嘉兴市城市河网区多环芳烃污染源解析及生态风险评价

引用本文

杨延梅, 赵航晨, 孟睿, 何连生, 赵昊, 杜士林, 丁婷婷. 嘉兴市城市河网区多环芳烃污染源解析及生态风险评价[J]. 环境科学, 2020, 41(11): 4989-4998.

YANG Yan-mei, ZHAO Hang-chen, MENG Rui, HE Lian-sheng, ZHAO Hao, DU Shi-lin, DING Ting-ting. Sources and Ecological Risk Assessment of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Jiaxing River Network[J]. Environmental Science, 2020, 41(11): 4989-4998.

嘉兴市城市河网区多环芳烃污染源解析及生态风险评价

杨延梅¹, 赵航晨^1,2, 孟睿², 何连生², 赵昊^2,3, 杜士林², 丁婷婷²

1. 重庆交通大学河海学院, 重庆 400074;
2. 中国环境科学研究院环境分析技术测试中心, 北京 100012;
3. 华北理工大学建筑工程学院, 唐山 063000

收稿日期: 2020-03-11; 修订日期: 2020-05-13

基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07206-003）

作者简介: 杨延梅(1975~), 女, 博士, 教授, 主要研究环境污染和固体废弃物污染控制技术, E-mail:390644309@qq.com

通信作者: 孟睿, E-mail:815243@163.com

摘要: 为研究嘉兴市城市河网区水体中多环芳烃的污染水平和来源并进行生态风险评价，采用气相色谱-质谱法（GC-MS）对环境优控多环芳烃（PAHs）进行分析检测.结果表明，枯水期和丰水期分别检测出10种和16种优控PAHs，质量浓度范围分别为77.32~283.76ng ·L^-1和13.05~133.02ng ·L^-1，平均质量浓度分别为143.83ng ·L^-1和73.47ng ·L^-1；枯水期低环（2环和3环）占比79.18%，丰水期低环占比73.60%；嘉兴市河网区水体多环芳烃污染情况与国内外其他地区相比处于较低水平；采用同分异构比值法和主成分分析法进行污染来源分析，结果表明嘉兴市枯水期和丰水期河网水体中多环芳烃污染主要来源为城市面源污染、燃烧源以及交通污染源；Kalf风险熵值法评价结果表明，枯水期：萘（Nap）、苊烯（Acy）、二氢苊（Ace）、芴（Flu）、菲（Phe）、蒽（Ant）、荧蒽（Fla）、芘（Pyr）和苯并[a]蒽（BaA）以及∑PAHs为中等生态风险水平，丰水期：萘（Nap）、苊烯（Acy）、芴（Flu）、菲（Phe）、荧蒽（Fla）、芘（Pyr）、苯并[a]蒽（BaA）、苯并[b]荧蒽（BbF）、苯并[k]荧蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚苯[1，2，3-cd]芘（InP）和苯并[ghi]苝（BghiP）属于中等生态风险水平，∑PAHs为低生态风险水平；总体而言，嘉兴市河网水体中PAHs生态风险呈中等水平，有关部门需采取措施降低河网水体中PAHs的生态风险.

关键词: 多环芳烃(PAHs) 源解析同分异构比值法主成分分析生态风险评价

Sources and Ecological Risk Assessment of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Jiaxing River Network

YANG Yan-mei¹ , ZHAO Hang-chen^1,2 , MENG Rui² , HE Lian-sheng² , ZHAO Hao^2,3 , DU Shi-lin² , DING Ting-ting²

1. School of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;
2. Environmental Analysis Technology Test Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. School of Construction Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China

