西南大学学报 (自然科学版)  2018, Vol. 40 Issue (11): 160-167.  DOI: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.11.021
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  • 重庆主城3条主要支流的污染状况调查    [PDF全文]
    杨静1, 秦菊1, 曾波2, 杨睿1, 龙云2     
    1. 发光与实时分析教育部重点实验室/西南大学 化学化工学院, 重庆 400715;
    2. 三峡库区生态环境教育部重点实验室/重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室/西南大学 生命科学学院, 重庆 400715
    摘要:分析和比较了綦江、一品河和嘉陵江的水体和水体沉积物中2种重金属(铅和镉)和3种有机物(五氯酚、六六六和甲基对硫磷)的质量浓度差异,并基于重金属铅、镉及有机物五氯酚、六六六、甲基对硫磷对这3条河流的水体质量进行了评价.最后,不仅分析了污染物在河流间的差异是否具有统计学意义,而且评价了污染物的水质类别.
    关键词綦江    一品河    嘉陵江    有机物    重金属    水体质量评价    

    三峡水库从2003年6月开始蓄水、成库后,水体从河流型水库变为典型的河道型水库,降低了水流输移扩散污染物的能力[1].三峡水库建成后,其水文情况一直是各界关注的重点.同时,由于干流对支流的影响,减弱了支流水体的自净能力[2],因此成库后对库区支流水体污染情况,特别是对重金属和有机物污染状况的调查尤为重要.

    铅、镉广泛存在于自然界中,是人体非必需元素,正常环境状态下一般含量很低,不会对人体健康造成影响.随着城市工业化、都市化的发展,大量的铅、镉连续不断地进入大气、土壤和水体,城市近郊土壤和水体中,铅、镉含量己经远远超过世界土壤的背景值,对环境造成潜在威胁,这些重金属在水中不能被分解,而且这些重金属还可以通过食物链富集,如果这些重金属通过食物链被人体吸收后,会导致人体内的蛋白质和酶失去活性,此外还可以在人体的某些器官中累积,最终导致慢性中毒[3-4].本研究对三峡库区位于主城区的3条重要支流(綦江、一品河和嘉陵江水)体中的铅、镉的含量进行分析和比较,旨在为对库区重要支流中重金属污染的状况提供数据参考.

    由于社会经济的发展和人类活动导致部分有机农药进入到水环境中,这些有机农药大多具有致癌、致畸、致突变的性质,因此有必要对水体中的有机农药污染状况进行调查.六六六属于有机氯农药,并且对人、畜都有一定的毒性,所以20世纪60年代末我国已经停止生产并禁止使用六六六,但是有机氯农药结构稳定,具有持久性、亲酯性和难降解性,在我国地表水中还是能检测到痕量残留的六六六[5-7],因此有必要检测地表水中六六六的含量.与有机氯农药相比,有机磷农药在环境中的降解速度很快,几乎不会在生物体内积累,因此有机磷农药在我国使用率非常高[8].但是甲基对硫磷属于高毒有机磷农药,可以抑制乙酰胆碱酯酶的功能,因此水环境中的甲基对硫磷浓度调查可以在一定程度上指导有机磷农药的合理使用.五氯酚及其钠盐可用于除草剂、杀虫剂、杀菌剂和木材防腐剂,属于致癌物且具有毒性,可造成免疫和内分泌紊乱以及不育等[9].研究水环境中的五氯酚含量,可以为合理使用五氯酚以及合理治理五氯酚污染提供参考资料.

    水体中的重金属和有机物在物理化学等的作用下容易富集在沉积物中,当外界条件发生改变时,这些重金属污染物和有机污染物又会重新释放出来造成二次污染[10-11].被污染的水体沉积物中的重金属和有机物含量一般比水体中的高,研究水体沉积物中重金属和有机物的含量规律可以了解水体中重金属和有机物的污染状况,并且可以在一定程度上反映水体受污染的情况[12].

    本研究紧密围绕《三峡后续工作库区生态与生物多样性保护专题实施规划(2011-2014年)》和《三峡后续工作总体规划》确定的规划原则、范围对象和目标任务,调查和研究了三峡库区3条支流(綦江、一品河、嘉陵江)水体和水体沉积物中的重金属(镉和铅)和有机物(五氯酚、六六六、甲基对硫磷)的含量状况,对三峡库区3条支流(綦江、一品河、嘉陵江)的水质情况进行了分析评价,旨在为三峡库区生态环境和保护生物多样性保护提供科学依据.

