董鋪水庫及入庫河流表層沉積物污染狀況評價

于坤 ，張坤，孫慶業 *，吳靜林，李楊 ，孫樂樂

1. 安徽大學資源與環境工程學院，安徽 合肥 230601；

2. 濕地生態保護與修復安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；

3. 安徽廬陽董鋪國家濕地公園管理處，安徽 合肥 230041

水庫作為一種半人工、半自然的獨特生態區域，對于區域供水、農業灌溉等具有重要作用（李虹等，2018）。但流域內的水土流失、植被破壞以及污水排放、垃圾堆放等往往會對水庫環境質量及其濕地生態系統的健康造成一定的影響（Parsons et al.，2004；蔡慶華等，2003；曾暢云等，2004）。沉積物作為濕地生態系統的重要組成部分，是營養物質和污染物質重要的“匯”與“源”，水中的氮、磷和重金屬等吸附于細顆粒物上進而在沉積物中淀積，形成沉積物蓄庫，在外界因素影響下蓄積于沉積物中的營養物質和污染物又可釋放到上覆水中，從而影響水質和富營養化過程（Islam et al.，2018；Kang et al.，2019；陳海龍等，2015；馬牧源等，2019）。因此，研究沉積物中營養元素和重金屬等污染物質含量、評價其污染狀態，對于促進水體生態環境保護與恢復有重要指導意義。

近年來，由于流域水資源問題的不斷出現，針對水體沉積物污染的研究也越來越廣，涉及濕地（羅松英等，2019）、湖泊（Jin et al.，2019）、河流（Nguyen et al.，2016）、海灣（張起源等，2018）等多種類型生態系統；研究內容涵蓋沉積物中污染物的形態（Junakova et al.，2012；Li et al.，2017；Noor et al.，2019）、空間分布（馬睿等，2019）、釋放機理（Kang et al.，2017）、來源解析（陳海龍等，2015）、生態風險評價（Léo et al.，2019；張茜等，2019）等多方面，研究結果對促進流域水體生態環境保護和恢復、提高濕地生態系統質量等起到了積極的作用。

董鋪水庫是合肥市一處重要的水源地，不僅在滿足合肥城市飲用水方面具有極其重要的作用，同時在改善合肥市區域環境質量方面也扮演重要角色。依托于董鋪水庫進行試點建設的安徽廬陽董鋪國家濕地公園是一處以水質保護為重點，兼顧濕地科普宣教、市民休閑娛樂等功能的國家級濕地公園。目前，僅有對董鋪水庫水質的研究評價（丁淑筌等，2006），尚無對董鋪水庫沉積物的研究分析。為深入了解、分析董鋪水庫及入庫河流沉積物污染狀況，本文基于董鋪水庫及入庫河流沉積物中營養物質及重金屬含量，對董鋪水庫沉積物進行污染評價和潛在生態風險分析，以期為更好地保護董鋪水庫水質及安徽廬陽董鋪國家濕地公園（試點）提供依據。

1 研究區域及研究方法

1.1 研究區域概況

董鋪水庫地處合肥市西北近郊，位于南淝河上游，興建于1956年，1960年開始蓄水運行。水庫總庫容2.42×109 m3，集水面積207.5 km2，正常水位為27.5 m，庫區年平均氣溫17.1 ℃，平均降水量1255 mm。入庫河流均為小型河流。為更好保護水庫水質，合肥市廬陽區以董鋪水庫及其北部部分區域為核心，申請并獲批建設安徽廬陽董鋪水庫國家濕地公園（試點），濕地公園總面積4667.43 hm2，其中濕地面積2949.79 hm2。

1.2 樣點設置與樣品采集及預處理

為了解董鋪水庫及入庫河流沉積物質量，2017年8月在董鋪水庫內的典型區域設置采樣點，同時在各入庫河流分別設置1個斷面（圖1）。現場采用GPS進行定位，用面積為1/16 m2的彼得森采泥器采集水庫及河流斷面沉積物樣本，每個樣點或斷面由3個平行樣混合而成。采集的沉積物樣本現場裝于潔凈的聚乙烯封口帶內，并立即放入裝有冰袋的約4 ℃保溫箱內保存。帶回實驗室的樣品經真空冷凍干燥后，用瑪瑙研缽研磨，過20目和100目尼龍篩，用于化學性質分析。

