安宁河凉山段重金属时空分布及主要因子分析
唐隽 付醒东 李军 王洪波 李在林
摘要：本文统计了2013-2015年安宁河凉山段重金属所有监测值，运用主成份分析法对安宁河凉山段重金属分析，得出主要污染因子为铅、锌、铁、锰，根据主要污染因子2013-2015年年际均值变化趋势的研究及各断面间的对比分析，推断了其成因。
关键词：安宁河；重金属；时空分布；主要因子
中图分类号：X501 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0138-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.082
Abstract ： In order to understand the changes and causes of heavy metal concentration in Anning River， this paper has collected all the monitored values of heavy metals in Liangshan Section of Anning River from 2013 to 2015， and analyzed the heavy metals in Liangshan Section of Anning River by using principal component analysis method. The main pollution factor was lead， Zinc， iron， and manganese， the inter-annual average change trend of the main pollution factor from 2013 to 2015 and comparative analysis among various sections， inferred the causes.
Key words： Anning River； Heavy metal； Spatio-temporal distribution； Main factors
隨着工业化进程不断提高和人类社会快速发展，污染物排放加剧，大量污染物不断通过地表径流排入天然河流，导致河流被污染得十分严重。Thornton报道，被誉为是世界熔炼工业中心的英国威尔士南部港口城市斯旺西，由于各种重金属冶炼，导致水环境中铜、锌、铅、镉等重金属污染较严重[1]。Zhang W等研究发现[2]，石洞口附近水体中铜、锌、铅高浓度现象，是由于污染物在长江沿岸这五个区域内直接排放。王晓蓉、许鸥泳[3-4]等人对金沙江水体中重金属浓度的分析研究表明，水生生物对重金属具有明显的富集作用，重金属可以通过颗粒物的吸附络合作用迁移转化，进行形态、价态的变化。因此研究河流中重金属具有重要意义。
在河流水质重金属分析评价研究中，以模糊综合评价法、主成分分析法、单因子评价法、多因子评价法[5]、灰色系统理论方法[6]等最为常见。本文采用主成分分析法，使分析过程得以简化，但又能得出2013-2015年间的重金属指标中对水质影响较大的主要影响因子，并进行时空分析和原因分析[1]。
1 主成份分析法对水质重金属的分析
1.1 主成分分析法的步骤
（1）首先统一量纲，由于原有各监测指标的量纲不同无法进行计算，为了各监测因子之间具有可比性，对原始数据作标准化处理，其计算公式为：。
（2）根据特征根计算出主成分的贡献率和累积贡献率，选着m个主分量。当m个主分量达到一定的累积贡献率水平时，说明前r个主成分已经可以用来表达原来全部样本含有的所有信息量已达到要求。计算公式如下：
结合环境监测分析方法和评价方法对所选择的主成分给出解释。以上所有计算过程均在SPSS24.0软件中进行。
1.2 主成份分析结果
利用SPSS 24.0计算得出的主成分特征值与累计贡献率如表1-1所示，安宁河凉山段干流断面上均值、南河及孙水河两个支流断面上提取出4个主成分，南河断面上提取出5个主成分，它们的第一个主成分累积贡献率均是最高的，分别达到28.15%、26.58%及30.25%。并且所提取主成分最终的累积率均在70%以上，说明了这些个主成分能够表达出绝大部分原有监测因子的信息，用主成分分析法是可接受的[2-4]。