    1 实验部分 1.1 样品采集 1.1.1 水样的采集方法

    采用卡式盖采样器分层采集河流0.5~1 m的水样,水样采集后在现场进行初过滤并分装,按不同指标的测定方式进行预处理(如加酸、固定、低温保存等),在低温条件下尽快运回实验室进行分析测定.

    1.1.2 沉积物的采集方法

    由于土壤本身在空间分布上具有一定的不均一性,故采取多点采样,然后剔除杂物,均匀混合,使样品有充分的代表性.采样深度在底泥层下10~30 cm,用掘式采泥器采样,采样量1~2 kg,采集的样品反复按四分法弃取,最后留下所需的底泥样品量.采回来的样品自然风干后,经过磨碎、过筛和充分混匀,装瓶备用.

    1.2 水质评价方法

    参考《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[13]、《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[14]、《地下水质量标准》(GB/T14848-9)[15]、《渔业水质标准》(GB1607-89)[16]和《海水水质标准》(GB3097-1997)[17]制定了三峡库区河流水环境中铅、镉、五氯酚、六六六和甲基对硫磷的标准限值(表 1).参考《农用地土壤环境质量标准》(GB15618-201x)[18]、三峡库区土壤重金属的背景值[19]、土壤环境中有机磷农药的背景值[20]和海水中五氯酚的背景值[21]制定了三峡库区河流沉积物中铅、镉、五氯酚、六六六和甲基对硫磷的标准限值(表 2).用各个指标的实测质量浓度值与表 1的标准限值比对,确定该指标的水质类别.当不同类别标准值相同时,应遵循从优不从劣原则(如铅的实测质量浓度为0.05 mg/L与表 1的标准限值比对,确定该指标的水质类别为Ⅲ类).单项水质指标的实测质量浓度不满足Ⅴ类标准限值要求的称为劣Ⅴ类,则该指标需计算超过Ⅴ类标准限值的超标倍数,计算公式为

    表 1 三峡库区河流水环境质量标准项目标准限值
    表 2 三峡库区河流沉积物中几种重金属和有机污染物标准限值
    $ {{M}_{i}}=\frac{{{C}_{i}}-{{S}_{i}}}{{{S}_{i}}} $

    式中:Mi为某水质指标超过Ⅴ类标准限值的超标倍数;Ci为某水质指标实测质量浓度(mg/L);Si为某水质指标的Ⅴ类标准限值(mg/L).

    然后再根据水质类别对各个指标进行赋分,以便比较污染的程度.三峡库区河流水质单项指标赋分见表 3,三峡库区河流沉积物单项指标赋分见表 4.

    表 3 三峡库区河流水质单项指标评价标准及赋分
    表 4 三峡库区河流沉积物单项指标评价标准及赋分
    1.3 实验方法 1.3.1 水体中有机物的预处理方法

    取500 mL水样,加入5~10 g NaCl,混匀,分别在中性、碱性(用10 mol/L NaOH调节pH>11)和酸性(用1:1盐酸调节pH<2)的条件下各加入30 mL二氯甲烷萃取10 min,然后静置5 min,将二氯甲烷收集到圆底烧瓶中,并合并二氯甲烷,用无水硫酸钠脱水,先旋蒸到5 mL左右,再氮吹到0.5 mL左右,最后定容至1 mL,待测.

    1.3.2 水体中重金属的预处理方法

    量取50 mL混合均匀的水样于250 mL锥形瓶中,加入5 mL浓硝酸,置于电热板上加热,盖上小漏斗,保持溶液温度90~100 ℃,不沸腾加热回流30 min,移去小漏斗,蒸发至溶液为5 mL.冷却后,再加入5 mL浓硝酸,盖上小漏斗,继续加热回流.如果有棕色的烟生成,重复这一步骤(每次加入5 mL浓硝酸),直到不再有棕色的烟生成,将溶液蒸发至5 mL左右.冷却后缓慢加入3 mL 30%的过氧化氢,保持溶液温度90~100 ℃至不再有大量气泡生成,待溶液冷却,继续分次加入1 mL过氧化氢,直至只有细微气泡,移去小漏斗,加热蒸发至约5 mL.冷却后,定量转移至50 mL容量瓶中定容,待测.

