基于內梅羅指數的陽宗海湖濱濕地水環境質量評價*

王書錦 劉云根,2# 侯 磊,2 梁啟斌,2 王 妍,2 詹乃才 張慧娟

(1.西南林業大學環境科學與工程學院，云南 昆明 650224；2.西南林業大學農村污水處理研究所，云南 昆明 650224)

湖泊是生態環境的重要組成部分，而湖濱濕地又是湖泊生態系統的重要組成部分，對維持湖泊生態系統健康和改善水環境質量具有重要作用[1-2]。隨著陽宗海周邊工農業生產的迅速發展，各種外源污染物不斷輸入，由此帶來的水環境污染問題愈加突出。As是具有潛在危害的重要污染物[3]，由于其難降解性、較強的生物毒性、生物累積性和生物放大性，一直備受關注[4]。含As礦產資源的開發利用造成As在局部地區累積，使得As進入天然水體中。長期飲用含As量高的水可導致皮膚癌和內臟癌[5-6]，美國環境保護署(USEPA)將As歸為A類致癌物，并規定生活飲用水中As的檢出濃度必須小于0.01 mg/L，我國也于2006年在《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中將As的標準限值由原來的0.05 mg/L修訂為0.01 mg/L[7]。不少企業通過入湖泉眼、地表水沖刷等途徑將含As廢水、廢物等排入陽宗海，造成重大環境污染事故[8]。2008年陽宗海As污染事件發生后，昆明市衛生和計劃生育委員會印發了《昆明市陽宗海水體污染綜合整治衛生工作方案》(昆衛發[2008]29號文)，2010年陽宗海湖區水體中As質量濃度雖已從0.12 mg/L降到了0.03 mg/L[9]，但是湖濱濕地是外源污染物的天然屏障，是外源污染物輸入的直接受體，通常污染物濃度比湖區高，因此湖濱濕地中As的污染更應當引起重視。TP作為富營養化的典型指標，一直是陽宗海富營養化的關鍵因子[10]1。目前，用于水環境質量評價的常用方法有單因子評價法[11]38、內梅羅指數法[11]39、模糊數學法[12]、灰色聚類分析法以及人工神經網絡法[13]等。其中，內梅羅指數法不僅考慮了各種影響參數的平均污染狀況，還考慮了污染最嚴重的因子，克服了各種污染物平均分配權重的缺陷，是應用較多的一種水環境質量評價方法[14]48。

楊常亮[10]72的研究表明，2000—2005年陽宗海湖水TP質量濃度為0.017～0.031 mg/L，處于富營養化臨界質量濃度0.02 mg/L附近[15]。齊劍英等[16]的研究表明，2008年10月陽宗海湖水中As的質量濃度達到0.130～0.190 mg/L，環境風險很高。張玉璽等[17]3771的研究表明，2010年4月陽宗海湖水中As的質量濃度為0.072～0.101 mg/L，且隨著水深的增加而略有升高。據報道，2010年陽宗海水體與沉積物中的As儲存總量為70.65 t，人為貢獻量占As總儲存量的82.68%，主要來自西南岸的磷肥廠[18]。以往的研究更多的是關注整個湖區中As或TP的空間分布，運用內梅羅指數法對湖濱濕地中多種重金屬指標和富營養化指標進行綜合評價的研究鮮有報道。本研究對陽宗海湖濱濕地水體進行了系統采樣與分析，并采用內梅羅指數法對富營養化指標和重金屬指標進行污染狀況評價，旨在揭示陽宗海湖濱濕地的水環境質量狀況和污染風險，為進一步研究湖濱濕地對陽宗海水環境質量的影響以及陽宗海水環境保護提供理論依據。

1 研究方法

1.1 樣品采集與分析

2015年8月，在陽宗海湖濱濕地東、南、西、北4個方向上設置采樣點，每個采樣點采集3個平行樣，東部的3個平行樣分別記作E1、E2、E3，南部的記作S1、S2、S3，西部的記作W1、W2、W3，北部的記作N1、N2、N3，采樣點位置示意圖如圖1所示。

