基于PMF模型的龙子湖表层沉积物重金属源解析_丁怡丹.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023基于 PMF 模型的龙子湖表层沉积物重金属源解析丁怡丹,刘 微,吴 澳(蚌埠学院土木与水利工程学院,安徽 蚌埠 233030)摘 要:为了准确地鉴别龙子湖表层沉积物中重金属来源,从野外采集了 21 个沉积物样品,测定了沉积物中 Cd、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn 的含量,并用 PMF 模型进行了来源识别。研究结果显示,表层沉积物中六种重金属的平均含量分别为 1.31,29.20,436.8,30.93,27.58,151.7 mg/kg。除 Mn 外,其它五种重金属的平均含量均超安徽省土壤背景值,其中 Cd 超背景值程度最高。PMF 解析结果显示,龙子湖表层沉积物重金属主要受工农业活动、交通及土壤母质造成的自然来源的共同影响。其中,Mn 在沉积物中的积累以自然源为主,Cd、Zn 的来源以工农业排放为主,Pb、Cu 的积累则主要源自交通污染,Ni 具有自然和人为的共同来源。关键词:PMF;表层沉积物;重金属;源解析中图分类号:X142;X53 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0168-03 基金项目:安徽省大学生创新创业训练计划项目(No:S202011305062)。第一作者:丁怡丹(2000-),女,本科在读。Source Analysis of Heavy Metals in Surface Sediments ofLongzi Lake Based on PMF ModelDING Yi-dan,LIU Wei,WU Ao(College of Civil Engineering,Bengbu University,Anhui Bengbu 233030,China)Abstract:In order to accurately identify the source of heavy metals in the surface sediments of Longzi Lake,21sediment samples were collected from the field,the contents of Cd,Cu,Mn,Ni,Pb and Zn in the sediments weredetermined,and the source was identified by PMF model.The results showed that the mean concentrations of the sixheavy metals were 1.31,29.20,436.8,30.93,27.58,151.7 mg/kg,respectively.Except Mn,the meanconcentrations of the other five heavy metals in the surface sediments exceeded the soil background value of Anhuiprovince,and the degree of Cd exceeded the background value was the highest.PMF analysis results showed that theheavy metals in the surface sediments of Longzi Lake were mainly affected by industrial and agricultural activities,atmospheric deposition caused by traffic and natural sources caused by soil parent materials.Among them,theaccumulation of Mn in sediments was mainly from natural sources,the sources of Cd and Zn were mainly from industrialand agricultural emissions,the accumulation of Pb and Cu was mainly from traffic pollution,and Ni came from bothnatural and man-made sources.Key words:PMF;surface sediments;heavy metal;source analysis重金属作为一种典型的积累型污染物,它们在环境中具有降解困难、化学毒性明显、且持续时间较长等特点,对于环境质量造成了潜在的危害和生态风险1。近年来,随着城市化和工业化进程不断加快,重金属污染范围也在进一步扩大。沉积物作为水体环境中重要的组成部分,既是各种污染物的汇集地,也是对水质具有潜在影响的次生污染源。对沉积物中的重金属污染的研究也成为了近年来国内外学者研究的热点问题2-5。基于此,本文以蚌埠市龙子湖表层沉积物为研究对象,测定了湖泊沉积物中六种重金属 Cd、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn的含量,并用 PMF 模型对重金属的来源进行了识别,以期为龙子湖水环境资源保护提供依据。1 材料采集与方法介绍1.1 采样区域概况蚌埠是安徽省第一个设市的地级市,位于安徽中部偏东北地区,蚌埠地处中国南北地理分界线秦岭淮河一线,境内大部分为平原地带;龙子湖位于安徽省蚌埠市东南郊,雪华山、曹山和西芦山之间,呈三山夹一湖的独特风貌。龙子湖是蚌埠市东部的天然水域,水面面积为 8.4 平方千米,被国家环保总局批准为国家级生态示范区,是蚌埠市宝贵的自然资源、城市名片和山水园林城市的标志。