Abstract: In order to study the pollution source and ecological risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the Jiaxing river network, PAHs were analyzed by GC-MS. The results show that with the influence of rainfall and surface runoff in the wet season, the types and mass concentrations of PAHs in the river network of Jiaxing differ from the dry season. Ten and 16 priority PAHs were detected in the dry season and wet season, respectively. The average mass concentration of PAHs in the dry season was 143.83ng·L^-1 and 73.47ng·L^-1 in the wet season. The range of mass concentration of PAHs in the dry and wet season was 77.32-283.76ng·L^-1 and 13.05-133.02ng·L^-1, respectively, and 2-ring and 3-ring PAHs accounted for 79.18% in the dry season and 73.60% in the wet season. PAHs pollution in the river network of Jiaxing was at a low level compared with the domestic and foreign areas. The isomer ratio and principal component analysis found that the PAHs in the Jiaxing river network mainly come from urban non-point source pollution, combustion source, and traffic pollution in the dry season and wet season. The results of the Kalf risk entropy method show that in the dry season, naphthalene(Nap), acenaphthylene(Acy), acenaphthene(Ace), fluorene(Flu), phenanthrene(Phe), anthracene(Ant), fluoranthene(Fla), pyrene(Pyr), and benzo(a)anthracene(BaA) are at moderate ecological risk. In the wet season, Nap, Acy, Flu, Phe, Fla, Pyr, BaA, benzo(b)fluoranthene(BbF), benzo(k)fluoranthene(BkF), benzo(a)pyrene(BaP), indeno(1, 2, 3-cd)pyrene(InP), and benzo(g, h, i)perylene(BghiP) are at moderate ecological risk. In the dry season, ∑PAHs are at moderate ecological risk, and low in the wet season. On the whole, PAHs pollution in the Jiaxing river network presents moderate ecological risk levels, and measures to reduce the ecological risk of PAHs in the river network should be taken by the Departments concerned.

Key words: polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) source apportionment isomer ratio principal component analysis ecological risk assessment

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是指由2个或2个以上苯环或环戊二烯以稠环相连的一种芳香族化合物, 具有致癌、致突变和致畸变的作用^[1], 主要来源于石油、煤和生物质等的燃烧、城市面源污染、汽车尾气和石油泄漏等过程, 可通过大气干湿沉降、地表径流、工业废水和生活污水等途径进入环境^[2], 在大气-水体-沉积物之间进行转化, 具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性, 能通过饮水和暴露接触对人类健康和生态环境造成极大的危害^[3~5]. 20世纪80年代, 美国环保署(USEPA)将未带分支的16种PAHs列为环境中的优先控制污染物.

近年来国内外学者对多环芳烃在环境中的分布、来源及生态风险等做了大量的研究.何书海等^[6]应用同分异构体比值分析得到三亚河表层沉积物中PAHs主要来源于木柴、煤炭等燃烧; 王伟权等^[7]研究16种优控多环芳烃发现, 廉州湾和三娘湾海水中多环芳烃单体平均质量浓度总体上与其溶解度和极性呈正相关关系, 源解析显示夏季为燃烧源和石油源混合来源, 冬季为燃烧源; 汪慧娟等^[8]采用气相色谱-质谱法对海洋中33种生物体内16种优先控制PAHs含量调查发现, 生物体内PAHs来源主要为燃烧源和石油源; Nagy等^[9]在多瑙河匈牙利上端及其支流地表水中多环芳烃的研究发现, 水中多环芳烃总质量浓度在67~96ng ·L^-1, 以2环和3环为主, 沉积物中多环芳烃质量浓度在35.2~288.3ng ·L^-1, PAHs特征比反映多环芳烃主要为热源输入.

嘉兴是浙江省地级市, 位于浙江省东北部、长江三角洲杭嘉湖平原的腹心地带, 是长江三角洲重要城市之一.随着城市化、工业化的快速发展, 嘉兴市城市河网区受到了来自上游城市及自身生产生活产生的不同程度的污染.工业生产过程中煤和石油等能源的燃烧及农业产生的生物质燃烧均可造成河网水体中多环芳烃的污染; 同时嘉兴市水上交通发达, 航道和港口众多, 船舶和汽车的尾气排放及石油泄漏等城市面源污染均可导致河网受纳水体中多环芳烃质量浓度升高, 对城市生态环境和居民健康造成威胁.近年来针对长三角地区多环芳烃的研究逐渐增加^{[10, 11]}, 有关嘉兴市的污染情况却鲜见报道.因此, 本文以嘉兴市城市河网区为研究对象, 对河网水体中16种优控PAHs的质量浓度、组成、污染水平和污染来源进行了研究和探讨, 并对其生态风险进行了评价, 以期为嘉兴市开展多环芳烃的源头管理和污染防治提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 采样点布设

课题组于2019年3月(枯水期)和7月(丰水期)对嘉兴市城市河网进行了水样的采集, 分别布设了共20个点位(图 1), 位于嘉兴市河网区的各条主干河流, 覆盖嘉兴市南湖区和秀洲区.