成分矩阵反应的是监测因子对评价结果的影响程度，主成分分析提取的新变量，得到的成分矩阵绝对值都小于1，当成分矩阵绝对值越接近1，表明各个水质指标对评价结果越重要越应保留下来。如表2所示，水温、pH、铜、六价铬、砷、铁这些重金属指标在第1主成分中的载荷较高，而铅、锌、锰、镍分别在第2、3、4、5主成分上的荷载较高。其中，pH和水温作为理化指标的代表仅在第1主成分中具有较大荷载，尤其pH值载荷是最高的，说明pH是影响安宁河凉山段水质重金属变化的重要影响因素，相关研究也表明pH越大，水体中重金属越容易沉淀在沉积物中。同样的如表3、4所示，水温、pH、铜、锌、铅、六价铬、镍、铁、锰、砷这些水质指标对南河的水质重金属有较大影响；水温、pH、铜、锌、铅、六价铬、砷、铁、锰对泸沽老桥的水质重金属影响较大，其余水质监测指标的影响可以略去。支流重金属指标负荷高低程度略与干流重金属指标的负荷不同，但是总体上可以看出，除去pH、水温后，重金属铅、锌、铁、锰这个四个指标的载荷绝对值较高，因此，这个4个污染因子是此次评价得出的主要重金属污染因子。
2 安宁河凉山段重金属年际变化趋势
2.1 支流水质重金属的年际变化
南河和孙水河这两条安宁河支流2013-2015年Zn、Pb、Fe、Mn四项水质重金属指标的监测数据如图1、2、3和4所示。由图可以看出，南河Zn、Pb、Fe、Mn这四种重金属元素逐年降低，主要因为南河上游稀土开采矿山建立了尾矿库，同时关闭了非法洗选企业，减少了因稀土开采洗选冶炼排入南河的重金属污水。孙水河Zn、Pb、Mn这三个重金属元素没有明显的变化规律，Zn、Pb的年均浓度均维持在低浓度水平，Mn元素是2014年年均值明显高于2013年和2015年，而Fe元素则是呈现逐年降低的趋势，可能是由于孙水河上游铁矿洗选厂的关闭后污染源截断所致。
2.2 安宁河凉山段干流水质重金属的年际变化
安宁河凉山段的观音岩、漫水湾、阿七大桥、昔街大桥这四个监测断面的2013 - 2015年Zn、Pb、Fe、Mn共4项水质指标的年均值如图5、6、7和8所示。从图中可以看出，四个监测断面的Zn在较低浓度范围内呈逐年降低趋势，而Pb、Mn在各断面上年均值没有明显特征趋势，Fe虽然在各断面年均值上没有明显的变化趋势，但可以看到，除了背景断面观音岩外，2013年、2014年Fe在其他断面年均值上都是超标的，说明安宁河凉山段上的铁矿洗选和冶炼企业对安宁河凉山段Fe元素的贡献较大，同时也符合安宁河凉山段上各铁矿类企业分布特征，富集特征较为明显[5-6]。
3 安宁河凉山段重金属分布特征
根据上面章节分析结果，结合表3-1的结果汇总，我们可以得出各断面各监测因子的年均值，各金属元素的分布情况见图3-1。
从上图可知，铅、锌分布拥有较为明显的相同变化趋势，都在2号南河断面出现峰值，并且变化幅度较大，在随后的断面浓度逐渐降低。从铅、锌的分布规律上，可以得出2号南河断面是主要的污染源，这与南河上游牦牛坪稀土矿区有着直接的关联，牦牛坪稀土矿区的开采和洗选以及历史遗留问题导致铅、鋅无序排放，使这两个重金属指标在南河断面骤然升高，随后下游基本无此企业，重金属铅、锌在稀释和沉降的作用下逐步降低。铁分布大致为逐步升高的变化趋势，在最后一个断面达到峰值；锰的多年均值分布特征是从重金属的浓度上来看，Fe、Mn维持在较高的浓度水平，Fe的多年均值除了在背景断面观音岩没有超过地表水环境质量标准III类水质限值，其余断面超过地表水环境质量标准III类水质限值，而Mn则是在所有断面均超过地表水环境质量标准III类水质限值。
4 成因分析
安宁河凉山段上，Fe、Mn两元素浓度较高，除了地处钒钛矿区外，还有可能是由钒钛磁铁矿洗选、冶炼企业的排污及河道上无序采砂所致。Zn、Pb两元素浓度较高与南河上游牦牛坪稀土矿区有着直接的关联，牦牛坪稀土矿区的开采和洗选以及历史遗留问题导致铅、锌无序排放所致。因此在南河上游进行重金属生态修复和控制河道采砂显得极为重要。
参考文献
[1]Thornton GJ P，Walsh P D.Heavymentals in the waters of the Nanty 2 Fendrod：change in pollution levels and dynamics associated with the redevelopment of the Lower Swansea Valley，South Wales，UK[J].The Science of the Total Environment，2001，278（1-3）：45-55.
[2]Zhang W，Yu L，Hutchinson S M，etal.Chinaps Yangtze Estuary：Geomorphic influence on heavy metal accumulation in intertidal sediments[J].Geomorphology，2001，41（2，3）：195-205.
[3]王晓蓉等.金沙江颗粒物对重金属的吸附[J].环境化学，1983，2（1）：23-32.
[4]许鸥泳，曾灿星.金沙江下游沉积物某些金属的化学形态和分布特征[J].中国环境科学，1985，6（5）：20-34.
[5]张丛.环境评价教程[M].北京：中国环境科学出版社，2002：100-112.
[6]邓聚龙.灰色系统基本方法[M].武汉：华中理工大学出版社，1987：31-33.
