漓江上游青獅潭灌區(qū)干支渠沉積物重金屬分布規(guī)律及來(lái)源解析

李 旗，白凱華，姜大偉，代俊峰，張紅艷，萬(wàn)祖鵬

（1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004；3.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；4.建材桂林地質(zhì)工程勘察院有限公司，廣西 桂林 541002）

0 引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)區(qū)域環(huán)境與食品安全構(gòu)成潛在威脅［1］。稻田中重金屬除了來(lái)自灌溉用水的貢獻(xiàn)外，灌渠沉積物貢獻(xiàn)值在56%～72%之間，是不可忽視的污染源［2，3］，灌渠沉積物中的重金屬元素若進(jìn)入食物鏈，則可能對(duì)人體健康造成損害。Gu 等［4］利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)華南某典型農(nóng)村灌溉渠道沉積物重金屬分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明當(dāng)?shù)剞r(nóng)村環(huán)境正在惡化。李?lèi)傉训龋?］通過(guò)PMF 法與改進(jìn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法解析出白洋淀的河湖沉積物重金屬的主要來(lái)源。Chai 等［6］結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和PMF 模型，評(píng)估蘭州耕地土壤中的重金屬污染程度，并定量分析自然和人為因素的影響。

桂林市漓江流域上游的青獅潭水庫(kù)沉積物的重金屬污染特征研究表明，青獅潭水庫(kù)沉積物中以Cd 與As 為主要污染重金屬元素［7］。青獅潭水庫(kù)灌區(qū)以青獅潭水庫(kù)為主要水源，承擔(dān)桂林市的農(nóng)業(yè)灌溉、防汛抗旱、城鄉(xiāng)供水等功能，灌區(qū)內(nèi)灌渠的沉積物重金屬污染情況值得關(guān)注。針對(duì)青獅潭水庫(kù)灌區(qū)灌渠重金屬研究缺乏的情況，本文研究青獅潭水庫(kù)灌區(qū)干支渠不同水文時(shí)期（季節(jié)）重金屬含量變化以及時(shí)空分布特征，進(jìn)行渠道沉積物的重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與來(lái)源分析，以期為青獅潭水庫(kù)灌區(qū)重金屬的污染防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 青獅潭水庫(kù)灌區(qū)西干渠

青獅潭水庫(kù)灌區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市漓江流域上游，保證靈川縣、臨桂區(qū)和桂林市五城區(qū)共15 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田灌溉用水需求，并可為枯水期旅游補(bǔ)水和城市（城鎮(zhèn)）供水提供水源。灌區(qū)工程分為干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠等四級(jí)渠系，其中干渠分東西兩條，東干渠全長(zhǎng)51.5 km，西干渠全長(zhǎng)63.5 km。西干渠的支渠包括甘棠支渠、白鶴支渠、秧塘支渠、桂林支渠、馬面支渠、金龜河（支渠）。灌區(qū)實(shí)際灌溉面積34.63 萬(wàn)畝，作物種類(lèi)以水稻為主，水田灌溉面積點(diǎn)總灌溉面積79%。灌區(qū)水稻多為雙季稻種植制度，早稻生育期一般為每年的4月中旬至7月中旬，晚稻生育期為7月下旬至10月中旬。

1.2 樣品采集與測(cè)定

在青獅潭灌區(qū)西干渠及金龜河（支渠）、桂林支渠、馬面支渠的渠首與渠尾等處布設(shè)了9 個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），各采樣點(diǎn)渠道及其周邊環(huán)境特征見(jiàn)表1。并根據(jù)水稻生育期，在晚稻灌溉季節(jié)（2020年9月17日，平水季節(jié)）與非灌溉季節(jié)（2020年12月13日，枯水季節(jié)）采集了灌渠的渠底沉積物樣品，分析銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）等元素的含量。

表1 采樣點(diǎn)渠道特征及其環(huán)境特征Tab.1 Channel characteristics and environmental characteristics of sampling points

圖1 西干渠渠系采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points in the west main canal system

