中单个重金属潜在生态风险系数和潜在生态危害指数RI明显降低，重金属Cr、Mn、Pb的潜在生态风险系数平均下降幅度分别达到50%，70%，56%左右，潜在生态危害指数RI的平均下降幅度为57%左右，说明混合稀释作用明显降低了重金属的潜在生态风险。
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Table 6Potential ecological hazard coefficient and index of
heavy metals in mix water (Xianyang section)
混合比例CrMnPbRI16∶100520018023212∶1004002703110∶100200140169∶10044002102548∶10048004304787∶10048001201686∶100400090135∶10064000401902584∶10016000902202453∶10076000502503312∶100560014030371∶10076002101302274结论
（1）在pH、矿化度等其他因素的对重金属的作用及重金属间相互作用下，受客水后渭南和咸阳段混合水环境中重金属含量基本上是随客水混入量的增大而下降，水质呈良性发展。
（2）调水后，由于受客水汇入混合稀释作用的影响，渭南段和咸阳段混合水的重金属内梅罗综合污染指数P综合平均降低幅度分别为5934%和6176%，重金属污染程度明显降低。
（3）调水后受水区后地表水中单个重金属潜在生态风险系数和潜在生态危害指数RI明显降低，重金属Cr、Mn、Pb的潜在生态风险系数平均下降幅度分别达到50%，70%，56%左右，潜在生态危害指数RI的平均下降幅度为57%左右，说明混合稀释作用明显降低了重金属的潜在生态风险。
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更新时间：2025/3/15 12:17:09