圖1 董鋪水庫及入庫河流采樣點示意圖Fig. 1 Sketch map of sampling sites in Dongpu reservoir and its incoming river

1.3 沉積物樣品分析

TN采用高氯酸-硫酸消化法處理后，使用凱氏定氮儀測定（魯如坤，1998）；OM采用燒失量法測定（張光貴等，2014）；TP采用SMT（Standard Measurement and Test）法測定（Ruban et al.，2001）。為保證分析結果準確，每個樣品加做平行樣，同時保證平行分析誤差＜5%，取平均值進行分析評價；重金屬元素采用三酸消解法電熱板消解（魯如坤，1998），消解后的重金屬元素用電感耦合等離子體質譜儀（ICAPQ，Thermo Fisher，美國）測定，測定過程中插入水系沉積物成分分析標準物質（GSS-9和GSS-26）進行質量控制，各元素加標回收率在91%—109%內，符合分析質量控制標準。

1.4 數據分析

氮磷綜合污染指數法和有機污染指數法用于評價董鋪水庫及入庫河流沉積物的營養物質污染狀況，地累積指數法用于評價沉積物中重金屬污染狀況，潛在生態風險法用于評估重金屬的潛在生態危害。

1.4.1 氮磷綜合污染指數

由單項污染指數計算公式計算綜合污染指數（FF），即：

式中，Si為單項評價指數；Si＞1表示因子i含量超過評價標準值；Ci為評價因子i的實測值；Cs為評價因子i的評價標準值，TN的Cs取 1000 mg·kg-1，TP的Cs取420 mg·kg-1（李芬芳等，2018）；F為n項污染指數平均值（STN和STP中平均值）；Fmax為最大單項污染指數（STN和STP中最大者）。根據王佩等（2012）的評價標準，綜合污染程度度分級標準見表1。

1.4.2 有機污染指數

綜合污染指數法將選用的評價參數TN、TP綜合成一個概括的指數值來表征沉積物的污染狀況，相對于單一指數法其具有優越性，但忽略了OM指標（Chen et al.，2016）。因此，本文采用有機污染指數法對董鋪水庫庫區及入庫河流沉積物的污染狀況評價。

表1 沉積物綜合污染程度分級Table 1 Classification of comprehensive pollution of sediments

式中：OI為有機指數；ω(OC)為有機碳質量分數，%；ω(ON)為有機氮質量分數，%；沉積物有機指數評價標準見表2（王永華等，2004）。

表2 沉積物有機污染指數評價標準Table 2 Assessment standards of sediment organic pollution index

1.4.3 地累積指數

地累積指數評價公式如下：

式中，Di為沉積物中重金屬i的實測值，mg·kg-1；Bi為沉積物中重金屬i的地球化學背景值，mg·kg-1；根據地累積指數，把沉積物中重金屬富集程度分為7個等級（Muller，1969）。

1.4.4 潛在生態風險指數

潛在生態風險指數綜合考慮了重金屬的毒性、遷移轉化規律以及重金屬區域區域背景值的差異，定量劃分出重金屬的潛在生態風險程度，其計算公式如下（Acevedo-Figueroa et al.，2006）：式中，Ci(mg·kg-1)為沉積物中重金屬i的實測值；(mg·kg-1)為重金屬i的參比值；為重金屬毒性相應系數；RI為綜合潛在生態風險指數，表示總潛在生態風險程度。RI＜135，表示低風險程度；135≤RI＜265，表示中等風險程度；265≤RI＜525，表示重度風險程度；RI≤525，表示嚴重風險程度。單項金屬i的潛在生態風險指數，表示單個污染物生態風險程度。＜40，表示低風險程度；40≤＜80，表示中風險程度；80≤ ＜160，表示較重風險程度；160≤＜320，表示重風險程度；≥320，表示嚴重風險程度（陳飄雪等，2016）。本文選用安徽省合肥市江淮流域土壤地球化學背景值作為參比值（陳興仁等，2012）。

