广西宜昌河流域重金属污染的时空特征与源解析研究

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Spatiotemporal Characteristics and Source Apportionment of Heavy-Metal Pollution in the Yichang River Basin

本文聚焦亚热带季风区宜昌河流域，针对其水体重金属污染源复杂、时空变化机理不明的问题，研究人员采用多季节、多点位采样，综合运用水质指数(WQI)、皮尔逊相关、主成分分析(PCA)及正定/非负矩阵分解(PMF/NMF)模型，系统揭示了流域水质“丰水期稀释自净、平水期污染累积、枯水期部分恢复”的季节性规律，识别出“工业废水、城乡径流、基流地质背景、沉积物-污水耦合”四大主导污染源，并阐明了其随水文情势季节性演替的驱动机制。研究成果为南方丘陵流域的精准治污与季节性风险管控提供了科学依据。

　　

在工业化与农业集约化持续推进的今天，河流中的重金属污染因其高毒性、持久性和易于在生物体内累积的特性，已成为全球性的环境隐忧。采矿、冶炼、城市径流和农业活动将大量镉、铅、铬、锰、钼等金属元素排入水体，形成了复杂的多源复合污染格局。尤其在广西这类矿产资源丰富且承接东部产业转移的省份，中小流域正悄然成为潜在的重金属风险区。位于广西东部的宜昌河流域，既是花岗岩产区，又富含稀土和铅锌矿藏，同时还承受着农业种植的压力，是研究人类活动与自然过程叠加影响的典型样本。然而，关于这类亚热带山区小流域重金属污染如何随季节和空间动态变化，其背后的关键驱动源与迁移转化机制究竟如何，尚缺乏系统性的认识。为了解开这些谜团，一支研究团队深入宜昌河流域，展开了一场跨越丰、平、枯三个水文季节的“水质侦探”工作，并将成果发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。

为了系统回答上述问题，研究人员在宜昌河干流及主要支流上布设了34个地表水采样点，于2024年6月（丰水期）、10月（平水期）和2025年1月（枯水期）进行了三轮采样。他们测定了包括水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃–N)以及铜(Cu)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、钼(Mo)、铅(Pb)、钴(Co)、砷(As)在内的16项水质参数。研究的核心技术方法包括：基于中国地表水环境质量标准(GB3838-2002)构建的综合水质指数(WQI)用于评估整体水质状况；皮尔逊相关分析用于探究各参数间的线性关联；主成分分析(PCA)用于降维并识别主导的环境梯度；结合正定矩阵分解/非负矩阵分解(PMF/NMF)受体模型，对全季节数据矩阵进行分解，以定量解析不同污染源的贡献。

研究结果揭示了宜昌河流域水质清晰的时空演变图景。

3.1. 季节性变化特征分析

水质参数呈现显著的季节性差异。水温从丰水期29 °C的中位数降至枯水期的15.8 °C。溶解氧(DO)则与水温呈反向变化，中位数从丰水期的6.8 mg·L^-1增至枯水期的9.6 mg·L^-1。化学需氧量(COD)在枯水期出现峰值（中位数7.9 mg·L^-1），有两个点位甚至超过20 mg·L^-1的标准限值。氨氮(NH₃–N)浓度随时间呈轻微上升趋势，枯水期的数据范围已触及标准阈值线。重金属方面，铁和锰在部分点位出现超标，而铜和铁在丰水期的平均浓度和分布差异最大，汞和六价铬则在平水期平均浓度最高。

3.2. 综合水质指数(WQI)空间分布特征

WQI的空间分布图直观展示了水质的季节演变。丰水期，整体水质较好，上游森林丘陵区（如S2–S8）为“优”，中下游受农业面源和生活污水影响的河段多为“中”。平水期，径流减少导致自净能力减弱，水质普遍下降，“中”成为主导等级，上游部分“优”级点位消失。枯水期则表现出更强的空间异质性，中下游部分河段水质从“中”改善为“良”，这主要得益于农业活动减少，面源污染降低。然而，人口密集的北部区域（如S26点位）水质却恶化为“差”，形成了一个明显的“污染热点区”，原因是枯水期生活污水得不到充分稀释，加之水动力弱，污染物易于累积。