圖1 陽宗海湖濱濕地采樣點位置示意圖Fig.1 Locations of sampling sites in Yangzonghai lakeside wetland

分析指標包括富營養化指標TP和COD，重金屬指標As、Zn、Cu、Cr、Cd、Mn、Ni、Pb、Co。其中，TP采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)測定，COD采用《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(GB 11914—89)測定，重金屬指標采用HCl-HNO3-HClO4消解，電感耦合等離子體發射光譜儀(安捷倫 ICP-OES 700)測定，其中Cd、Mn、Ni、Pb、Co未檢出，故不作討論。

1.2 數據處理

內梅羅指數法應用較廣，是一種兼顧極值和平均值的計權型多因子環境質量指數，其計算公式[19]如下：

(1)

式中：P為內梅羅指數；ci為指標i的實測質量濃度，mg/L；Si為指標i的最大容許質量濃度，mg/L，一般取《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水標準；(ci/Si)max為所有指標的ci/Si最大值；(ci/Si)ave為所有指標的ci/Si平均值。

1.3 污染等級劃分標準

富營養化指標和重金屬指標的內梅羅指數污染等級劃分標準[14]49,[20]見表1。

表1 富營養化指標及重金屬指標內梅羅指數污染等級

2 結果與分析

2.1 陽宗海湖濱濕地水質指標空間差異

2.1.1 富營養化指標

由圖2可見，陽宗海湖濱濕地富營養化指標空間差異明顯。就TP而言，陽宗海湖濱濕地總平均質量濃度為0.095 mg/L，是GB 3838—2002Ⅲ類水標準(0.05 mg/L)的1.9倍，北部和東部的平均質量濃度較高，分別為0.130、0.100 mg/L，南部和西部的平均質量濃度相對較低，分別為0.075、0.074 mg/L。就COD而言，除西部濃度較低外，其它3個區域差別不大，總平均質量濃度為19.59 mg/L，未超過GB 3838—2002Ⅲ類水標準(20 mg/L)，其中北部的質量濃度相對較高，為21.20 mg/L，東部、南部和西部相對較低，分別為20.70、20.60、15.70 mg/L。4個湖濱濕地區域的TP和COD均表現出北部>東部>南部>西部的規律。

圖2 陽宗海湖濱濕地富營養化指標空間差異Fig.2 Spatial difference of eutrophication index in Yangzonghai lakeside wetland

2.1.2 重金屬指標

由圖3可以看出，陽宗海湖濱濕地水體As的總平均質量濃度為0.112 mg/L，遠遠高于長江干流、松花干流、珠江等水體[21]，與GB 3838—2002Ⅲ類水標準(0.05 mg/L)相比，超標率100%，甚至與GB 3838—2002Ⅴ類水標準(0.10 mg/L)相比，超標率幾乎也是100%，說明陽宗海湖濱濕地水體中As污染仍然非常嚴重。西部和南部的As平均質量濃度較高，分別為0.117、0.115 mg/L，東部和北部的As平均質量濃度較低，分別為0.108、0.106 mg/L，空間上表現出西部>南部>東部>北部。

Zn、Cr、Cu的總平均質量濃度分別為0.094、0.031、0.114 mg/L，均達到GB 3838—2002Ⅲ類水標準的要求，除Cr接近標準限值0.05 mg/L外，Zn、Cu遠低于標準限值1.0 mg/L。空間上Zn的質量濃度表現為北部(0.098 mg/L)>南部(0.095 mg/L)>東部(0.092 mg/L)>西部(0.089 mg/L)；Cu表現為北部(0.122 mg/L)>南部(0.114 mg/L)>西部(0.112 mg/L)>東部(0.108 mg/L)；Cr表現為東部(0.032 mg/L)=北部(0.032 mg/L)>西部(0.031 mg/L)>南部(0.030 mg/L)。

圖3 陽宗海湖濱濕地重金屬指標空間差異Fig.3 Spatial difference of heavy metal index in Yangzonghai lakeside wetland

2.2 陽宗海湖濱濕地內梅羅指數空間差異

由表2可知，陽宗海湖濱濕地水體富營養化指標內梅羅指數為1.36～2.45，水質等級都屬于良好水平。4個湖濱濕地的內梅羅指數大小依次為北部>東部>南部>西部。由此可見，陽宗海北部的湖濱濕地水體富營養化相對嚴重。