收稿日期：2018-04-04
作者简介：唐隽（1984-），男，硕士，工程师，研究方向为环境监测。技术文
摘要：本文统计了2013-2015年安宁河凉山段重金属所有监测值，运用主成份分析法对安宁河凉山段重金属分析，得出主要污染因子为铅、锌、铁、锰，根据主要污染因子2013-2015年年际均值变化趋势的研究及各断面间的对比分析，推断了其成因。
关键词：安宁河；重金属；时空分布；主要因子
中图分类号：X501 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0138-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.082
Abstract ： In order to understand the changes and causes of heavy metal concentration in Anning River， this paper has collected all the monitored values of heavy metals in Liangshan Section of Anning River from 2013 to 2015， and analyzed the heavy metals in Liangshan Section of Anning River by using principal component analysis method. The main pollution factor was lead， Zinc， iron， and manganese， the inter-annual average change trend of the main pollution factor from 2013 to 2015 and comparative analysis among various sections， inferred the causes.
Key words： Anning River； Heavy metal； Spatio-temporal distribution； Main factors
隨着工业化进程不断提高和人类社会快速发展，污染物排放加剧，大量污染物不断通过地表径流排入天然河流，导致河流被污染得十分严重。Thornton报道，被誉为是世界熔炼工业中心的英国威尔士南部港口城市斯旺西，由于各种重金属冶炼，导致水环境中铜、锌、铅、镉等重金属污染较严重[1]。Zhang W等研究发现[2]，石洞口附近水体中铜、锌、铅高浓度现象，是由于污染物在长江沿岸这五个区域内直接排放。王晓蓉、许鸥泳[3-4]等人对金沙江水体中重金属浓度的分析研究表明，水生生物对重金属具有明显的富集作用，重金属可以通过颗粒物的吸附络合作用迁移转化，进行形态、价态的变化。因此研究河流中重金属具有重要意义。
在河流水质重金属分析评价研究中，以模糊综合评价法、主成分分析法、单因子评价法、多因子评价法[5]、灰色系统理论方法[6]等最为常见。本文采用主成分分析法，使分析过程得以简化，但又能得出2013-2015年间的重金属指标中对水质影响较大的主要影响因子，并进行时空分析和原因分析[1]。
1 主成份分析法对水质重金属的分析
1.1 主成分分析法的步骤
（1）首先统一量纲，由于原有各监测指标的量纲不同无法进行计算，为了各监测因子之间具有可比性，对原始数据作标准化处理，其计算公式为：。
（2）根据特征根计算出主成分的贡献率和累积贡献率，选着m个主分量。当m个主分量达到一定的累积贡献率水平时，说明前r个主成分已经可以用来表达原来全部样本含有的所有信息量已达到要求。计算公式如下：
结合环境监测分析方法和评价方法对所选择的主成分给出解释。以上所有计算过程均在SPSS24.0软件中进行。
1.2 主成份分析结果
利用SPSS 24.0计算得出的主成分特征值与累计贡献率如表1-1所示，安宁河凉山段干流断面上均值、南河及孙水河两个支流断面上提取出4个主成分，南河断面上提取出5个主成分，它们的第一个主成分累积贡献率均是最高的，分别达到28.15%、26.58%及30.25%。并且所提取主成分最终的累积率均在70%以上，说明了这些个主成分能够表达出绝大部分原有监测因子的信息，用主成分分析法是可接受的[2-4]。
成分矩阵反应的是监测因子对评价结果的影响程度，主成分分析提取的新变量，得到的成分矩阵绝对值都小于1，当成分矩阵绝对值越接近1，表明各个水质指标对评价结果越重要越应保留下来。如表2所示，水温、pH、铜、六价铬、砷、铁这些重金属指标在第1主成分中的载荷较高，而铅、锌、锰、镍分别在第2、3、4、5主成分上的荷载较高。其中，pH和水温作为理化指标的代表仅在第1主成分中具有较大荷载，尤其pH值载荷是最高的，说明pH是影响安宁河凉山段水质重金属变化的重要影响因素，相关研究也表明pH越大，水体中重金属越容易沉淀在沉积物中。同样的如表3、4所示，水温、pH、铜、锌、铅、六价铬、镍、铁、锰、砷这些水质指标对南河的水质重金属有较大影响；水温、pH、铜、锌、铅、六价铬、砷、铁、锰对泸沽老桥的水质重金属影响较大，其余水质监测指标的影响可以略去。支流重金属指标负荷高低程度略与干流重金属指标的负荷不同，但是总体上可以看出，除去pH、水温后，重金属铅、锌、铁、锰这个四个指标的载荷绝对值较高，因此，这个4个污染因子是此次评价得出的主要重金属污染因子。