图 1 嘉兴市河网采样点示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in the Jiaxing river network

1.2 样品采集与保存

采集河网表层水样, 使用2 L棕色磨口瓶储水, 采至瓶口溢流, 顶部完全充满不留空隙.现场加入硫代硫酸钠排除余氯干扰, 使用铝箔纸包覆的瓶塞封瓶, 样品运输过程中保持4℃避光.

1.3 样品前处理

自然水体中PAHs含量较低, 检测前采用固相萃取法进行富集.该方法有机溶剂使用量小, 污染小, 且安全性较高, 不易在富集过程中出现乳化现象. 2 L水样通过0.45 μm滤膜, 加入5 μL回收率指示物(2-氟联苯、对三联苯-D14), 用BUCHI公司E-916型快速固相萃取装置对水样中PAHs进行富集, SPE小柱采用C18(500 mg, 6 mL)与HLB(200 mg, 6 mL)串联, 萃取前分别用二氯甲烷、甲醇和去离子水各5 mL洗涤浸泡, 萃取结束后使用二氯甲烷与正己烷混合液(1 :1, 体积比)洗脱3次, 每次4 mL, 收集洗涤液并将C18和HLB小柱洗涤液混合.

1.4 仪器分析与试剂标准

采用气相色谱-质谱联用仪(Agilent GC-MS 7890B-5977B MSD)对水样中16种EPA优控PAHs进行分析检测, 2~3环PAHs：萘(Nap)、苊烯(Acy)、二氢苊(Ace)、芴(Flu)、蒽(Ant)和菲(Phe); 4环PAHs：荧蒽(Fla)、芘(Pyr)、苯并[a]蒽(BaA)和 (Chry); 5环PAHs：苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(BkF)、苯并[a]芘(BaP)和二苯并[a, h]蒽(DahA); 6环PAHs：茚并[1, 2, 3-cd]芘(InP)和苯并[g, h, i]苝(BghiP).GC-MS使用DB-5MS熔融石英毛细柱(柱长30 m, 内径250 μm, 液膜厚度0.25 μm), 初始80℃升温, 速率20℃ ·min^-1升温至180℃, 保持5 min, 再以10℃ ·min^-1的速率升至290℃, 保持10 min; 进样口温度为320℃, 载气为氦气, 流速为1 mL ·min^-1, 不分流, EI电离方式, 离子源温度300℃, 电子能量70 eV.通过16种PAHs标准液进行全扫(SCAN), PAHs各单体经谱库检索定性分析, 锁定各单体保留时间与特征离子, 采用SCAN模式对样品浓缩液进行测定分析.

本研究使用标准品由美国o2si公司提供, 有机试剂正己烷和二氯甲烷(色谱纯)由美国Tedia公司提供.

1.5 质量控制与质量保证

处理过程中通过设置平行样、程序空白与方法空白来进行质量控制与质量保证.平行样分析PAHs相对偏差小于7%, 为允许误差, 方法空白中无目标化合物检出.回收率指示物2-氟联苯与对三联苯-D14的平均回收率分别为76% ±6%和91% ±10%, 数据监测结果经回收率校正.

1.6 数据分析 1.6.1 多环芳烃污染来源解析

PAHs进入环境中的方式主要有:①石油源, 包括石油泄漏及城市面源污染; ②燃烧源, 包括城市交通的汽车尾气, 煤炭、石油等化石燃料和木材等生物质的燃烧^[12].不同种类的多环芳烃挥发性、吸附性及溶解性不同, 受环境影响易发生迁移转化, 故通常选择其同分异构特征比值来判断其来源^[13], 常用的有Ant/(Ant+Phe)、BaA/(BaA+Chry)和Fla/(Fla+Pyr); 其不同的比值范围表示PAHs的不同来源, 如表 1所示.

表 1 同分异构比值法鉴定PAHs污染来源 Table 1 Identification of PAHs pollution sources by the isomeric ratio method

通常该方法判断污染来源具有一定局限性, 可结合其他方法估算出各污染源中的多环芳烃污染贡献.