每個(gè)采樣點(diǎn)取1kg 的渠底沉積物，沉積物樣品均采自表層（0～5 cm）渠底沉積物，沉積物采用潔凈的密封袋封裝。沉積物樣品確保密封后帶回實(shí)驗(yàn)室置于4°C 冰箱中保存。土樣的As 與Hg 元素含量采用原子熒光分光光度計(jì)（AFS）測(cè)定，Cr 元素采用原子吸收光譜儀（AAS）測(cè)定，Cu、Zn、Cd 與Pb 元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定；每個(gè)樣品分成3 份進(jìn)行測(cè)定，最終結(jié)果取平均值。

1.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）法1980年由瑞典學(xué)者Hakanson 提出，是基于沉積學(xué)原理來(lái)評(píng)價(jià)水系沉積物中重金屬污染在生態(tài)環(huán)境中的潛在風(fēng)險(xiǎn)的常用方法。RI能夠集中的反映沉積物中重金屬的含量、種類(lèi)、毒性水平以及水體對(duì)重金屬污染的敏感性。這種評(píng)價(jià)方法的優(yōu)點(diǎn)在于在考慮了沉積物中重金屬含量的同時(shí)，還將重金屬的毒性指標(biāo)與生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)相聯(lián)系。RI的計(jì)算公式為：

式中：RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Eri為單項(xiàng)潛在生態(tài)危害指數(shù)；Cfi為單項(xiàng)污染指數(shù)；Tri為i金屬的毒性反應(yīng)系數(shù)。Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和Pb 的金屬毒性反應(yīng)系數(shù)，分別為2、5、1、10、30、40 和5［8］；Ci為灌渠沉積物中重金屬濃度實(shí)測(cè)值；Cni為重金屬i的背景值，本文選取桂林市地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬背景值［9］。RI與Eri的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)見(jiàn)表2。

表2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification standard of potential ecological risk of heavy metals

1.4 正定矩陣因子分解法

正定矩陣因子分解法（PMF）是一種改進(jìn)的因子分析受體模型，該方法最早應(yīng)用于大氣污染源分析。正定矩陣因子分解法將樣本濃度矩陣（X）分解為因子貢獻(xiàn)矩陣（G）、因子載荷矩陣（F）與殘差矩陣（E）；PMF 通過(guò)最小二乘法與迭代計(jì)算，可以獲得最小的目標(biāo)函數(shù)Q從而得出最佳的矩陣G和F；數(shù)據(jù)不確定性u(píng)ij采用公式（6）計(jì)算［10］。計(jì)算公式分別如下：

式中：xij為第i個(gè)元素的濃度；gik為源k對(duì)第i個(gè)樣品的貢獻(xiàn)；fkj為源k中第j個(gè)元素的濃度；eij為殘差矩陣；uij為第i個(gè)樣品中第j個(gè)元素濃度的不確定性大?。籑DL為濃度檢測(cè)限。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物重金屬含量的統(tǒng)計(jì)特征

灌渠沉積物重金屬含量的分析結(jié)果見(jiàn)表3，灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的灌渠沉積物中7種重金屬含量平均值大小順序均為Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞As＞Cd＞Hg。其中Zn 元素含量最高，在灌溉季節(jié)其平均值為169.85 mg/kg，非灌溉季節(jié)為348.84 mg/kg。Hg元素含量最小，在灌溉季節(jié)其平均值為0.31 mg/kg，非灌溉季節(jié)為0.43 mg/kg。

表3 干支渠沉積物樣品中重金屬元素含量Tab.3 Heavy metal concentrations of sediment samples in west main canal system

將灌渠沉積物重金屬含量的檢測(cè)結(jié)果與土壤背景值及我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)灌溉季節(jié)的西干渠底沉積物樣品中的重金屬污染以Cd 為主，Cd 的含量平均值分別為背景值和篩選值的6.34 倍和3.92倍；非灌溉季節(jié)的西干渠底沉積物樣品中的重金屬污染以Cd和Zn 為主，其中Cd 的含量平均值分別為背景值和篩選值的13.8倍和8.53倍；Zn的平均值為背景值和篩選值的4.8和1.4倍。