1.4.5 富集因子法

富集指數（EF）是用于判斷環境介質中重金屬來源的一種方法。選擇地球化學性質與其他重金屬相似且其天然沉積物中濃度趨于均勻的 Fe為參考元素，所選的背景值（R）與地累積指數法所選背景值相同，計算公式如下（Acevedo-Figueroa et al.，2006）：

式中，Di為沉積物中重金屬i的實測值，mg·kg-1；Bi為沉積物中重金屬i的地球化學背景值，mg·kg-1。當 EF≤1.5時，表明重金屬完全源自地殼和巖石圈的自然風化過程；EF＞1.5，人為輸入源已經成為重金屬的明顯來源（馬牧源等，2019）。

1.5 數據處理

運用 Excel 2016對數據進行初步整理并計算Si、FF、OI、Igeo、RI，Origin 8.0 用于數據處理以及作圖，Pearson相關性分析用SPSS 21.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 氮磷綜合污染指數評價

庫區沉積物中TN和TP質量分數分別為306.85—1817.58 mg·kg-1和 134.62—665.27 mg·kg-1，入庫河流沉積物 TN和 TP質量分數分別為 178.58—724.99 mg·kg-1和 126.92—659.70 mg·kg-1，庫區及入庫河流沉積物氮磷綜合污染指數見圖 2。庫區及其入庫河流沉積物總氮的單項污染指數（STN）范圍為 0.18－1.82，庫區及入庫河流總氮污染指數平均值為0.69，屬于清潔級別，其中入庫河流總氮污染指數全部屬于清潔級別，庫區部分采樣點屬于輕度-中度污染（占庫區采樣點的25%）。庫區及入庫河流沉積物總磷污染指數（STP）范圍為0.30—1.58，平均值為0.86，總體屬于輕度污染級別；河流沉積物的TP污染狀況較庫區嚴重，9個河流采樣斷面中屬于中度-重度污染的斷面為4個（占44.4%）；庫區總磷污染指數屬于清潔-輕度污染的采樣點占庫區采樣點的75%，僅有25%采樣點屬于中度污染。總氮污染指數表現為庫區高于河流，而總磷污染指數則呈相反的趨勢。庫區內不同采樣之間以及不同河流之間沉積物中TN和TP的污染狀況也存在差異，總氮污染指數表現為庫區東部高于西部，H1和H9的總氮和總磷污染指數高于H2、H4和H8。

圖2 董鋪水庫及入庫河流沉積污染評價Fig. 2 Comprehensive pollution evaluation index of sediment in Dongpu reservoir and its incoming river

庫區及入庫河流的沉積物氮磷綜合污染指數（FF）范圍為0.33—1.67（平均值為0.89），整體上屬于清潔級別，河流各采樣斷面均屬于清潔-輕度污染，庫區絕大多數采樣點亦處于清潔-輕度污染水平，僅有一個采樣點（K6）屬于中度污染。K1、K4、K5和 K6的氮磷綜合污染指數高于其他采樣點，H1、H5、H7和H9的氮磷綜合污染指數高于其他采樣斷面。

2.2 有機污染指數評價

董鋪水庫庫區和入庫河流沉積物中有機質質量分數分別為1.84%—8.48%和2.43%—4.62%。庫區及入庫河流沉積物的有機污染指數（OI）為0.03—0.77（圖 2），平均值為 0.19，屬于輕度污染。庫區沉積物的有機污染指數高于河流，河流中除一個采樣斷面的污染狀況屬于重度污染，其余采樣斷面均為清潔-中度清潔（占河流全部采樣斷面的88%以上）；庫區中屬于清潔-輕度污染的采樣點占庫區采樣點的50%，有一個采樣點（K6）存在有機污染；庫區東部沉積物有機污染狀況比西部嚴重，與氮磷綜合污染評價的結果相一致。