第 51 卷第 2 期丁怡丹,等:基于 PMF 模型的龙子湖表层沉积物重金属源解析169 1.2 样品采集与处理利用谷歌地图划分区域,确立采样点位置和个数,再根据实地情况做调整,沿龙子湖东西两岸岸边采集 21 个表层沉积物样品,将采集到的沉积物样品分别放置在干净可密闭的聚乙烯袋中,并详细记录样品的位置及样品编号,储存在 0 4 下,并返回实验室进行检测和预处理。将经过冷冻的沉积物样品置于阴凉、干燥、通风良好的地方进行风干,除去残留在样品中的根、壳和其他碎屑,除去后用木棒在玛瑙研钵中进行研磨,通过 100 目的尼龙筛(孔径 0.149 mm)备用。重金属测定采用王水回流消解原子吸收分光光度法,具体实验步骤如下:(1)试样消解:实验中准确称量约 1 g 通过0.149 mm 的小孔径筛的沉积物样品,加少许蒸馏水润湿,加3 4 粒玻璃珠;加入 10 mL 硝酸溶液,浸润整个样品,电热板上微沸状态下加热 20 min(硝酸与沉积物中有机质反应剩余部分约6 7 mL,与下一步加入盐酸仍大约保持王水比例);加入20 mL 盐酸,盖上表面皿,放在电热板上加热 2 h,保持王水处于明显微沸状态;赶酸至湿盐状态,加10 mL 水溶解,用 50 mL容量瓶定容;(2)原子吸收分光光度法测定:采用 TAS-990 火焰原子吸收分光光度计对 Cd、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn 的含量进行分析测试。1.3 PMF 模型PMF 模型也称正定矩阵因子分解法是 Paatero 等开发的一种改进的受体模型,用于原分配的因子分析6。PMF 将矩阵 X(浓度矩阵)分解为因子得分矩阵 G、因子载荷矩阵 F 和残差矩阵 E,它的基本原理基于以下等式:X=GF+E。其中矩阵 F 定义为与 m 个化学同源物有关的 p 源的化学组成矩阵,G 矩阵描述了 p 源(因子)对 n 个取样点的贡献7。公式如下:xij=pk=1gikfkj+eij式中:Xij为 i 个样品中第 j 组分的浓度;gik为第 k 个源对i 样品的贡献;fkj为第 k 个排放源中 j 组分的含量;eij为 i 个样品中第 j 个组分的残值。在使用该软件时,不仅需要加载必需的浓度数据,不确定度(UNC)也是其必需量。PMF 的不确定度 uij的计算公式:uij=(EFc)2+(0.5+MDL)2(cMDL)uij=5/6MDL(cMDL)式中:c 为浓度;EF 为误差百分比;MDL 为方法检出限。1.4 数据分析使用 SPSS 19.0 对所有有关重金属元素的含量资料和数据进行分析和绘制,计算出具有描述性的数据(例如平均值、标准偏差和变异系数);用 PMF 5.0 软件完成沉积物中重金属的源解析。2 结果与讨论2.1 龙子湖沉积物中重金属含量的描述性统计龙子湖表层沉积物中重金属含量的描述性统计如表 1 所示,可以看出,除 Mn 外,Cd、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的平均含量都超过了安徽省土壤的平均背景值,分别是土壤背景值的13.5,1.43,1.038,1.037,2.45 倍,表现为 CdZnCuNiPbMn,其中 Cd 超土壤背景值倍数最高,值得关注。变异系数主要是一种用来比较不同样本分散性质的一个指标,变异系数越高,对于人为活动产生的干扰和影响作用越强,或者环境污染也就较严重,大于 30%的变异系数就是强变异,10%30%的变异就是中等变异,小于 10%的变异是弱变异8。变异系数从侧面反映了龙子湖不同区域的重金属含量的差异性。该研究中沉积物重金属含量的变异系数差异较大,范围为 29.62 105.3,除 Ni 变异系数为 29.62,属于中等变异外,其余五种元素的变异系数均大于 30,属于强变异,表明数据离散程度高,从侧面反应六种重金属空间分异明显,其来源可能受到外部环境的干扰。表 1 表层沉积物中重金属含量描述性统计(n=21)Table 1 Summary statistics of heavy metal concentrationsin surface sediment(n=21)重金属元素平均值/(mg/kg)标准差/(mg/kg)变异系数/%背景值/(mg/kg)Cd1.311.38105.30.097Cu29.2011.4439.1820.4Mn436.8153.535.14530Ni30.939.1629.6229.8Pb27.5815.1654.9726.6Zn151.7124.682.1462.02.2 模型因子数的确定首先,所有输入 EPA PMF 模型的数据都通过浓度/不确定度模型进行了检查,六种重金属元素都被归类为强类别,这表明它们都可以用于 PMF 分析。在因子分析中,确定因子的数量是关键,常用的确定方法有如 kaiser 标准化的正交旋转法9、特征值大于 1 等。在 PMF中,因子数量的选择更为折衷:太少的因子会将不同性质的源组合在一起,太多的因子会使真实因子进一步分离为两个或多个不存在的源10。研究中通过观察 Q 值的变化(包括 Qtrue 和Qrobust)来确定因子数,因为它可以提供运行拟合的比较。研究中将模型设置不同数量的因子数(3 7),采用 Robust模式,将运行次数设置为 20 次,再选择“随机起始种子数”选项随机选择一个初始点,然后按顺序运行 PMF 模型,因子数是 PMF 模型在寻求最优方案的关键参数,运行计算表明,3 个因子可以充分解释污染源的类别。所有沉积物样本的大多数残留误差在-3 到 3 之间,总变量的预测值与观测值之间有很好的相关性,最终提取了 3 个代表性因子。2.3 沉积物中重金属含量的 PMF 源解析利用 PMF 模型对沉积物受体样品进行解析,得到研究区内沉积物中重金属的源成分谱,由图 1 所示,因子 1 的主要载荷元素为 Mn,Ni,由表 1 可知 Mn 的平均含量 436.8 mg/kg 小于安徽省背景值 530 mg/kg,Ni 的平均含量 30.93 mg/kg 与安徽省背景值 29.8 mg/kg 接近,且 Mn 和 Ni 变异系数相对较小(35.14%、29.62%),说明沉积物中