灌渠表層沉積物中的重金屬含量受季節(jié)變化的影響明顯。灌溉季節(jié)灌渠沉積物的重金屬平均值均比非灌溉季節(jié)小，各元素在非灌溉季節(jié)的重金屬含量相比灌溉季節(jié)平均提升了50.84%。值得注意的是，灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的重金屬含量均是背景值的1.3 倍以上，灌溉季節(jié)和非灌溉季節(jié)沉積物重金屬含量比背景值分別增加了144.40%和318.75%。

變異系數(shù)（CV）能反映灌渠沉積物重金屬元素的離散程度以及區(qū)域性差異，根據(jù)變異性的劃分等級(jí)，當(dāng)CV＜10%時(shí)屬于弱變異性，當(dāng)大于10%＜CV＜100%時(shí)屬于中等變異性，當(dāng)CV≥100%時(shí)屬于強(qiáng)變異性［11］。7 種重金屬元素的變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示：灌溉季節(jié)的重金屬元素均為中等變異性，非灌溉季節(jié)中的Pb、Cd 與Zn 屬于強(qiáng)變異性，其余重金屬元素為中等變異性。灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的灌渠沉積物中各重金屬變異系數(shù)平均值分別為48.46%與88.90%，Zn、Pb 和As 的變異系數(shù)在非灌溉季節(jié)與灌溉季節(jié)差異明顯，差值分別達(dá)到100.1%、65%和69.58%。

2.2 沉積物重金屬時(shí)空分布特征

不同季節(jié)干支渠的各重金屬元素平均濃度對(duì)比（圖2）顯示，灌溉季節(jié)的重金屬元素含量表現(xiàn)為支渠＞干渠，非灌溉季節(jié)的重金屬元素含量表現(xiàn)為干渠＞支渠。灌溉季節(jié)和非灌溉季節(jié)的干支渠重金屬濃度差值對(duì)比表明，干支渠重金屬在非灌溉季節(jié)的濃度差值，相比灌溉季節(jié)的濃度差值平均增長(zhǎng)達(dá)到302.75%，Zn、Cd 與Pb 增長(zhǎng)尤為明顯，分別達(dá)到794.12%、738.85%與480.22%。這與變異系數(shù)分析結(jié)果一致，與灌溉季節(jié)相比，非灌溉季節(jié)灌渠沉積物重金屬含量更大，且空間差異性更大。

圖2 干支渠不同灌溉季節(jié)重金屬濃度Fig.2 Concentrations of heavy metals in main and branch canals during different irrigation seasons

干支渠沉積物重金屬時(shí)空分布特征見(jiàn)圖3。西干渠從渠首至渠尾布設(shè)了3 個(gè)采樣點(diǎn)，其中：采樣點(diǎn)X1 位于青獅潭水庫(kù)出口，附近無(wú)明顯潛在污染源；采樣點(diǎn)X2 位于大廟水庫(kù)出口附近潛在污染源以耕地為主；采樣點(diǎn)X3 位于四塘鎮(zhèn)上游，附近潛在污染源以耕地、交通及城鎮(zhèn)污染排放為主。檢測(cè)結(jié)果表明，西干渠重金屬濃度均表現(xiàn)為非灌溉季節(jié)＞灌溉季節(jié)，Zn、Cd、Pb、Hg 重金屬元素含量從上游向下游遞增，干渠上Cd 在灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的含量均超過(guò)篩選值，且在非灌溉季節(jié)的X2、X3點(diǎn)超出管制值。