從表2還可以看出，南部和西部的重金屬指標內梅羅指數較高，分別為2.07和2.06，屬于重度污染；東部和北部的內梅羅指數分別為1.94和1.91，屬于中度污染。4個湖濱濕地區域內梅羅指數大小依次為南部>西部>東部>北部。

3 討 論

陽宗海東、南、西、北4個湖濱濕地區域水體中富營養化指標TP、COD濃度均呈現出顯著性空間差異，且4個區域水體中TP和COD平均質量濃度和內梅羅指數均表現出北部>東部>南部>西部。陽宗海4個湖濱濕地區域中TP質量濃度差異已達到統計學顯著性水平(F=5.017，P<0.05)，COD質量濃度差異達到了統計學極顯著水平(F=6.214，P<0.001)。TP總平均濃度是GB 3838—2002Ⅲ類水標準的1.9倍，而COD濃度未超過GB 3838—2002Ⅲ類水標準，說明相對COD而言，陽宗海湖濱濕地水體富營養化污染以TP為主，且北部的污染風險較高，與楊亮秀[22]的研究結論一致。與太湖的TP和COD質量濃度分別為0.18、18.47 mg/L[23]、滇池分別為0.20、15.98 mg/L[24]、鄱陽湖分別為0.11、21.12 mg/L[25]相比，陽宗海的富營養化水平基本相當。北部由于存在溫泉、發電廠等，工業廢水、生活污水的排放較多，所以該區域水體污染相對嚴重，同時機動船只、網箱養殖以及開發過程中產生的水土流失對水體污染也有影響[26]。東部水體富營養化程度較南部和西部嚴重，主要是由于東部水土流失較為嚴重。楊常亮[10]72研究表明，土地開發所產生的水土流失是水體中磷的重要來源。南部水體富營養化程度較西部嚴重可能是因為南部陽宗鎮農村生活污水的排放、畜禽糞便的排放和農業化肥的使用等面源污染導致的[27]。此外，南部的擺依河作為陽宗海水量補給的人工引入河道，在給陽宗海補水的同時，也帶來了一定的外源污染。

表2 陽宗海湖濱濕地富營養化指標和重金屬指標內梅羅指數

陽宗海湖濱濕地水體中As的污染最為嚴重，所有采樣點As濃度均超過GB 3838—2002Ⅲ類水標準，尤其是南部和西部。內梅羅指數評價結果也表明，南部和西部水體中重金屬污染程度已達到重度污染水平，東部和北部屬于中度污染水平，主要是由As污染造成的。其原因一方面是南部和西部離磷肥廠和耐火材料廠較近，含As廢水的排放導致該區域出現了較高的As濃度；另一方面是西部的粉煤灰堆場和裸露的灰巖采石場中也有一部分As通過降雨沖刷至湖中，一部分通過下覆巖溶裂隙進入湖中[17]3776。

4 結 論

(1) 陽宗海湖濱濕地水體中TP總平僅質量濃度為0.095 mg/L，COD總平均質量濃度為19.59 mg/L，其中TP超過GB 3838—2002Ⅲ類水標準，COD未超標。兩個富營養化指標的平均濃度和內梅羅指數均表現出北部>東部>南部>西部的特點。

(2) 陽宗海湖濱濕地水體中As污染最為嚴重，總平均質量濃度達到0.112 mg/L，所有采樣點As濃度均超過GB 3838—2002Ⅲ類水標準。Zn、Cu、Cr未超標。