1.6.2 主成分分析

主成分分析能够从高维变量系统中筛选出主要独立的综合因子, 既保留原始主要信息, 也使彼此互不相关^[14].该方法应用于水环境质量评价中, 具有较高实用性, 能客观、准确和全面地评价水环境质量, 基本公式为：

(1)

式中, D是由m个样品对r个变量观测结果组成的矩阵; C是因子载荷矩阵, 表示源成分谱; R是因子得分矩阵, 表示污染源的贡献率.本研究采用软件IBM SPSS 22进行污染源分析.

1.6.3 生态风险评价

本研究采用Kalf风险熵值法^[15]对嘉兴市城市河网中多环芳烃进行生态风险评价：

(2)

(3)

(4)

式中, RQ为风险熵值, c_PAHs为水中某一PAHs单体的质量浓度; c_QV为某一PAHs单体所对应的风险标准值; RQ_NCs为最低风险浓度风险熵值, c_QV(NCs)为最低风险标准值; RQ_MPCs为最高风险质量浓度风险熵值, c_QV(MPCs)为最高风险标准值.RQ值适用于其中10种PAHs单体的生态风险评价, 其余6种PAHs(Ace、Acy、Fla、Pyr、BbF和DahA)单体使用毒性等效因子来推断其RQ_NCs和RQ_MPCs, Ace、Acy、Pyr和Fla使用Ant的风险标准值, BbF使用BaA的风险标准值, DahA使用BaP的风险标准值^[16]; 当RQ_NCs小于1表示风险较低, 可以忽略; RQ_NCs大于1且RQ_MPCs小于1时, 表示处于中等风险, 应采取措施防止进一步污染; RQ_MPCs大于1表示可能已经造成了严重污染, 需要引起重视, 积极治理污染, 风险等级分级情况见表 2^[17].

表 2 单体PAHs与ΣPAHs风险等级分级¹⁾ Table 2 Risk grading of monomeric PAHs and ΣPAHs

2 结果与讨论 2.1 嘉兴市河网多环芳烃的污染水平

嘉兴市枯水期与丰水期城市河网中PAHs质量浓度情况如表 3所示：①枯水期, 嘉兴市河网水体中共检测出10种优控PAHs, 各点位ΣPAHs质量浓度范围77.32~283.76ng ·L^-1, 平均质量浓度为143.83ng ·L^-1.10种多环芳烃中Nap和Phe污染分布较为广泛, 检出率均为100%.枯水期河网中9号点位10种PAHs均有检出, 总质量浓度最高, 为283.76ng ·L^-1, 该点位于嘉兴市河网京杭运河航段, 处于多港交汇处, 航运过程中的尾气排放及港口石油、燃料泄漏等情况均可造成该处PAHs质量浓度较高, 同时受两岸密集生活区影响, 来自城市面源的多环芳烃污染物通过干湿沉降汇入河网, 使该点位PAHs污染情况突出; ②丰水期, 嘉兴市降雨频率、雨量及地表径流量增加, 促进了包括交通污染在内的城市面源污染向河网水体中输入, 导致丰水期16种PAHs均有检出.与枯水期相比, 丰水期河网中PAHs浓度较低, ΣPAHs质量浓度范围为13.05~133.02ng ·L^-1, 平均质量浓度73.47ng ·L^-1, 约为枯水期平均浓度50%.其中2号点位ΣPAHs>为20个采样点中质量浓度最高点, 为133.02ng ·L^-1, 该点位远离城市人口密集区, 受工业生产、农业废弃物燃烧影响比重较大.③丰水期嘉兴市河网水体中部分点位检测出高毒性多环芳烃苯并[a]芘(BaP), 我国集中式生活饮用水地表水源地BaP限值为2.8 ng ·L^-1^[18], 丰水期嘉兴市BaP质量浓度的超标率为10%, 当地有关部门应当予以重视.