    若样品中还有颗粒物,用抽滤装置0.45 μm醋酸纤维滤膜抽滤,或在2 000~3 000 r/min的转速下离心分离10 min.

    空白试验:用二次蒸馏水代替试样与样品同步进行消解.

    1.3.3 水体沉积物中重金属和有机物的预处理方法

    根据文献报道,分别就甲基对硫磷[22]、六六六[23]、五氯酚[24]和铅、镉[25]的测定对水体沉积物进行了预处理.

    1.4 数据分析与统计分析

    用Microsoft Office Excel,IBM SPSS Statistics 19处理数据.数据以平均值±1倍标准误差(Mean±SE)表示,所有统计方法的显著水平定为p<0.05.

    2 结果与分析

    对三峡库区3条支流(綦江、一品河和嘉陵江)每一支流的4个断面的水体中重金属镉、铅及有机物五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量浓度求平均值,以此作为该河流水体中重金属镉、铅及有机物五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量浓度.

    2.1 显著性差异比较

    分别用Duncan、LSD假定方差齐性对三峡库区3条支流(綦江、一品河和嘉陵江)水体和水体沉积物中重金属镉、铅及有机物五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量浓度作了单因素方差分析.

    2.1.1 水体中污染物在河流间的差异

    将3次不同时期3条支流4个断面水体中的铅、镉、五氯酚、六六六和甲基对硫磷的质量浓度求平均值(表 5),用单因素方差分析了数据之间的差异.分别以Duncan和LSD假定方差齐性,发现不同河流间水体中的镉、铅的质量浓度差异均不具有统计学意义(镉:F2,33=2.134,p=0.134;铅:F2,33=2.271,p=0.119).以Duncan和LSD假定方差齐性,发现不同河流间水体中的五氯酚的质量浓度差异具有统计学意义(五氯酚:F2,33=5.413,p=0.009),其中綦江水体中的五氯酚的质量浓度与一品河(p=0.017)、嘉陵江(p=0.004)水体中的五氯酚的质量浓度之间差异具有统计学意义,嘉陵江水体中的五氯酚的质量浓度最低.当以Duncan假定方差齐性时,不同河流间水体中的六六六的质量浓度差异不具有统计学意义(六六六:F2,33=2.992,p=0.068),但是当以LSD假定方差齐性时,綦江水体中的六六六的质量浓度与嘉陵江(p=0.024)水体中的六六六的质量浓度差异具有统计学意义.以Duncan和LSD假定方差齐性,发现不同河流间水体中的甲基对硫磷的质量浓度差异具有统计学意义(甲基对硫磷:F2,33=4.034,p=0.027),其中一品河水体中的甲基对硫磷的质量浓度与綦江(p=0.012)、嘉陵江(p=0.037)水体中的甲基对硫磷的质量浓度之间差异具有统计学意义,其中綦江水体中的甲基对硫磷的质量浓度最低.

    表 5 3条支流中水体中铅、镉、五氯酚、六六六和甲基对硫磷的质量浓度
    2.1.2 水体沉积物中污染物在河流间的差异

    将3次3条支流4个断面水体沉积物中的铅、镉、五氯酚、六六六和甲基对硫磷的质量浓度求平均值(表 6).用单因素方差对数据进行了分析.分别以Duncan和LSD假定方差齐性,结果表明这3条河流沉积物中的2种重金属铅、镉的质量浓度和3种有机物六六六、甲基对硫磷的质量浓度在河流之间差异均不具有统计学意义(镉:F2,9=1.718,p=0.233;铅:F2,9=0.576,p=0.581;六六六:F2,9=0.072,p=0.931;甲基对硫磷:F2,9=0.068,p=0.935).当以Duncan假定方差齐性时,发现这3条河流间水体沉积物中的五氯酚的质量浓度差异不具有统计学意义(五氯酚:F2,9=3.727,p=0.066),但是,当以LSD假定方差齐性时,发现綦江水体沉积物中的五氯酚的质量浓度与嘉陵江水体沉积物中的五氯酚的质量浓度差异具有统计学意义(p=0.023).