圖3 重金屬時(shí)空變化規(guī)律Fig.3 Temporal and spatial variation of heavy metals

金龜河支渠位于灌區(qū)上游，該河段主要流經(jīng)農(nóng)田與零散的農(nóng)村居民點(diǎn)，并在下游匯入桃花江（漓江支流），整體屬于自然河流，過(guò)水?dāng)嗝鏇](méi)有混凝土襯砌。金龜河支渠沉積物中的重金屬含量受季節(jié)變化影響不明顯，但非灌溉季節(jié)Zn含量在下游出現(xiàn)劇增。桂林支渠從西干渠流經(jīng)臨桂區(qū)處分流，灌渠整段主要流經(jīng)城區(qū)，在下游匯入良豐河（漓江支流）。

桂林支渠采樣點(diǎn)G1 位于臨桂城區(qū)，附近潛在污染源以交通、居民區(qū)及工業(yè)排放為主；采樣點(diǎn)G2 位于象山工業(yè)區(qū)，附近潛在污染源以交通及工業(yè)排放為主。在靠近城區(qū)的G1 在非灌溉季節(jié)時(shí)，沉積物中Cr 超出篩選值，灌溉季節(jié)時(shí)Zn 在G1 和G2的重金屬濃度均大于篩選值。

馬面支渠是西干渠下游的最后一條支流灌渠，從西干渠離開(kāi)臨桂城區(qū)處分流，主要流經(jīng)農(nóng)田和零散村落。馬面支渠的上下游Cd重金屬濃度均超過(guò)篩選值。

2.3 沉積物重金屬含量影響因素

青獅潭灌區(qū)西干渠及其支渠沉積物重金屬含量在非灌溉季節(jié)大于灌溉季節(jié)，且空間差異性也較大，灌溉季節(jié)下重金屬元素含量表現(xiàn)為支渠＞干渠，非灌溉季節(jié)重金屬元素含量表現(xiàn)為干渠＞支渠。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，灌渠內(nèi)灌溉季節(jié)相比非灌溉季節(jié)的水流流速大2.76倍，同時(shí)干渠比支渠的流速大1.44倍。

陸建剛等［12］研究表明沉積物的重金屬釋放通量與水流流速有關(guān)，在流速＜0.25 m/s 時(shí)，沉積物處于“將動(dòng)未動(dòng)”階段；流速在0.25～0.5 m/s時(shí)，沉積物處于“少量動(dòng)”階段；在流速0.6～0.7 m/s 時(shí)，沉積物處于“普遍動(dòng)”階段。本研究中西干渠的設(shè)計(jì)流量最大，在不同灌溉季節(jié)（水文時(shí)期）的流速差異相較支渠更為顯著，對(duì)其三個(gè)采樣點(diǎn)不同灌溉季節(jié)（水文時(shí)期）水流流速與重金屬總量的相關(guān)分析得出二者之間相關(guān)系數(shù)為-0.921，呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01）。X3 采樣點(diǎn)在灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)水流流速均低于0.25 m/s，此時(shí)沉積物處于“將動(dòng)未動(dòng)”階段，上游沉積物中吸附重金屬的顆粒受高速水流擾動(dòng)而再懸浮并在下游沉降，同時(shí)灌渠老化處的渠底由于混凝土的剝落，也阻礙了泥沙的運(yùn)移，導(dǎo)致下游沉積物重金屬含量升高。相比于灌區(qū)上游金龜河（J1、J2）采樣點(diǎn)附近以耕地為主的單一潛在污染源，灌區(qū)中下游采樣點(diǎn)位于城區(qū)附近，其潛在污染源更加復(fù)雜，進(jìn)一步加劇了灌區(qū)下游沉積物中重金屬含量的上升。非灌溉季節(jié)時(shí)西干渠中的Zn、Cd 與Pb 在中下游靠近桂林市區(qū)處的采樣點(diǎn)（X2、X3）含量顯著增加。桂林支渠中的Cr在靠近市區(qū)的上游采樣點(diǎn)（G1）同樣出現(xiàn)含量增加的情況，可以推測(cè)在低流速條件下懸浮物的沉降與城市（城鎮(zhèn)）污染物的排放是導(dǎo)致渠道下游沉積物重金屬含量上升的主要因素。