2.3 地累積指數評價

表3為庫區及入庫河流沉積物重金屬地累積指數的評價結果及所參考的等級標準（陳飄雪等，2016）。庫區沉積物Cu的Igeo值小于0，屬于清潔等級，而Zn、Pb、Mn均存在一定程度的輕度污染（其中Zn的污染等級平均值0.27），庫區沉積物4種重金屬的平均污染程度由高到低依次是Zn、Mn、Pb、Cu。河流沉積物中Cu的Igeo值也小于0，其余3種重金屬也表現為輕度污染，與庫區沉積物地累

表3 董鋪水庫及入庫河流沉積物重金屬地累積指數評價Table 3 Geo-accumulation indices of heavy metals for the sediments in Dongpu reservoir and its incoming river

2.4 潛在生態風險評價

圖3 董鋪水庫及入庫河流沉積物重金屬潛在生態風險評價Fig. 3 Assessment of potential ecological risk of heavy metals for the sediments in Dongpu reservoir and its incoming river

數據分析表明，庫區沉積物 Cu、Zn、Pb和Mn的單項生態風險指數平均值分別為3.6、1.8、5.4和 1.0，所有采樣點均處于低等風險水平，對庫區沉積物重金屬的潛在生態風險貢獻率分別為30.6%、15.5%、45.2%、8.7%；入庫河流沉積物Cu、Zn、Pb和 Mn的單項生態風險指數平均值分別為4.0、1.8、5.7和 1.1，對庫區沉積物重金屬的潛在生態風險貢獻率分別為 31.8%、14.1%、45.6%、8.5%。相比Zn和Mn，Cu和Pb對于庫區與河流沉積物潛在生態風險的貢獻率相對較高。

2.5 TN、TP和OM相關性

董鋪水庫及入庫河流沉積物 TN、TP、OM 相關性分析見表4。庫區沉積物TN、TP、OM均存在顯著或極顯著的正相關性，TP與OM相關性最高，表明N、P的形態、來源及其在水中的遷移轉化過程具有一定的相似性（苗慧等，2017）。入庫河流沉積物TN、TP、OM之間均無顯著相關性。

2.6 重金屬富集指數

通過了解董鋪水庫及入庫河流沉積物重金屬元素的富集程度，判斷環境介質中重金屬的來源。圖4表明，庫區沉積物中，Zn、Pb、Mn富集指數的平均值均大于1.5，其中Zn的富集指數均值達到2.7，表明這庫區沉積物中 3種重金屬的來源以人為的外源輸入為主；庫區全部采樣點 Cu的富集指數均小于1.5，主要為自然來源。入庫河流的沉積物中，Cu、Zn、Pb和Mn的富集指數存在較大差異，各條河流沉積物中Zn的富集系數均大于1.5，Cu、Pb和Mn分別只有2條（H1和H9）、4條（H1、H4、H7和H9）和3條（H4、H5和H7）的富集系數大于1.5。

表4 董鋪水庫及入庫河流沉積物中TN、TP、OM相關性分析Table 4 Correlations analysis of TN，TP and OM in the sediments of Dongpu reservoir and its incoming river

3 討論

與入庫河流相比，庫區沉積物的TN含量較高，呈現庫區積累的現象。庫區沉積物中較高的TN含量可能與水庫水深及水動力交換較弱有關，當入庫河流流入水庫時，斷面突然變寬，流速降低促使泥沙淤積（王亞平等，2017），導致隨河流攜帶而來的氮素在水庫表層沉積物中積累，如本研究中位于河流入庫河口處的 K4、K5點位和水動力交換較弱的K6點位。相關性分析表明，庫區沉積物中TN、TP、OM之間均存在顯著（rTN-TP=0.591*，rTN-OM=0.573*）或極顯著（rTP-OM=0.805**）的正相關性，表明庫區沉積物中氮、磷和有機質的積累過程有較高的同步性。相對于庫區沉積物，各入庫河流沉積物中TN、TP、OM 之間均無顯著的相關性，這可能與不同入庫河流接受不同的外源輸入有關（Dai et al.，2014；蘇玉萍等，2015）。本研究中，所有入庫河流均屬于小型河流，且在地理空間上彼此隔離、互不連通，除暴雨期外一般水流流速很低，H1、H3、H7和H9受市民生產、生活影響較大，外源性輸入氮、磷和有機質的數量的不同可能是造成不同入庫河流沉積物中TN、TP、OM差異的主要原因。