表 3 嘉兴市枯水期和丰水期河网中PAHs质量浓度情况¹⁾ Table 3 PAHs mass concentration in the Jiaxing river network in the dry season and wet season

PAHs	环数	枯水期			丰水期
PAHs	环数	质量浓度范围/ng·L^-1	平均质量浓度/ng·L^-1	检出率/%	质量浓度范围/ng·L^-1	平均质量浓度/ng·L^-1	检出率/%
萘(Nap)	2	28~62.65	39.69	100	ND~47.44	25.29	85
二氢苊(Ace)	3	ND~27.75	12.16	45	ND~7.83	0.44	15
苊烯(Acy)	3	ND~25.74	5.02	20	ND~5.71	1.34	45
芴(Flu)	3	ND~27.93	15.05	55	ND~24.14	5.71	95
菲(Phe)	3	17.9~26.04	21.90	100	4.5~33	20.68	100
蒽(Ant)	3	ND~27.24	20.06	85	ND~6.95	0.61	15
荧蒽(Fla)	4	ND~32.03	15.55	65	0.95~9.7	4.57	100
芘(Pyr)	4	ND~29.33	12.24	55	0.89~36.83	7.88	100
苯并[a]蒽(BaA)	4	ND~31.36	1.57	5	ND~13.82	1.27	45
(Chry)	4	ND~11.67	0.58	5	0.24~15.39	1.95	100
苯并[b]荧蒽(BbF)	5	ND	—	0	ND~8.22	0.54	20
苯并[k]荧蒽(BkF)	5	ND	—	0	ND~8.31	0.62	25
苯并[a]芘(BaP)	5	ND	—	0	ND~9.3	0.64	15
二苯并[a, h]蒽(DahA)	5	ND	—	0	ND~4.53	0.44	10
茚并[1, 2, 3-cd]芘(InP)	6	ND	—	0	ND~8.26	0.70	20
苯并[g, h, i]苝(BghiP)	6	ND	—	0	ND~8.48	0.80	20
ΣPAHs	—	77.32~283.76	143.83	—	13.05~133.02	73.47	—
1)“ND”表示未检出; “ —”表示无对应值

表 3 嘉兴市枯水期和丰水期河网中PAHs质量浓度情况¹⁾ Table 3 PAHs mass concentration in the Jiaxing river network in the dry season and wet season

根据枯水期和丰水期各相对分子质量PAHs组成可以看出(图 2)：①枯水期嘉兴市城市河网水体中多环芳烃主要以2环和3环为主, 其中低环(2~3环)占比为79.18%, 中环(4环)占比20.82%, 20个采样点中高环PAHs(5~6环)浓度均低于检测限; 枯水期低环PAHs中Nap所占比重较大, 平均占比约为总PAHs的30%, 其次为Ace、Acy、Ant和Fla等, 表明嘉兴市枯水期河网水体中多环芳烃污染与石油泄漏和化石燃料等的燃烧有关.②丰水期嘉兴市河网水体中多环芳烃以2、3和4环为主, 中低环(2~4环)占总PAHs比例为94.94%;其中低环(2~3环)的比例为73.60%;丰水期高环PAHs(5~6环)占比较枯水期有明显上升, 可能由于丰水期雨量及降雨频率的提高, 包括交通尾气排放、餐饮和地表沉积物等城市面源污染产生的PAHs以及冶炼、窑炉和热力公司等有燃煤需要企业的PAHs排放经降雨和地表径流输入到水体中, 增加了可检测PAHs的种类, 同时中低环PAHs(2~4环)仍为主要相对分子质量组成成分, 表明丰水期河网水体中多环芳烃污染与石油泄漏、煤等化石燃料燃烧和汽车尾气排放有关.

图 2 枯水期和丰水期各相对分子质量PAHs组成 Fig. 2 Composition of PAHs in the dry season and wet season

为进一步了解嘉兴市河网水体中多环芳烃的污染水平, 将其与国内外水体多环芳烃污染情况对比可以看出(表 4), 嘉兴市枯水期和丰水期多环芳烃平均质量浓度低于银川市、温州市、西安市和马鞍山市; 高于长江重庆段、大冶湖、美国Narragansett海湾、加拿大Athabasca区地表水、印度Ganges河和美国密西西比河.其中, 嘉兴市枯水期、丰水期多环芳烃污染水平远低于同省的温州市, 可能由于嘉兴市人口数量及工业发展规模与温州不同导致^[19]; 与发达国家相比, 如美国Narragansett海湾河密西西比河, 嘉兴市丰水期水体中多环芳烃平均质量浓度与其较为接近.与国内外不同地区水质情况相比嘉兴市河网水体中多环芳烃污染水平低于国内大部分地区且与国外部分地区多环芳烃污染水平较为接近.

