摘要：重金属是危害湖泊生态环境的主要物质，其空间分布特征、运移规律及循环过程影响着水生态系统的正常运转，准确、合理地评价重金属污染的潜在风险可为重金属污染防控与治理提供科学指导。文章基于2000-2022年我国湖泊水体中8种重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、Mn、As)含量，采用单项污染指数法分析了重金属污染的时空分布特征，揭示了重金属的汇源状态;利用内梅罗综合指数法对重金属污染的生态风险进行评价，并对重金属来源进行初步分析。结果显示：空间尺度上，重金属主要分布于中国南部、中东部工业发达且人口密度高的省份，Hg平均浓度均超《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质要求;时间尺度上，Hg在各时间段均超标，As在2006-2010年超标。污染评价指数显示，Hg各时段呈中度至严重污染，2011-2015年最严重，As和Cd本世纪早期污染高，2016-2022年有所改善。本研究可为湖泊水体的重金属污染管理提供理论支撑。
关键词：湖泊;重金属污染;时空格局;分布特征;污染评价
论文《我国湖泊水体重金属的时空分布特征及污染评价》发表在《湖北理工学院学报》，版权归《湖北理工学院学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
湖泊水体重金属污染是一个全球性的环境问题，具有富集性强、不可降解、毒性大和分布异质性等特点[1]。重金属的来源包括自然过程(如岩石风化、火山活动)和人为活动(如工业排放、农业施肥、城市污水等)[2]。在自然条件下，重金属通过水流、降雨和矿物水解等过程迁移进入湖泊[3]。然而，随着人类活动加剧，特别是工农业生产和城市化推进，重金属的释放量显著增加[4]。重金属分布通常受地形、流域土地利用、气候条件等多种因素的影响，表现出明显的空间差异性和时间变化性[3]。在空间尺度上，某些湖泊可能因地理位置或周边工业活动成为重金属分布的“热点”，而人为干扰较少的湖泊其金属污染程度相对较小。从时间尺度上来看，仅仅一场暴雨就可能将周边地表的重金属污染物冲刷进湖泊，导致短期内局部区域重金属浓度升高;而随着城市扩张、工业布局调整、气候变化等，湖泊水体的污染来源发生改变，重金属的污染程度和分布格局在中长期范围内发生演变[6-7]。因此，了解湖泊水体重金属的时空分布特点，对于制定有效治理措施和开展生态修复具有重要意义。
随着工业化和城市化进程加快，我国的湖泊水体重金属污染问题日益严重，许多湖泊受到了重金属污染，尤其是矿区、工业区和城市周边的湖泊，Cd、Cu、As等浓度常常超过国家标准[8-9]。以位于安徽省中部的巢湖为例，周围分布矿区和城市导致该湖泊遭受着Zn、Cu和Pb等重金属污染[10]。湖泊水体重金属污染呈现出空间分布不均的特点，即经济发达、工业化水平高、人口密集区的湖泊重金属污染风险高。这些重金属不仅影响水质，还对生态系统和人类健康构成威胁。研究表明，重金属在水体和沉积物中具有长期的生物累积特性，可通过食物链传递，最终影响到人类健康[11]。例如，Cd会在肾脏和骨骼中积累，导致肾脏功能受损，引发骨质疏松等疾病[12];Pb中毒会影响儿童的神经系统发育，导致智力下降、注意力不集中、多动等症状，或造成成人高血压、贫血等问题[13]。
研究人员使用了多种方法评估重金属的污染特征和潜在的生态风险，其中单项污染指数评价法及内梅罗指数评价法等是较为常用的方法[14]，能够有效地评价水体中重金属的污染程度，进而有助于深入剖析湖泊水体重金属污染的时空分布特征，明确不同区域、不同时段重金属污染的严重程度差异，为制定具有针对性的湖泊水体重金属污染治理策略提供支撑。当前我国关于湖泊重金属的研究主要聚焦于某些典型地区的代表性湖泊，如太湖[15]、鄱阳湖[16]和洞庭湖[2]，缺乏针对全国范围内、长时间尺度下的湖泊水体中重金属分布格局以及污染特征的系统研究，难以全面且深入地揭示重金属污染的长期演变规律以及区域性特征。因此，本研究收集了2000-2022年我国湖泊水体中的Cu、Cd、Pb、Hg、As、Cr、Ni、Zn 8种重金属含量，分析其在不同时间阶段和空间区域的变化趋势，并评估重金属的污染特征，以期为我国湖泊重金属的污染管理提供数据支撑和科学依据。
1 材料与方法
1.1 数据获取
以“重金属(Heavy Metal)、中国(China)、湖泊(Lakes)、水体(Water Body)”为关键词，在Web of Science(WOS)和中国知网(CNKI)的文献数据库中系统检索了2000-2022年我国湖泊重金属污染的相关研究。所选文献需符合以下标准：①在我国进行的实地研究;②记录了样点位置信息;③样品中重金属的浓度需按照严格的质量控制规范进行检测;④重金属含量数据需要包括平均值、范围值或标准差。有114篇文献被选入到数据集中进行后续研究，包括8种重金属元素(As、Hg、Cd、Ni、Pb、Cr、Zn、Cu)，分布在我国15个省、市、自治区的99个湖泊。
