宿州市護城河水體重金屬含量特征及污染評價

方 瑞 林曼利,2* 張皖津 閔 寧

（1 宿州學院資源與土木工程學院 安徽宿州 234000 2 中國礦業大學環境與測繪學院 江蘇徐州 221116）

引言

近年來，人類活動對生態環境的影響加劇，工業廢水和生活污水未達標排放導致地表水環境受到一定程度的污染和破壞。2022 年中國環境監測總站統計的數據顯示，Ⅰ類水水質斷面下降了0.7%，Ⅱ類水水質斷面下降了1.2%，Ⅳ類水水質斷面下降了0.8%，Ⅴ類水水質斷面上升了0.3%[1]。人類對地表水資源不合理的開發及利用，導致地表水體及水環境出現了一系列問題[2]，而對于城市地表水研究的重點多偏向于氨氮、總氮、總磷等常規污染物，卻忽略了重金屬污染[3][4]。目前，多功能景觀城市河流已成為人們新的精神文化需求，因此開展地表水重金屬污染研究對保障水環境質量具有重要意義。本文以安徽省宿州市護城河水體為研究對象，對其重金屬含量特征及污染狀況進行評價，以期為宿州市地表水污染防治提供相關參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

宿州市位于安徽省北部，屬于華北暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫 14～15℃，年平均降雨量700～900mm[5]。宿州市為典型的煤炭資源型城市，煤炭資源豐富，是兩淮煤田的重要組成部分[6]。宿州市護城河屬沱河支流，環繞老城區一周后又匯入沱河，其深度約為1.5m，河寬約為20m。隨著城市化建設、煤炭開采和工業發展等造成的水環境質量下降，護城河水體逐漸失去飲用水功能，目前僅作為景觀用水[7]。

1.2 樣品的采集與處理

環繞護城河共布設采樣點16 個，采樣時間為2022 年10 月，采樣點位置如圖1 所示。采樣前1 個星期內無降雨。采樣時所使用的樣品瓶均為干凈、清潔純凈水瓶，且采樣前用原樣潤洗2～3 次。樣品采集后迅速帶回實驗室進行處理，首先，用0.45μm 水系濾膜進行抽濾；然后，將抽濾后水樣加濃硝酸酸化至pH ＜2；最后，采用ICP-MS（賽默飛，Element-2）測試Zn、Ni、Cr、As、Cu、Pb、Cd 共7 種 重 金屬元素。

1.3 污染評價方法

傳統內梅羅污染指數法因具有計算方便、結果直觀等優點而得到廣泛采用，但運用傳統內梅羅污染指數法進行污染評價時存在著一定的問題[8]，后有學者在傳統內梅羅污染指數法基礎上引入污染因子權重來使污染評價結果更為準確。物元分析是在可拓集合基礎上建立的可拓數學[9]，物元分析法通過建立事物各項指標參數模型，根據事物特征的量值來判斷事物屬于某集合的程度，最終以定量的數值來展現評價結果[10]。故而本文采用改進的內梅羅污染指數法和物元分析法對護城河重金屬污染狀況進行評價。

1.3.1 改進的內梅羅污染指數法

計算方法見式（1）、式（2）。

式中Ci—污染因子i 的實測濃度；Si—標準值（按GB3838-2002 中Ⅲ類水的最大限值計算）；Ii—單因子污染指數。

式中Iave—單因子污染指數平均值；Imax—單因子污染指數最大值；I’—權重最大的污染因子單因子污染指數；P—改進的內梅羅污染指數。

權重值的計算方法見式（3）。

式中Ri—污染因子i 的相關性比值；Smax—所有污染因子中評價指標的最大值；Fi—污染因子i的權重值。

1.3.2 物元分析法

利用物元理論，將水質評價類別、評價指標和評價指標的限值作為物元，建立水體污染評價的物元模型，其計算過程如下。

1.3.2.1 建立水體重金屬污染水平的物元矩陣

如果被評估物元N 需要n 個評估指標T1、T2、T3……Tn，以及相應的測量數值V1、V2、V3……Vn來描述，那么3 者有序排列則成為n 維物元，即得到物元矩陣。

1.3.2.2 確定待判物元的經典域和節域

將被評估物元N分為j個等級，該水平下的本征值（Ti）及各級別關于本征值的取值范圍（Vji）有序排列得到的矩陣為經典域；將被評估物元N的全部等級、本征值（Ti）、節域物元關于評價指標Ti的取值范圍（Vpi）有序排列得到的矩陣為節域。

1.3.2.3 距的計算

點Xi到Vji=（aji,bji）的 距 離 為p（Xi,Vji）,點Xi到Vpi=（api,bpi）的距離為p（Xi,Vpi）。

1.3.2.4 確定關聯函數計算關聯度

計算方法見式（4）。

1.3.2.5 權重的計算

權重是指某個指標在整體評價中的相對重要程度，一般來說，污染濃度高且危害程度大的指標在綜合評價中應占有較大的權重[11]，因此選擇指標污染負荷貢獻率及重金屬元素的毒性系數相結合的計算方法，如式（5）所示。