表 4 嘉兴市河网多环芳烃与国内外其他地区比较¹⁾ Table 4 Comparison of PAHs in the Jiaxing river network with other regions at home and abroad

2.2 嘉兴市河网多环芳烃源解析 2.2.1 同分异构体比值法

同分异构比较结果显示(图 3), 枯水期85%的Ant/(Ant+Phe)值分布于0.1~0.6之间, 15%处于0~0.1区间, 且Fla/(Fla+Pyr)值均在0.5~0.8之间, 表明嘉兴市城市水体中PAHs主要是来自于石油、煤炭和生物质等的燃烧, 同时BaA/(BaA+Chry)值均处于0.35~0.8之间, 表明枯水期嘉兴市河网水体中除部分点位PAHs污染受石油源影响外, 大部分PAHs污染来自于包括交通污染在内的燃烧源.枯水期20个采样点中, 石油源和燃烧源的混合污染源占比为15% ~20%, 煤炭和生物质燃烧源占比80% ~85%, 表明嘉兴市河网水体中多数PAHs来源与煤/生物质等的燃烧以及交通污染有关.

图 3 枯水期嘉兴市河网PAHs来源 Fig. 3 PAHs source of the Jiaxing river network in the dry season

丰水期特征比值结果显示(图 4), BaA/(BaA+Chry)值在石油源、石油燃烧和交通污染源/生物质燃烧源3个区间内具有点位分布, 且Ant/(Ant+Phe)在0~0.1区间点位较枯水期数量增加, 表明丰水期由于雨量及降雨频率的增加, 在地表径流的影响下水体中PAHs来源增多, 其中以石油源为主的城市面源污染PAHs输入提高; 丰水期20个采样点中, 石油源和燃烧源的混合污染源占比为30% ~70%, 石油燃烧和煤/生物质燃烧源和交通污染源占比为20% ~55%, 表明丰水期嘉兴市河网水体中石油源多环芳烃环境输入量较枯水期明显提高, 同时燃烧源和交通污染源仍为PAHs主要来源.

图 4 丰水期嘉兴市河网PAHs来源 Fig. 4 PAHs source of the Jiaxing river network in the wet season

2.2.2 主成分分析法

采用IBM SPSS 22软件进行主成分分析, 通过主因子载荷识别PAHs的来源类型, 再根据污染源贡献率判定其来源.一般情况下, 环境中PAHs源可分为以下几类, 中低环PAHs主要来源于石油产品的泄漏、生物质和化石燃料的燃烧; 中高环PAHs由煤、石油和木材等高温燃烧以及交通污染产生.

将20个点位的优控PAHs进行主成分分析, 结合极大值旋转, 抽取特征值大于1的因子, 通过PAHs主成分分析可知(表 5), 枯水期提取到的前4个因子特征值均大于1, 累计方差为79.089%, 其中因子1为石油源, 解释了总方差的24.704%, 结合多环芳烃载荷可以看出(图 5), 因子1主要载荷为Nap、Ace、Flu和Phe, 其中Nap为石油源污染, Ace和Flu属于低环PAHs, 主要来自于石油的泄漏与挥发^[30], Phe为煤燃烧指示物; 因子2可作为燃气/生物质燃烧源, 解释了总方差的23.603%, 主要载荷为Acy、BaA和Chry, 其中Acy为木材燃烧的标志物, 代表生物质燃烧源, 研究表明BaA是天然气燃烧指示物^[31], Chry可作为煤燃烧指示物; 因子3为燃煤/焦炉源, 解释了总方差19.118%, 主要载荷为Fla和Pyr, 二者均为煤等化石燃料燃烧指示物, 其中Fla可作为工业焦炉指示物^[20]; 因子4为燃煤源, 解释了总方差的11.664%, 主要载荷Ant属于低环多环芳烃, 属于煤燃烧指示物^[32].综合来看, 枯水期嘉兴市城市河网PAHs污染主要来源为煤、石油的燃烧以及石油源污染.

