衡水湖水體中營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬含量測定及風(fēng)險評價

張志強(qiáng)

（衡水學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 河北 衡水 053000）

目前，我國的七大水系均受到不同程度的營養(yǎng)鹽及重金屬污染，且營養(yǎng)鹽及重金屬含量有逐年增長的趨勢[1]，鄱陽湖、千島湖、洞庭湖等主要湖泊底泥重金屬污染較嚴(yán)重[2]。不論是營養(yǎng)鹽污染還是重金屬污染，都嚴(yán)重影響著人類的健康和安全。衡水市是京津冀城市群重要的組成部分，水資源是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)保障基礎(chǔ)，其水資源變化影響著區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、洪澇災(zāi)害防御及其他生產(chǎn)經(jīng)營活動[3，4]。衡水湖是衡水市唯一的國家級自然保護(hù)區(qū)，屬于城市淡水湖泊流動性較差的水體，由于衡水湖水體較淺，導(dǎo)致物質(zhì)交換受阻，自凈能力減弱，加之反季節(jié)補(bǔ)水、跨流域調(diào)水、地表徑流農(nóng)田退水及河道積淤等多種原因，造成了嚴(yán)峻的水質(zhì)污染問題[5]。因此，為更好的掌握衡水湖水質(zhì)現(xiàn)狀，保護(hù)衡水湖生態(tài)系統(tǒng)的健康，本研究基于衡水湖實(shí)地勘測，結(jié)合大量文獻(xiàn)資料，根據(jù)其地形特點(diǎn)，選取了10 個水樣采集點(diǎn)，通過對每個樣點(diǎn)的總氮、總磷和鉛、鎘、銅、鋅等指標(biāo)含量測定，并進(jìn)行污染現(xiàn)狀分析，從而了解衡水湖水質(zhì)污染程度，為其改善和防治提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)及樣品采集

1.1.1 采樣點(diǎn)的布設(shè)。根據(jù)衡水湖地形以及周邊環(huán)境在衡水湖選取10 個采樣點(diǎn)，分別為：位點(diǎn)1 北開闊區(qū)、位點(diǎn)2 蘆葦中、位點(diǎn)3 蘆葦東、位點(diǎn)4 湖心區(qū)、位點(diǎn)5 南部區(qū)域1、位點(diǎn)6 南部區(qū)域2、位點(diǎn)7 竹林寺、位點(diǎn)8 王口閘、位點(diǎn)9 荷花區(qū)、位點(diǎn)10 小庫。其中位點(diǎn)1 ～9 位于大庫，位點(diǎn)10 位于小庫。10 個樣點(diǎn)的具體位置見表1。

表1 采樣位點(diǎn)

1.1.2 樣品采集與預(yù)處理。樣品采集時間為2021 年11 月2 日。用有機(jī)玻璃取水器在水面下50 cm 處取1 000 ml 水樣，經(jīng)過0.45 μm 濾膜過濾后裝入超純水清洗過的聚乙烯塑料采樣瓶中。將水樣帶回，貯存在4 ℃左右的冰箱中待測。

1.2 測定指標(biāo)及方法。測定指標(biāo)有總氮、總磷、總有機(jī)碳以及鎘、銅、鉛、鋅等4 種重金屬，其中總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解+紫外分光光度法測定，總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法測定，總有機(jī)碳采用TOC 測定儀進(jìn)行測定，重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd)采用微波消解+原子吸收分光光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理及評價方法

1.3.1 單因子指數(shù)法。單因子指數(shù)法是通過計算超標(biāo)指數(shù)來確定評價等級的方法，即將某種污染物實(shí)測濃度與該種污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以確定水質(zhì)類別。其計算公式為：Pi=Ci/Co；式中Ci為測得的評價指標(biāo)濃度值(mg/L)，Co為評估指標(biāo)的最高允許標(biāo)準(zhǔn)值(mg/L)，Pi即為重金屬i 的單因子污染指數(shù)。單因子指數(shù)法污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2 各個指標(biāo)Co 標(biāo)準(zhǔn)

表3 單因子指數(shù)法污染等級劃分

1.3.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法兼顧了最高值和平均值，能夠突出污染較重的重金屬污染物。它的表達(dá)式為式中，Pmax是水樣中所測的各種指標(biāo)單因子指數(shù)的最大值，Pave則是各種檢測指標(biāo)單因子指數(shù)的平均值，PN即為所求的內(nèi)梅羅指數(shù)。表4 為綜合污染指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表4 綜合污染指數(shù)等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 水體中營養(yǎng)鹽測定結(jié)果。圖1 為衡水湖水體中總氮、總磷、TOC 含量分布情況。