    表 6 3条支流中水体沉积物中铅、镉、五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量浓度
    2.2 水文水质评估

    由于我国水环境质量基准缺乏对我国国情的持续研究而且中国还未颁布水环境质量基准,为了便于研究和比较三峡库区綦江、一品河、嘉陵江的水生生境状况,因此根据本研究构建的三峡库区水体质量和水体沉积物质量的标准限值及评价标准(表 1-表 4),对綦江、一品河、嘉陵江水体和水体沉积物中的镉、铅、五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量浓度进行评价.

    依据国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),三峡库区3条支流(綦江、一品河、嘉陵江)水体中的镉的质量浓度除在綦江达到Ⅴ类水质标准外,一品河和嘉陵江水体中的镉的质量浓度均达到Ⅱ类水质标准;依据《农用地土壤环境质量标准》GB15618-201X(征求意见稿),这3条支流水体沉积物中的镉的质量浓度均未超标.依据国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),綦江、一品河、嘉陵江水体中的铅的质量浓度均达到Ⅲ类水质标准;与三峡库区土壤重金属铅的背景值相比,一品河水体沉积物中的铅的质量浓度未超标,但是綦江、嘉陵江水体沉积物中的铅的质量浓度均超标,其分值均为0分.依据国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),綦江、一品河、嘉陵江水体中的五氯酚的质量浓度和甲基对硫磷的质量浓度均达到Ⅰ类水质标准;与美国土壤农药残留限量标准相比,这3条支流水体沉积物中的五氯酚的质量浓度均未超标;根据美国土壤农药残留限量标准,这3条支流水体沉积物中的甲基对硫磷的质量浓度均超标,其中綦江、一品河、嘉陵江的分值分别为-1分、-1分、-2分.依据国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002),除了綦江水体中的六六六的质量浓度达到Ⅱ类水质标准外,其他2条支流水体中的六六六的质量浓度均达到Ⅰ类水质标准;根据《农用地土壤环境质量标准》GB15618-201X(征求意见稿),这3条支流水体沉积物中的六六六的质量浓度均未超标.结果见表 7表 8.

    表 7 三峡库区3条支流水体中的重金属镉、铅及有机物五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量类别及赋分
    表 8 三峡库区3条支流水体沉积物中的重金属镉、铅及有机物五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量类别及赋分
    3 结论

    1) 用单因素方差分别分析了綦江、一品河、嘉陵江水体和水体沉积物中的2种重金属(铅、镉)和3种有机物(五氯酚、六六六、甲基对硫磷)的质量浓度之间的差异.结果表明:水体中镉、铅的质量浓度在不同河流间差异不具有统计学意义,但是水体中的五氯酚、六六六、甲基对硫磷的质量浓度在河流间差异均具有统计学意义;水体沉积物中的镉、铅、六六六、甲基对硫磷的质量浓度在不同河流间差异均不具有统计学意义,但綦江水体沉积物中的五氯酚的质量浓度与嘉陵江水体沉积物中的五氯酚的质量浓度差异具有统计学意义.

    2) 綦江、一品河、嘉陵江基于重金属铅、镉及有机物五氯酚、六六六、甲基对硫磷的水体质量主要为Ⅰ-Ⅲ类,这3条支流水体沉积物中的甲基对硫磷的质量浓度均超标,此外綦江、嘉陵江水体沉积物中的铅的质量浓度均超标.

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    Investigation of the Pollution Status of Three Tributaries of the Yangzi River in Chongqing City
    YANG Jing1, QIN Ju1, ZENG Bo2, YANG Rui1, LONG Yun2     
    1. Key Laboratory on Luminescence and Real-Time Analysis, Ministry of Education/School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China;
    2. Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), Chongqing Key Laboratory of Plant Ecology and Resources Research in Three Gorges Reservoir Region, School of Life Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China
    Abstract: In a study reported in this paper, we analyzed and compared the differences in the contents of two heavy metals (lead and cadmium) and three organic compounds (pentachlorophenol, hexacostahdichloromethane and methyl parathion) in the water and sediments of the Jialing River, the Qijiang River and the Yipin River-three main tributaries of the Yangzi River in Chongqing, and evaluated the water quality of the three rivers based on lead and cadmium and pentachlorophenol, hexacostahdichloromethane and methyl parathion. Finally, we not only analyzed the significance of differences in the pollutant contents among the rivers, but also evaluated the water quality categories of the pollutants.
    Key words: the Qijiang River    the Yipin River    the Jialing River    organics    heavy metal    water quality assessment    
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