表 5 枯水期和丰水期嘉兴市河网水体中PAHs主成分分析¹⁾ Table 5 Principal component analysis of PAHs in the river network of Jiaxing in the dry season and wet season

PAHs	枯水期因子				丰水期因子
PAHs	1	2	3	4	1	2	3
Nap	0.365	-0.115	-0.100	0.304	-0.095	0.007	0.179
Acy	0.105	0.359	-0.324	-0.119	-0.022	0.269	0.182
Ace	0.355	-0.008	-0.097	-0.024	0.061	0.397	-0.111
Flu	0.299	-0.157	0.146	-0.193	0.050	0.394	-0.099
Phe	0.356	0.048	-0.157	-0.054	-0.038	0.094	0.386
Ant	-0.002	-0.028	-0.071	0.851	0.112	0.016	-0.024
Fla	-0.040	-0.065	0.502	-0.114	-0.014	-0.071	0.391
Pyr	-0.130	0.024	0.468	0.036	-0.040	-0.106	0.295
BaA	-0.128	0.399	0.106	0.023	0.109	0.009	-0.014
Chry	-0.128	0.399	0.106	0.023	0.111	0.025	-0.017
BbF	—	—	—	—	0.099	0.012	0.032
BkF	—	—	—	—	0.106	0.020	0.013
BaP	—	—	—	—	0.100	0.002	0.026
InP	—	—	—	—	0.108	0.016	0.004
DahA	—	—	—	—	0.111	0.032	-0.025
BghiP	—	—	—	—	0.112	0.022	-0.018
方差贡献率/%	24.704	23.603	19.118	11.664	57.767	16.170	14.163
累计方差贡献率/%	24.704	48.307	67.425	79.089	57.767	73.937	88.100
源指示意义	石油源	燃气/生物质燃烧源	燃煤/焦炉源	燃煤源	交通污染源	石油源	燃煤/焦炉源
1) “—”表示无对应值

表 5 枯水期和丰水期嘉兴市河网水体中PAHs主成分分析¹⁾ Table 5 Principal component analysis of PAHs in the river network of Jiaxing in the dry season and wet season

图 5 枯水期和丰水期PAHs载荷 Fig. 5 Loading diagram of PAHs in the dry season and wet season

丰水期提取到前3个特征值大于1的因子, 累计方差为88.100%, 因子1属于交通污染源, 解释了总方差的57.767%(表 5), 结合PAHs载荷可直观地看出因子1主要载荷为Ant、BaA、Chry、InP、BbF、BkF、BaP、DahA和BghiP(图 5), 其中, Ant和Chry为燃料、煤燃烧指示物, InP、DahA和BghiP等高环PAHs为柴油燃烧及汽车尾气的交通污染源的指示物^[33]; 因子2为石油源, 解释了总方差的16.17%, 主要载荷为Ace、Acy和Flu, Ace和Flu与因子2相关性较高, 二者主要来源于石油泄漏与挥发; 因子3为燃煤/焦炉源, 解释了总方差的14.163%, 主要载荷为Phe、Pyr和Fla, 其中Phe和Pyr是煤燃烧指示物, Fla也可指示工业焦炉污染来源.综合来看, 丰水期嘉兴市城市河网中PAHs主要来源为交通污染, 同时石油源和煤的燃烧仍然是水中PAHs的重要来源.

嘉兴市作为典型的平原河网区城市, 水运交通发达, 港口数量多, 在航运工具运输的过程中, 存在石油类燃料泄漏的情况, 可对航道水体中PAHs含量产生影响; 工业作为嘉兴市的第二产业, 石油、煤炭和生物质等能源的燃烧不可避免地增加了生产过程中多环芳烃的环境输入, 且随着经济的迅速增长, 汽车保有量增加^[34], 以尾气排放等形式为主的交通污染源PAHs贡献量增加; 丰水期降雨量、降雨频率提高, 城市面源污染及交通污染产生的多环芳烃随地表径流向城市河网汇集, 导致丰水期水体中多环芳烃的交通污染来源所占比例较枯水期有所增加.