2.1.1 總氮含量測定結(jié)果。由圖1(a)可知，衡水湖水體中總氮含量為0.44 ～0.819 mg/L，平均含量為0.562 mg/L，最大值位于小庫，最小值位于王口閘。變異程度能夠在一定程度上體現(xiàn)物質(zhì)含量在不同位點(diǎn)分布的差異大小，變異程度可分為：弱變異性，Cv＜10%；中等變異性，10%＜Cv＜100%；強(qiáng)變異性，Cv＞100%[6]。不同位點(diǎn)之間總氮含量變異系數(shù)為17.42%，屬于中等變異。從空間上看，小庫的含量明顯高于其它位點(diǎn)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，除王口閘的總氮含量符合II 類水質(zhì)，其它位點(diǎn)含量均符合III 類水質(zhì)。

2.1.2 總磷含量測定結(jié)果。由圖1(b)可知，衡水湖水體中總磷含量為0.067 ～0.115 mg/L，平均含量為0.084 mg/L，最大值位于小庫，最小值位于王口閘。不同位點(diǎn)總磷含量變異系數(shù)為15.67%，屬于中等變異。從空間上看，總磷的分布情況和總氮的分布情況存在一定的相似，即小庫含量均高于其它位點(diǎn)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，衡水湖所有位點(diǎn)總磷含量均符合IV 類水質(zhì)。

2.1.3 TOC 含量測定結(jié)果。由圖1(C)可知，衡水湖水體中TOC 含量為4.84 ～8.05 mg/L，平均含量為5.4 mg/L，最大值位于小庫，最小值位于湖心區(qū)。不同位點(diǎn)之間TOC 含量變異系數(shù)為17.46%，屬于中等變異。從空間上看，小庫TOC 含量高于其它位點(diǎn)。

圖1 總氮 總磷 TOC 含量分布圖

2.2 水體中重金屬測定結(jié)果。表5 為衡水湖水體中重金屬含量的測定結(jié)果。由表5 可知，重金屬Cu、Zn、Pb、Cd 的含量分別為3.2 ～5.1 μg/L、35.6 ～51.5 μg/L、0.564 ～0.725 μg/L 和0.013 ～0.020 μg/L，平 均值分別為4.35 μg/L、43.5 μg/L、0.604 μg/L、0.016 μg/L。從變異系數(shù)上進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Zn 屬于中等變異，Pb 屬于弱變異。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》可知，4 種重金屬的含量均符合I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 水體中重金屬含量統(tǒng)計特征值

2.3 水體污染評價。表6 是衡水湖水質(zhì)中營養(yǎng)鹽和重金屬污染評價結(jié)果，由表6 可以發(fā)現(xiàn)，衡水湖水體中總氮的單因子污染指數(shù)為0.444 ～0.819，最大值和最小值分別位于小庫和王口閘，所有位點(diǎn)的總氮Pi均小于1，說明衡水湖所有位點(diǎn)的總氮不存在污染情況。衡水湖水體中總磷的單因子污染指數(shù)值在1.340 ～2.300，最大值和最小值分別位于王口閘和小庫，其中小庫位點(diǎn)的總磷含量處于中等污染等級，其它位點(diǎn)的總磷含量位于輕污染等級。衡水湖水體中Pb、Cu、Zn、Cd 4 種重金屬的單因子污染指數(shù)值均在0.0026 ～0.0515，且4 種重金屬的單因子污染指數(shù)均值分別為0.0044、0.0435、0.0121 和0.0033，所以衡水湖水體中4 種重金屬均為無污染。由內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以看出，綜合污染指數(shù)為0.990 ～1.697，平均值為1.231。衡水湖除王口閘屬于相對清潔，其它位點(diǎn)屬于輕度污染。整體上看，衡水湖屬于輕度污染。

表6 衡水湖水質(zhì)中營養(yǎng)鹽和重金屬污染評價

3 結(jié)論

3.1 總氮含量在0.44 ～0.819 mg/L，平均含量為0.562 mg/L；總磷含量在0.067 ～0.115 mg/L，平均含量為0.084 mg/L；TOC 含量在4.84 ～8.05 mg/L，平均含量為5.4 mg/L。

3.2 重金屬Cu、Zn、Pb、Cd 的含量分別為3.2 ～5.1 μg/L、35.6 ～51.5 μg/L、0.564 ～0.725 μg/L 和0.013 ～0.020 μg/L，平均值分別為4.35 μg/L、43.5 μg/L、0.604 μg/、0.016 μg/L。

3.3 衡水湖水體的綜合污染指數(shù)均值為1.231，衡水湖整體上處于輕度污染。