《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50288-2018）中要求各級(jí)渠道其平均流速應(yīng)滿(mǎn)足渠道不沖不淤的要求，然而西干渠建于20世紀(jì)60年代，由于設(shè)計(jì)規(guī)范不成熟與施工技術(shù)落后等原因，導(dǎo)致部分下游灌渠存在沉積物淤積的情況，同時(shí)受污染排放的影響，使得灌區(qū)受重金屬污染威脅。除采樣點(diǎn)環(huán)境與水動(dòng)力因素對(duì)灌渠沉積物中重金屬含量的影響外，還有研究表明沉積物的泥沙粒徑與水中的DO 與pH 等因素同樣對(duì)沉積物中的重金屬含量有影響［13，14］，因此漓江上游青獅潭水庫(kù)灌區(qū)干支渠沉積物重金屬運(yùn)移的影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究。險(xiǎn)等級(jí)為輕微。相比于灌溉季節(jié)，非灌溉季節(jié)單項(xiàng)污染物潛在生態(tài)指數(shù)Eri都有不同程度的上升，且Cd 與Hg 的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)從灌溉季節(jié)的較強(qiáng)與強(qiáng)上升到非灌溉季節(jié)的極強(qiáng)與較強(qiáng)。

2.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

為了反應(yīng)不同季節(jié)干支渠沉積物中各元素的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，用不同采樣時(shí)間的重金屬濃度平均值計(jì)算各單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Eri，結(jié)果（表4）表明，灌渠沉積物中Cd 與Hg潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，而Cr、Cu、Zn、As和Pb五種元素潛在生態(tài)風(fēng)

表4 灌渠采樣點(diǎn)沉積物重金屬元素的單項(xiàng)污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Tab.4 Potential ecological risk level of single pollutant for heavy metal elements in sediment of irrigation canal sampling sites

灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)范圍分別為88.58～695.79 與128.02～1 990，平均值分別為324.17 和593，表明青獅潭灌區(qū)西干渠區(qū)域綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于強(qiáng)。干支渠采樣點(diǎn)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）平均值對(duì)比顯示，灌溉季節(jié)時(shí)桂林支渠＞馬面支渠＞西干渠＞金龜河支渠；非灌溉季節(jié)時(shí)西干渠＞桂林支渠＞馬面支渠＞金龜河支渠。比較干支渠灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，非灌溉季節(jié)是灌溉季節(jié)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的1.83倍。圖4為潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）評(píng)價(jià)結(jié)果的空間分布圖，計(jì)算結(jié)果顯示，受城市（城鎮(zhèn)）污染排放較為嚴(yán)重的桂林支渠與西干渠中下游處的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度相對(duì)較高，西干渠中下游綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)受季節(jié)變化影響明顯，桂林支渠受季節(jié)變化影響相對(duì)較弱。

圖4 綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of comprehensive potential ecological hazard index evaluation results

根據(jù)單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Eri）對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）的貢獻(xiàn)率分析可以發(fā)現(xiàn)，與其他重金屬元素相比，Cd 和Hg貢獻(xiàn)了絕大部分的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI），兩者平均貢獻(xiàn)率之和為87.55%。因此Cd 和Hg 是西干渠主要重金屬污染物。從潛在生態(tài)危害程度來(lái)看，灌區(qū)下游的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)程度更高，受城市（城鎮(zhèn)）污染排放的西干渠與桂林支渠尤為明顯。

2.5 重金屬來(lái)源分析

2.5.1 相關(guān)性分析

重金屬含量間的相關(guān)性分析可以說(shuō)明其來(lái)源途徑的相似程度，一般重金屬間相關(guān)系數(shù)較高，說(shuō)明重金屬之間具有依存關(guān)系，可以判斷重金屬可能具有共同的來(lái)源途徑［15］。本文利用R 軟件分析干支渠各重金屬元素之間的pearson 相關(guān)系數(shù)，重金屬相關(guān)分析（圖5）可以看出，Zn、Cd、Pb 之間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)（p＜0.001）；其次Cu-Hg 之間呈現(xiàn)顯著相關(guān)（p＜0.01）；Zn-Hg、Cd-Hg、As-Cd、Hg-Pb 之間呈顯著相關(guān)（p＜0.05）。從相關(guān)性分析可以推測(cè)認(rèn)為Zn、Cd、Pb有共同的污染源。