2 安宁河凉山段重金属年际变化趋势
2.1 支流水质重金属的年际变化
南河和孙水河这两条安宁河支流2013-2015年Zn、Pb、Fe、Mn四项水质重金属指标的监测数据如图1、2、3和4所示。由图可以看出，南河Zn、Pb、Fe、Mn这四种重金属元素逐年降低，主要因为南河上游稀土开采矿山建立了尾矿库，同时关闭了非法洗选企业，减少了因稀土开采洗选冶炼排入南河的重金属污水。孙水河Zn、Pb、Mn这三个重金属元素没有明显的变化规律，Zn、Pb的年均浓度均维持在低浓度水平，Mn元素是2014年年均值明显高于2013年和2015年，而Fe元素则是呈现逐年降低的趋势，可能是由于孙水河上游铁矿洗选厂的关闭后污染源截断所致。
2.2 安宁河凉山段干流水质重金属的年际变化
安宁河凉山段的观音岩、漫水湾、阿七大桥、昔街大桥这四个监测断面的2013 - 2015年Zn、Pb、Fe、Mn共4项水质指标的年均值如图5、6、7和8所示。从图中可以看出，四个监测断面的Zn在较低浓度范围内呈逐年降低趋势，而Pb、Mn在各断面上年均值没有明显特征趋势，Fe虽然在各断面年均值上没有明显的变化趋势，但可以看到，除了背景断面观音岩外，2013年、2014年Fe在其他断面年均值上都是超标的，说明安宁河凉山段上的铁矿洗选和冶炼企业对安宁河凉山段Fe元素的贡献较大，同时也符合安宁河凉山段上各铁矿类企业分布特征，富集特征较为明显[5-6]。
3 安宁河凉山段重金属分布特征
根据上面章节分析结果，结合表3-1的结果汇总，我们可以得出各断面各监测因子的年均值，各金属元素的分布情况见图3-1。
从上图可知，铅、锌分布拥有较为明显的相同变化趋势，都在2号南河断面出现峰值，并且变化幅度较大，在随后的断面浓度逐渐降低。从铅、锌的分布规律上，可以得出2号南河断面是主要的污染源，这与南河上游牦牛坪稀土矿区有着直接的关联，牦牛坪稀土矿区的开采和洗选以及历史遗留问题导致铅、鋅无序排放，使这两个重金属指标在南河断面骤然升高，随后下游基本无此企业，重金属铅、锌在稀释和沉降的作用下逐步降低。铁分布大致为逐步升高的变化趋势，在最后一个断面达到峰值；锰的多年均值分布特征是从重金属的浓度上来看，Fe、Mn维持在较高的浓度水平，Fe的多年均值除了在背景断面观音岩没有超过地表水环境质量标准III类水质限值，其余断面超过地表水环境质量标准III类水质限值，而Mn则是在所有断面均超过地表水环境质量标准III类水质限值。
4 成因分析
安宁河凉山段上，Fe、Mn两元素浓度较高，除了地处钒钛矿区外，还有可能是由钒钛磁铁矿洗选、冶炼企业的排污及河道上无序采砂所致。Zn、Pb两元素浓度较高与南河上游牦牛坪稀土矿区有着直接的关联，牦牛坪稀土矿区的开采和洗选以及历史遗留问题导致铅、锌无序排放所致。因此在南河上游进行重金属生态修复和控制河道采砂显得极为重要。
参考文献
[1]Thornton GJ P，Walsh P D.Heavymentals in the waters of the Nanty 2 Fendrod：change in pollution levels and dynamics associated with the redevelopment of the Lower Swansea Valley，South Wales，UK[J].The Science of the Total Environment，2001，278（1-3）：45-55.
[2]Zhang W，Yu L，Hutchinson S M，etal.Chinaps Yangtze Estuary：Geomorphic influence on heavy metal accumulation in intertidal sediments[J].Geomorphology，2001，41（2，3）：195-205.
[3]王晓蓉等.金沙江颗粒物对重金属的吸附[J].环境化学，1983，2（1）：23-32.
[4]许鸥泳，曾灿星.金沙江下游沉积物某些金属的化学形态和分布特征[J].中国环境科学，1985，6（5）：20-34.
[5]张丛.环境评价教程[M].北京：中国环境科学出版社，2002：100-112.
[6]邓聚龙.灰色系统基本方法[M].武汉：华中理工大学出版社，1987：31-33.
收稿日期：2018-04-04
作者简介：唐隽（1984-），男，硕士，工程师，研究方向为环境监测。技术文