(3) 內梅羅指數評價結果表明，陽宗海4個湖濱濕地區域的富營養化污染等級均為良好；東部和北部重金屬污染等級為中度污染，而南部和西部為重度污染。

[1] 葉春，李春華，王秋光，等.大堤型湖濱帶生態系統健康狀態驅動因子——以太湖為例[J].生態學報，2012，32(12)：3681-3690．

[2] 戴全裕.東太湖水生高等植物對重金屬吸收分配的初步探討[J].環境污染與防治，1983，5(1)：37-40．

[3] 蘇春利，王焰新.武漢市墨水湖沉積物重金屬污染特征與防治對策[J].礦物巖石，2006，26(2)：111-116．

[4] 唐陣武，程家麗，岳勇,等.武漢典型湖泊沉積物中重金屬累積特征及其環境風險[J].湖泊科學，2009，21(1)：61-68．

[5] JAIN C K，ALI I．Arsenic:occurrence，toxicity and speciation techniques[J]．Water Research，2000，34(17)：4304-4312．

[6] 劉碧君，吳豐昌，鄧秋靜，等．錫礦山礦區和貴陽市人發中銻、砷和汞的污染特征[J]．環境科學，2009，30(3)：907-912．

[7] GB 5749—2006，生活飲用水衛生標準[S]．

[8] 石幫輝，王建全，李虹，等．2008年和2009年云南澂江縣陽宗海水體砷污染及周邊飲用水和食品的監測評價[J]．中華地方病學雜志，2011，30(1)：47-50．

[9] 石幫輝,王建全,李虹，等．云南省陽宗海砷污染監測及對陽宗鎮入湖河水、水源、食品的影響[J]．中華地方病學雜志，2014，33(2):182-186.

[10] 楊常亮.陽宗海總磷輸入與水質響應模型的建立與應用研究[D].昆明：昆明理工大學，2007．

[11] 喻婷，房懷陽，曾凡棠，等.廣州市番禺區市橋河流域水質分析與評價[J].中國農村水利水電，2009，3(12).

[12] 鐘曉蘭，周生路，李江濤，等.長江三角洲地區土壤重金屬污染的空間變異特征——以江蘇省太倉市為例[J]．土壤學報，2007，44(1):33-40．

[13] 安樂生.地表水水質評價方法和水質預測模型的綜合研究[D].青島：青島大學，2009．

[14] 李亞松，張兆吉，費宇紅，等.內梅羅指數評價法的修正及其應用[J].水資源保護，2009，25(6).

[15] 羅固源，卜發平，許曉毅，等．三峽庫區臨江河回水區總氮和總磷的動態特征[J].土木建筑與環境工程，2009，31(5)：106-111.

[16] 齊劍英，許振成，李祥平,等.陽宗海水體中砷的形態分布特征及來源研究[J].安徽農業科學，2010，38(20)：10789-10792．

[17] 張玉璽，向小平，張英，等．云南陽宗海砷的分布與來源[J].環境科學，2012，33(11).

[18] 周國華，劉占元.區域土壤環境地球化學研究——異常成因判別·環境質量·污染程度評價的思路與方法[J].物探與化探，2003，27(3)：223-226．

[19] 孟順龍，吳偉，胡庚東,等.底棲動物螺螄對池塘底泥及水質的原位修復效果研究[J].環境污染與防治，2011，33(6)：44-47．

[20] 吳彬，臧淑英，那曉東.灰色關聯分析與內梅羅指數法在克欽湖水體重金屬評價中的應用[J].安全與環境學報，2012，12(2)：85-90．

[21] DREVER J I.The geochemistry of natural water:surface and groundwater environments[M].New Jersey:Prentice Hall，1982．

[22] 楊亮秀．基于SWAT模型的陽宗海流域非點源磷負荷模擬研究[D].昆明：云南大學，2012．

[23] 成芳，凌去非，徐海軍，等.太湖水質現狀與主要污染物分析[J].上海海洋大學學報，2010，19(1)：105-110.

[24] 石建屏，李新.滇池流域水環境承載力及其動態變化特征研究[J].環境科學學報，2012，32(7)：1777-1784.

[25] 劉倩純，胡維，葛剛，等．鄱陽湖枯水期水體營養濃度及重金屬含量分布研究[J].長江流域資源與環境，2012，21(10)：1230-1235.

[26] 楊麟，孫健.五里湖—梅梁湖磷污染調查[J].環境監測管理與技術，2001，13(6)：18-20．

[27] 楊常亮，李世玉，劉仍兵，等．陽宗海外源氮磷負荷入湖量分析[J].上海環境科學，2014，33(2)：47-52．