圖5 沉積物重金屬相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of heavy metals in sediments

2.5.2 正定矩陣因子分解法

為進(jìn)一步明確重金屬的來(lái)源，對(duì)研究區(qū)的7 種重金屬元素進(jìn)行PMF 定量源解析。將因子數(shù)分別設(shè)置為3、4 和5，并運(yùn)行模型20 次以找到最小且穩(wěn)定的Q值，最終確定3 個(gè)因子能夠合理解釋污染源。測(cè)定系數(shù)R2表明，重金屬之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性（最大的R2為Zn 的0.989，As 與Cr 的R2分別為的0.497 和0.601，其余元素的R2值大于0.700），同時(shí)絕大部分沉積物樣品的殘差值在-3～3 之間［16］，這些結(jié)果表明PMF 模型擬合效果良好，可以解析西干渠沉積物重金屬來(lái)源。利用PMF 分析得到西干渠及其支渠的重金屬源成分譜（見(jiàn)圖6）。

圖6 PMF法解析干支渠沉積物重金屬污染源譜圖Fig.6 Spectrum of heavy metal pollution sources in irrigation canal sediments by PMF method

因子1 對(duì)元素Cr 貢獻(xiàn)率達(dá)到85.22%，對(duì)元素As 貢獻(xiàn)率達(dá)到81.85%，對(duì)元素Cu 貢獻(xiàn)率達(dá)到48.42%，對(duì)元素Hg 貢獻(xiàn)率達(dá)到28.28%。Cr 與污水污泥有關(guān)，工業(yè)廢物處理、溢出物以及殘余物都導(dǎo)致Cr 的累積［17］；Cu 的主要來(lái)源包括有色金屬開(kāi)采及冶煉過(guò)程中的污染排放、化石燃料的燃燒與工業(yè)制造過(guò)程中的其他工業(yè)排放都是造成Cu 污染的重要原因［18］；As 與Hg 的主要來(lái)源是煤炭燃燒，工業(yè)活動(dòng)依賴(lài)大量的煤炭燃燒［19］。因此推測(cè)因子1為工業(yè)污染源，Cr、Cu與As是主要污染物。

因子2 對(duì)元素Zn 貢獻(xiàn)率達(dá)到60.40%，對(duì)元素Cd 貢獻(xiàn)率達(dá)到74.55%，對(duì)元素Pb 貢獻(xiàn)率達(dá)到48.22%。磷肥的原料磷礦石中含有Cd，大部分Cd 能進(jìn)入肥料中，部分磷肥中含Cd 含量達(dá)到30～3 000 mg/kg［20］。Zn與Hg與農(nóng)業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)，是農(nóng)藥、除草劑與化肥的組成成分［6，21］；長(zhǎng)期施用含有重金屬的農(nóng)藥、除草劑與化肥會(huì)造成重金屬在土壤中的積累；對(duì)清涼山水庫(kù)沉積物與艾比湖表層沉積物研究表明［22，23］，沉積物重金屬Zn、Pb 與Cd主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)污染；對(duì)青獅潭水庫(kù)西湖表層沉積物來(lái)源分析得出，沉積物中的Cd 與Hg 主要來(lái)自于農(nóng)業(yè)污染［7］。因此推測(cè)因子2為農(nóng)業(yè)污染源，Zn、Cd與Pb是主要污染物。