式中Gi—第i個污染物的權重；Ci—污染物i的實測濃度；Si—污染物對應GB3838-2002 中Ⅲ類水最大現值；Yi—污染物i的毒性系數，Cr、As、Cu、Zn、Pb、Cd 的毒性系數分別為2、10、5、1、5、30[12]。

1.3.2.6 綜合關聯度的計算

計算方法見式（6）。

1.3.2.7 評價等級的確定

根據最大隸屬原則，即綜合關聯度的值越大，表明被評價系統越符合某級評估等級的要求；其值越小，則越不符合某級評估等級的要求[13]。因此，選擇Kj（N0）中的最大值為最終評估等級。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量特征分析

通過對宿州市護城河16 個采樣點采集的水樣進行檢測，得到7 種重金屬元素統計分析含量，如表1 所示。由表1 可以看出，7 種重金屬元素的平均含量順序為Zn＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd，對比GB3838-2002 中Ⅲ類水標準，在16 個采樣點中重金屬元素的最大值均未超過Ⅲ類水標準的限值。對比GB12941-1991 中B 類水標準，重金屬元素最大值均未超過B 類水標準限值。變異系數是衡量數據離散程度的標準，變異系數的大小代表著單位均值上的數據離散程度。重金屬元素Pb 的變異系數為174.07%，屬于重度變異，表明重金屬元素Pb 在各采樣點間濃度存在較大差異；其余6 種重金屬元素的變異系數均屬于中等變異，表明其余6 種重金屬元素在各采樣點間濃度也存在著差異。

2.2 改進的內梅羅污染指數法評價結果

運用改進的內梅羅污染指數法，對宿州市護城河水重金屬污染狀況進行評價，結果見表2。由表2 可知，各采樣點改進的內梅羅污染指數大小順序為S6＞S7＞S5＞S8＞S4＞S9＞S10＞S13＞S14＞S1＞S15＞S3＞S12＞S16＞S2＞S11，采樣點S6 改進的內梅羅污染指數最大，為0.0443，但也小于水質級別Ⅰ級的最大限值，因此由表3對比評價指標可知宿州市護城河16 個采樣點均屬于Ⅰ級，為無污染水平。

表2 改進的內梅羅污染指數結果

表3 改進的內梅羅污染指數法評價指標

2.3 物元分析法評價結果

物元分析法運算過程復雜且樣品較多，現以樣點S1 為例進行計算，其過程如下。

2.3.1 建立待判物元矩陣以采樣點S1 為例，建立矩陣如式（7）所示。

2.3.2 建立經典域和節域

根據GB 3838-2002，建立經典域矩陣如式（8）～（11）所示。

節域矩陣如式（12）所示。

2.3.3 權重的確定

根據式（5）計算采樣點S1 各污染因子的權重系數，Cr、As、Cu、Zn、Pb、Cd 的權重分別為0.1357、0.6116、0.012、0.0081、0.0270、0.2064。

2.3.4 綜合關聯度

根據式（4）、式（6）得出采樣點S1 各污染等級綜合關聯度及評估等級，采樣點S1 在各污染等級的綜合關聯度分別為0.0642、-0.9358、-0.9817、-0.9909，根據最大隸屬原則，可以得出采樣點S1 評估等級為Ⅰ級。

按照上述方法對宿州市護城河水體重金屬污染進行評價，經計算得到16 個采樣點的最大關聯度及評估等級，詳見表4。由表4 可知，研究區范圍內采樣點的最大關聯度大小順序為S6＞S7＞S5＞S8＞S4＞S9＞S15＞S16＞S10＞S14＞S3＞S13＞S1＞S12＞S2＞S11，所有采樣點均在第Ⅰ級別取到最大關聯度，根據最大隸屬原則，可以得出16 個采樣點評估等級均為Ⅰ級，為無污染。

表4 各采樣點綜合關聯度結果

3 討論

綜上所述，改進的內梅羅污染指數法和物元分析法污染評價結果均表明宿州市護城河水體未受重金屬污染，對各采樣點評價結果大致相同。

結論

安徽省宿州市護城河水體重金屬元素的平均含量順序為Zn＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd，重金屬元素濃度最大值均未超過GB3838-2002 中Ⅲ類水標準限值，且未超過GB12941-1991 中B 類水標準限值。

運用改進的內梅羅污染指數法進行污染評價，所有采樣點改進的內梅羅污染指數均小于污染級別Ⅰ的最大限值0.421。物元分析法得出所有采樣點評估等級均為Ⅰ級，為無污染。2 種評價方法均表明宿州市護城河水體未受重金屬污染。