本研究中，除K6（FF=1.67，OI=0.77）外，董鋪水庫庫區及入庫河流沉積物氮磷綜合污染指數和有機污染指數均處于清潔-輕度污染。與國內其他水庫相比，如金盆水庫（王亞平等，2017）、萬寧水庫（謝飛等，2014）等，董鋪水庫庫區TN含量處于中等水平，表明董鋪水庫局部區域存在較高的內源氮負荷；另外，H1、H3、H7和H9沉積物中較高的磷負荷也會在暴雨季節進入水庫，可能會增加水庫沉積物內源磷負荷。因此采取適當的工程措施（如清淤等）移除水庫局部區域沉積物中的氮、控制入庫河流沉積物中的磷，對于保護董鋪水庫水質是非常重要的。

圖4 董鋪水庫及入庫河流沉積物中重金屬元素富集指數Fig. 4 Enrichment factors of heavy metals in the sediments in Dongpu reservoir and its incoming river

水體沉積物中的重金屬來源十分廣泛，既有人為來源（如廢水排放、固體廢棄物堆積、交通活動、燃料燃燒、采礦冶煉等）也有自然來源（Islam et al.，2018；李芬芳等，2018）。富集指數分析表明庫區沉積物中3種重金屬Zn、Pb、Mn以人為的外源輸入為主，Pb主要與船只燃料產生的污染有關（閆興成等，2016），導致庫區沉積物中Zn、Mn富集的主要原因一方面可能是城鎮生活污水和農業廢水的排放，另一方面可能與殺蟲劑、農藥通過地表徑流輸入等有關（張菊等，2016）。庫區沉積物 Cu以流域內母質風化等自然源為主要來源（陳飄雪等，2016）。相對于庫區沉積物，9條河流的沉積物中，Cu、Zn、Pb和 Mn的富集指數存在較大差異，這可能與不同河流因接受流域內的生活、農業灌溉及地表徑流等來水有關（閆興成等，2016）。整體而言，盡管董鋪水庫庫區及入庫河流沉積物某些重金屬存在一定程度的富集，且由于沉積物Cu、Pb較高的毒性響應系數，導致其對潛在生態風險指數有較高的貢獻率，但綜合生態風險整體上仍處于較低水平，為了保證飲用水安全，水庫流域范圍內重金屬污染控制必須做到常抓不懈。

4 結論

庫區及河流沉積物氮磷綜合污染指數整體屬于清潔水平；庫區總氮污染指數和綜合污染指數均高于入庫河流，呈現出庫區積累現象，而總磷污染指數則表現出相反的趨勢；董鋪水庫庫區及入庫河流總體有機污染指數屬于輕度污染范圍，有機污染指數的空間差異與氮磷綜合污染指數的空間變化相一致；相關性分析表明庫區沉積物中TN、TP、OM積累過程有較高的同步性，而入庫河流因受不同外源輸入影響的原因，營養元素之間無顯著相關性。

董鋪水庫庫區及入庫河流沉積物4種重金屬地累積指數屬于清潔-輕度污染范圍，4種重金屬的污染程度由高到低依次是 Zn、Pb、Mn和 Cu；庫區及入庫河流沉積物的重金屬（Cu、Zn、Pb、Mn）生態風險處于較低水平，Cu和Pb為主要的潛在生態風險因子；庫區沉積物中 3種重金屬 Zn、Pb、Mn以人為的外源輸入為主，Cu以流域內母質風化等自然源為主要來源。而河流的沉積物中，Cu、Zn、Pb和Mn的富集指數存在較大差異。