因子3 對(duì)元素Cu 貢獻(xiàn)率達(dá)到51.39%，對(duì)元素Hg 貢獻(xiàn)率達(dá)到54.69%，對(duì)元素Zn 貢獻(xiàn)率達(dá)到29.82%。城市污泥是Cu 的一個(gè)重要來(lái)源，有研究報(bào)道，我國(guó)城市的污泥含Cu 量達(dá)486 mg/kg，同時(shí)城市污泥由于其含有大量有機(jī)質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)元素，因此污泥也常作為肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［24］；城市污泥中富集著大量的Hg，王寧等［25］研究了全國(guó)城市污泥樣品，其中汞含量范圍為0.45～15.42 mg/kg，同時(shí)全國(guó)超60%省份的污泥樣品中都存在Hg 的重度污染情況；Zn 是常見(jiàn)的機(jī)動(dòng)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料添加劑，同時(shí)也大量存在于輪胎、制動(dòng)系統(tǒng)以及軸承磨損物中［26］；在降雨天氣或城市路面清潔過(guò)程中含有重金屬污染物的灰塵隨地表徑流進(jìn)入到附近土壤和水體中［27-29］。推測(cè)因子3為城市污染源，Hg、Cu與Zn是主要污染物。

綜上所述，青獅潭灌區(qū)干支渠沉積物重金屬積累主要受工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源與城市源影響。由圖6的PMF 模型分析計(jì)算表明，農(nóng)業(yè)污染源對(duì)研究區(qū)沉積物重金屬貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)量達(dá)到42.45%，工業(yè)污染源貢獻(xiàn)量為33.86%，城市（城鎮(zhèn)）污染源貢獻(xiàn)量為23.69%。

3 結(jié) 論

本文在分析漓江上游青獅潭水庫(kù)西干渠干支渠沉積物重金屬含量分布的基礎(chǔ)上，結(jié)合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，對(duì)沉積物重金屬的污染源進(jìn)行定量解析，主要結(jié)論如下。

（1）研究區(qū)灌渠沉積物重金屬含量的大小順序均為Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞As＞Cd＞Hg。灌溉季節(jié)（平水期）重金屬元素均高于背景值，除Cd 外其他元素均小于篩選值。非灌溉季節(jié)（枯水期）重金屬元素均高于背景值，除Cd與Zn外其他元素均小于篩選值。非灌溉季節(jié)的重金屬含量相比灌溉季節(jié)平均提升了50.84%，Zn、Cd與Pb重金屬元素變異性相對(duì)較大。

（2）灌渠水流對(duì)表層沉積物（0～5 cm）重金屬產(chǎn)生影響。灌溉季節(jié)重金屬元素含量表現(xiàn)為干渠＜支渠，非灌溉季節(jié)下各重金屬元素含量表現(xiàn)為干渠＞支渠。由于下游采樣點(diǎn)受周邊潛在污染源等環(huán)境特征的影響，以及灌渠下游的水流流速降低導(dǎo)致沉積物淤積，使得西干渠與桂林支渠的中下游重金屬污染程度嚴(yán)重，出現(xiàn)部分重金屬超標(biāo)，在非灌溉季節(jié)超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重。

（3）單項(xiàng)污染物潛在生態(tài)指數(shù)計(jì)算表明，Cr、Cu、Zn、As 和Pb 在灌溉與非灌溉季節(jié)均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，Cd 在灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為較強(qiáng)與極強(qiáng)；Hg在灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為強(qiáng)與較強(qiáng)；Pb在灌溉季節(jié)與非灌溉季節(jié)的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為較強(qiáng)與極強(qiáng)。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為強(qiáng)，西干渠中下游及桂林支渠存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

（4）通過(guò)pearson 相關(guān)性分析與PMF 模型分析表明，灌渠的重金屬污染源包括工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源與城市（城鎮(zhèn)）污染源等3 個(gè)污染源。其中，農(nóng)業(yè)污染源占主導(dǎo)地位，貢獻(xiàn)率為42.45%，工業(yè)污染源貢獻(xiàn)率為33.86%，城市（城鎮(zhèn)）污染源貢獻(xiàn)率為23.69%。結(jié)果表明，灌渠沉積物重金屬含量主要受人類(lèi)活動(dòng)影響，應(yīng)該考慮對(duì)灌渠污染物的排放進(jìn)行控制。