3.3. 多元分析：相关性、PCA和PMF/NMF

皮尔逊相关矩阵显示，不同季节参数间的关联模式不同。丰水期，COD与Mo、NH₃–N与Mn、Mn与Co等呈现强正相关，表明洪水冲刷同时抬升了有机物和金属浓度；DO则与Co、Mn、NH₃–N呈强负相关，反映了有机氮负荷和氧化还原敏感金属释放导致的耗氧过程。枯水期，NH₃–N与Mn的正相关性进一步增强，COD与As也呈正相关，表明低流速下氮和金属的积累效应；DO与Cu呈显著负相关，暗示沉积物中金属的释放。

主成分分析(PCA)提取出两个主导梯度。第一主成分(PC1，方差贡献22.4%)正方向承载水温(WT)、COD、Hg、Cr(VI)，负方向承载DO和Mo，可解释为“高温-污染综合轴”与“高氧-低污染轴”。第二主成分(PC2，方差贡献21.2%)正方向主要与Cu、Pb、Co相关，反映了“径流冲刷轴”。样本点按季节在图中明显分离：丰水期样本（蓝色）多位于PC2正方向，与Cu-Pb-Co轴对齐；平水期样本（橙色）多位于PC1正方向，与高温、有机/工业污染相关；枯水期样本（绿色）则聚集在PC1和PC2的负方向，靠近DO-Mo轴，代表低温、低污染负荷状态。

基于四因子模型的PMF/NMF源解析给出了更精细的污染源识别。因子1（贡献率38.2%）以WT、COD、Hg、Cr(VI)为特征，解释为“工业废水与热排放”。因子2（贡献率21.5%）以Cu、Pb、WT为特征，代表“农业与城市径流”。因子3（贡献率28.8%）以DO、pH、Mo、Cd为特征，反映“基流、自净化过程及地质背景输入”。因子4（贡献率11.5%）以NH₃–N、As、Mn为特征，指示“沉积物-污水相互作用”。季节贡献分析显示，丰水期以因子2（径流）为主，平水期以因子1（工业）为主，枯水期则以因子3（基流自净）和因子4（沉积物-污水）贡献相对上升。

空间上，不同季节主导因子分布各异。丰水期，因子2（城乡径流）主导中下游干流站点；平水期，因子1（工业废水）和因子2在城镇工业走廊贡献升高；枯水期，因子3（基流/自净）成为全流域主导贡献源，而因子4（污水-沉积物）在低流速河段重要性增加。

3.4. 人体健康与生态风险评估

基于溶解态金属浓度的风险评估表明，在所有季节和所有点位，非致癌危害指数(HI)均远低于阈值1，意味着在当前设定的成人饮水暴露场景下，非致癌风险处于可接受水平。生态风险指数(PERI)与HI呈弱到中度正相关，但这种耦合关系受水文条件严格调控。丰水期，由于强稀释作用，两者均较低且相关性弱；平水期，污染物输入影响增强，两者均升高且相关性最强；枯水期，PERI总体下降而HI空间异质性仍存，相关性中等。这揭示了水文过程在调控生态与健康风险共现程度中的关键作用。

在讨论与结论部分，研究团队对上述发现进行了整合与升华。宜昌河流域水质的时空变异，本质上是水文情势、污染输入和自然净化能力三者复杂互作的结果。研究清晰地揭示了“丰水期稀释、平水期累积、枯水期异质恢复”的季节动态，以及“上游清洁、中下游热点”的空间格局。多元分析方法共同指向了四大污染源过程：高温工业废水、暴雨驱动的城乡径流、富氧基流与地质背景输入、以及低氧条件下的沉积物-污水耦合释放。这些源并非一成不变，而是随季节水文情势发生主导地位的演替，形成了多源、季节性转换且过程驱动的污染模式。风险评估进一步证实，生态风险与健康风险的耦合强度也随水文条件而变，在平水期最为显著。

这项研究的核心意义在于，它不仅描绘了宜昌河流域重金属污染的“全景图”，更深入剖析了其背后随季节律动的“驱动引擎”。它将综合水质指数(WQI)评估、多元统计与受体模型源解析置于统一框架，首次在该流域系统揭示了重金属污染的多源贡献及其季节性主导机制，弥补了亚热带山区小流域相关系统研究的不足。研究成果明确指出，对于宜昌河这类流域的管理，必须采取季节性分异的策略：丰水期重点防范面源径流冲刷，平水期严控工业点源排放，枯水期则需关注生活污水累积与沉积物内源释放。这为南方丘陵地区流域的精准环境管理与污染源控制提供了直接、有力的科学依据，对保障区域水生态安全与人体健康具有重要的实践价值。