1.2 数据处理
将收集到的2000-2022年的湖泊水体重金属含量数据按照水体治理阶段进行划分。2000-2005年为第1阶段，为经济持续高速增长时期，废、污水和污染物排放量持续增长，虽然制定了COD、氨氮总量削减目标，但约束偏软，效果有限。2006-2010年为第2阶段，加大了入河、湖排污口整治力度，沿江城镇实施了污染隐患企业的“关停并转”，污水处理厂快速增加。2011-2015年为第3阶段，开始实施污染物总量控制和水质改善双约束指标机制，生态文明建设纳入“五位一体”总体布局，凸显了生态环境保护在国家发展战略中的重要地位。2016-2022年为第4阶段，“生态文明思想”得以形成并深入贯彻落实，“水十条”全面实施，反映了较为成熟的水体治理模式下湖泊水体的状况。
1.3 数据分析
1)单项污染指数评价法
将实测的某种污染物的浓度值与该污染物对应的环境质量标准值进行比较，从而确定该污染物的相对污染程度，用于评估水体或土壤中重金属等污染物的综合污染程度[17]。
[P_{i}=frac{C_{i}}{S_{i}} quad(1)]
公式(1)中，(P_{i})为单项污染指数，用于衡量第i种污染物的污染程度;(C_{i})是实测的第i种污染物的浓度值，通过实地采样、实验室分析等精确测定手段获得;(S_{i})为第i种污染物对应的环境质量标准值，参考《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ级水质要求，见表1。
表1 重金属的环境质量标准值(mg/L)
|重金属|Cu|Zn|Cr|Pb|Ni|Cd|Hg|As|
|标准值|10.0|50.0|50.0|20.0|0.05|0.005|0.0001|0.05|
2)内梅罗综合指数评价法
在单项污染指数评价法的基础上，考虑多种污染物同时存在时的综合污染效应，不仅关注各单项污染物的污染程度，还着重于综合评价整体环境的污染状况。
[P_{z}=sqrt{frac{left(P_{i, max }
ight)^{2}+left(P_{i, avg}
ight)^{2}}{2}}]
式(2)中，(P_{z})为内梅罗综合指数;(P_{i, max })为单项污染指数中的最大值，反映了最严重的单项污染情况;(P_{i, avg })是所有单项污染的平均值，体现了整体的平均污染程度。
单项污染指数及内梅罗指数的污染程度评价等级见表2。
表2 单项污染指数及内梅罗指数的污染程度评价等级
|等级|单项污染指数评价法|内梅罗综合指数评价法|
|1|(P_{i}leqslant1.0)，清洁|(P_{Z}leqslant0.7)，清洁|
|2|(1.0
|3|(2.0
|4|(P_{i}>3.0)，重度污染|(2.0
|5|-|(P_{Z}>3.0)，重度污染|
2 结果与分析
2.1 湖泊水体中重金属的空间分布情况
我国湖泊水体中重金属的空间分布情况如图1所示。根据图1，湖泊水体中Cu、Zn、Cr、Pb、Ni、Cd、Hg、As的平均浓度分别为0.0062、0.0338、0.0098、0.0091、0.0057、0.0015、0.0005、0.0144mg/L。与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质要求比较，Hg的平均浓度超过标准值5倍，其余重金属平均浓度均低于标准值。Hg污染主要集中在云南和东部平原地区。因为该地区矿业资源丰富，工业生产活动发达，化工、电子废弃物处理和有色金属冶炼等存在含Hg废水排放的现象，同时还存在化石燃料燃烧(特别是煤炭燃烧)排放[17]。
分析湖泊水体中重金属污染的空间分布情况，发现重金属污染主要集中在中国南部和中东部等工业发达、人口密度较高的省份，如江苏省、浙江省、安徽省等;而在工业欠发达、人口密度低的西北和东北地区，重金属浓度相对较低。这表明，我国湖泊水体重金属污染在空间分布上不均衡，污染程度与地区的经济发展水平相匹配。一项针对我国18个淡水湖泊重金属的污染评价研究显示，重金属污染程度与经济水平和地域有关[18]。中国南部和中东部地区经济发展迅速，采矿、冶金等重工业密集，产生大量含重金属废弃物及废水[19];中东部地区是重要的农业产区，使用的化肥、农药含重金属;南部地区多山地、丘陵，土壤、岩石中的重金属易在降水冲刷下进入湖泊水体[16,19]。
图1 我国湖泊水体中重金属的空间分布情况
2.2 湖泊水体中重金属的时间分布情况