2.3 嘉兴市河网多环芳烃生态风险评估

多环芳烃生态风险评估结果表明(表 6), 单体PAHs生态风险情况为：枯水期中Chry以及丰水期中Ace、Ant、Chry和DahA等物质的RQ_NCs < 1, 处于低风险状态; 枯水期Nap、Acy、Ace、Flu、Phe、Ant、Fla、Pyr和BaA, 丰水期Nap、Acy、Flu、Phe、Fla、Pyr、BaA、BbF、BkF、BaP、InP和BghiP等物质的RQ_NCs>1且RQ_MPCs < 1, 表明这几类PAHs在河网水体中存在中等程度上的风险, 需要采取进一步措施来控制其在河网中的污染, 防止对生态环境和居民健康带来不利影响; 枯水期嘉兴市河网水体中ΣPAHs生态风险熵值RQ_NCs < 800, 且RQ_MPCs>1, 表明嘉兴市河网水体中多环芳烃生态风险在枯水期属于中等水平; 丰水期ΣPAHs生态风险熵值RQ_NCs在[0, 800]内, 且RQ_MPCs < 1, 表明嘉兴市河网水体中多环芳烃在丰水期处于低生态风险水平.

表 6 嘉兴市水体PAHs生态风险评价¹⁾ Table 6 PAHs ecological risk assessment of the Jiaxing river network

PAHs	风险标准值/ng·L^-1		枯水期			丰水期
PAHs	NCs	MPCs	平均值/ng·L^-1	RQ_NCs	RQ_MPCs	平均值/ng·L^-1	RQ_NCs	RQ_MPCs
萘(Nap)	12	1 200	39.69	3.31	0.03	25.29	2.11	0.02
苊烯(Acy)	0.7	70	5.02	7.17	0.07	1.34	1.91	0.02
二氢苊(Ace)	0.7	70	12.16	17.37	0.17	0.44	0.63	0.01
芴(Flu)	0.7	70	15.05	21.50	0.22	5.71	8.16	0.08
菲(Phe)	3	300	21.90	7.30	0.07	20.68	6.89	0.07
蒽(Ant)	0.7	70	20.06	28.66	0.29	0.61	0.87	0.01
荧蒽(Fla)	3	300	15.55	5.18	0.05	4.57	1.52	0.02
芘(Pyr)	0.7	70	12.24	17.49	0.17	7.88	11.26	0.11
苯并[a]蒽(BaA)	0.1	10	1.57	15.70	0.16	1.27	12.70	0.13
(Chry)	3.4	340	0.58	0.17	0.00	1.95	0.57	0.01
苯并[b]荧蒽(BbF)	0.1	10	ND	—	—	0.54	5.40	0.05
苯并[k]荧蒽(BkF)	0.4	40	ND	—	—	0.62	1.55	0.02
苯并[a]芘(BaP)	0.5	50	ND	—	—	0.64	1.28	0.01
茚并[1, 2, 3-cd]芘(InP)	0.4	40	ND	—	—	0.70	1.75	0.02
二苯并[a, h]蒽(DahA)	0.5	50	ND	—	—	0.44	0.88	0.01
苯并[g, h, i]苝(BghiP)	0.3	30	ND	—	—	0.80	2.67	0.03
ΣPAHs	—	—	—	123.85	1.24	—	60.15	0.60
1)“ND”表示未检出; “—”表示无对应值

表 6 嘉兴市水体PAHs生态风险评价¹⁾ Table 6 PAHs ecological risk assessment of the Jiaxing river network

3 结论

(1) 嘉兴市城市河网水体中枯水期和丰水期分别检测出10种和16种优控PAHs, 质量浓度范围分别为77.32~283.76ng ·L^-1和13.05~133.02ng ·L^-1, 平均质量浓度分别为143.83ng ·L^-1和73.47ng ·L^-1; 枯水期和丰水期水体中PAHs主要以低环(2~3环)为主; 嘉兴市城市河网水体中多环芳烃污染与国内外其他地区相比处于较低水平.

(2) 枯水期与丰水期污染源解析结果表明, 嘉兴市水体中PAHs污染主要来自城市面源污染以及石油、煤的燃烧和交通污染.

(3) 生态风险评估结果表明, 嘉兴市城市河网水体PAHs总体上呈中度生态风险, 从饮用水源和暴露接触的角度出发, 有关部门需要采取措施降低河网水体中PAHs生态风险水平.

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环境科学 2020, Vol. 41 Issue (11): 4989-4998	PDF