我国湖泊水体中重金属污染的时间分布情况如图2所示。与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质要求比对，发现大多数重金属(如Cu、Cr、Ni、Cd)在第1阶段(2000-2005年)的浓度较高，而在近5年(2016-2022年)较低。这表明，随着时间推移，湖泊重金属负荷有所减少。21世纪的前10年是我国工业化、城镇化高速发展时期，工业和城市生活污水排放量急剧增加，导致湖泊沉积物中重金属含量增加[6]。根据国家统计局数据，2007年我国水体中的重金属污染物排放量为900t，2017年的重金属污染物排放量仅为182.5t，下降了近80%。我国在过去几十年中加强了环境保护和治理工作，实施了一系列环境政策和法规，对重金属污染进行了严格的管控和治理。例如，2012年发布《国家“十二五”重金属污染综合防治规划》，建立起了比较完善的重金属污染防治体系[2,20]，2015年发布《水污染治理行动》(简称“水十条”)，进一步制定了具体的水污染治理的行动方案[21]。此外，新兴的清洁生产技术和环保设施设备也使工业和城市生活废水得到了有效控制和治理。
值得注意的是，Hg在4个时间段内的浓度均超出《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质要求，As在2006-2010年同样超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质要求。根据《中国统计年鉴(2020年)》数据，我国废水中Hg的排放量达到8.43t/a，且是世界上最大的大气Hg排放国家，占世界Hg排放的29%[22]。资料表明，As的主要污染源包括工业排放、矿石开采及冶炼等，在分布有较多电镀产业和冶金行业的太湖流域和洞庭湖流域均发现了较高As含量的分布[23]。
图2 我国湖泊水体中重金属污染的时间分布情况
2.3 中国湖泊水体中重金属的污染评价
基于单项污染指数评价法不同时间段湖泊水体的重金属污染特征如图3所示。由图3可知，湖泊水体中Hg的单项污染指数均值呈现出不同程度的污染态势，2006-2010年间的单项污染指数均值反映污染程度为中度污染。这可能是由于当时部分工业发展伴随Hg排放、以煤炭为主的能源结构致使Hg沉降，从而导致汞进入湖泊并积累[2]。在其余3个时间段Hg的单项污染指数均值均达到重度污染级别。一方面，这与前期污染积累难以消除，以及Hg本身难降解及具有生物富集特性有关;另一方面，产业结构的变化或突发事件也会致使Hg排放量大幅增加[2]。As在2006-2010年呈现出轻度污染状况，可能与矿业活动、金属冶炼和制造业等含As废水排放等因素有关[2]。研究发现，Hg和As等重金属具有较高的生物毒性[9]，且不可被生物降解，长期保留在水生态系统中，影响底栖动物、鱼类等水生生物的生长和代谢功能，可能随食物网进入人体内，造成人体的神经、呼吸、免疫系统的损伤[3]。其余6种重金属在各个时间段内的单项污染指数均值所对应的水体污染程度均为清洁状态，即这些重金属在湖泊水体中的含量均处于合理范围之内，未对水体造成明显的污染影响。
图3 基于单项污染指数评价法不同时间段湖泊水体的重金属污染特征
基于内梅罗综合指数评价不同时间段湖泊水体的重金属污染特征如图4所示。由图4可知，湖泊水体中Hg污染状况较为严重，2000-2022年Hg污染程度处于重度污染级别，污染特征可能与当时经济快速发展、环境监管不足以及工业化进程加快有关;2011-2015年污染程度最重，源于此时间段Hg用量及排放量增加;2016-2022年，Hg污染状况有所改善，但是依然处于重度污染。As在2006-2016年同样呈现出中度污染情况，而到2016-2022年降低至清洁水平，表明通过近年来各项举措后，As污染有所改善。Cd污染呈现出阶段性污染特征，在2006-2010年达到了重度污染程度，源于当时农业施肥和工业排放对环境的影响尤为显著。
图4 基于内梅罗综合指数评价法不同时间段湖泊水体的重金属污染特征
3 结论
基于2000-2022年我国湖泊水体的重金属含量相关数据，针对重金属污染的时空分布格局以及污染特征展开了系统性分析。我国湖泊水体重金属分布在时间和空间上存在差异，与地区社会经济、人口分布有关，且随着各项水污染管理措施的实施有所改善。在空间维度上，我国湖泊水体重金属主要集中在南部和中东部等工业发达、人口密度较高的省份，产业和人口分布格局与湖泊水体重金属的分布状况密切相关。在时间分布上，As和Cd在本世纪早期存在较高污染程度，但在2016-2022年有所改善，Hg在各个时间段均呈现出中度至严重的污染程度，其中在2011-2015年间污染最为严重，需加强对Hg污染排放的管理。
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