衡水湖水體中營養物質和重金屬含量測定及風險評價

張志強

（衡水學院生命科學學院 河北 衡水 053000）

目前，我國的七大水系均受到不同程度的營養鹽及重金屬污染，且營養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重[2]。不論是營養鹽污染還是重金屬污染，都嚴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，水資源是經濟可持續發展的生態保障基礎，其水資源變化影響著區域的農業生產、洪澇災害防御及其他生產經營活動[3，4]。衡水湖是衡水市唯一的國家級自然保護區，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，導致物質交換受阻，自凈能力減弱，加之反季節補水、跨流域調水、地表徑流農田退水及河道積淤等多種原因，造成了嚴峻的水質污染問題[5]。因此，為更好的掌握衡水湖水質現狀，保護衡水湖生態系統的健康，本研究基于衡水湖實地勘測，結合大量文獻資料，根據其地形特點，選取了10 個水樣采集點，通過對每個樣點的總氮、總磷和鉛、鎘、銅、鋅等指標含量測定，并進行污染現狀分析，從而了解衡水湖水質污染程度，為其改善和防治提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設及樣品采集

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

表1 采樣位點

1.1.2 樣品采集與預處理。樣品采集時間為2021 年11 月2 日。用有機玻璃取水器在水面下50 cm 處取1 000 ml 水樣，經過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 測定指標及方法。測定指標有總氮、總磷、總有機碳以及鎘、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，總有機碳采用TOC 測定儀進行測定，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 數據處理及評價方法

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

表2 各個指標Co 標準

表3 單因子指數法污染等級劃分

1.3.2 內梅羅污染指數法。內梅羅綜合污染指數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。它的表達式為式中，Pmax是水樣中所測的各種指標單因子指數的最大值，Pave則是各種檢測指標單因子指數的平均值，PN即為所求的內梅羅指數。表4 為綜合污染指數等級劃分標準。

表4 綜合污染指數等級劃分

2 結果與分析

2.1 水體中營養鹽測定結果。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物質含量在不同位點分布的差異大小，變異程度可分為：弱變異性，Cv＜10%；中等變異性，10%＜Cv＜100%；強變異性，Cv＞100%[6]。不同位點之間總氮含量變異系數為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。根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，除王口閘的總氮含量符合II 類水質，其它位點含量均符合III 類水質。

2.1.2 總磷含量測定結果。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。不同位點總磷含量變異系數為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。根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，衡水湖所有位點總磷含量均符合IV 類水質。

2.1.3 TOC 含量測定結果。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。不同位點之間TOC 含量變異系數為17.46%，屬于中等變異。從空間上看，小庫TOC 含量高于其它位點。

圖1 總氮 總磷 TOC 含量分布圖

2.2 水體中重金屬測定結果。表5 為衡水湖水體中重金屬含量的測定結果。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。從變異系數上進行分析，可以發現Cd、Cu、Zn 屬于中等變異，Pb 屬于弱變異。根據《地表水環境質量標準》可知，4 種重金屬的含量均符合I類水質標準。

表5 水體中重金屬含量統計特征值

2.3 水體污染評價。表6 是衡水湖水質中營養鹽和重金屬污染評價結果，由表6 可以發現，衡水湖水體中總氮的單因子污染指數為0.444 ～0.819，最大值和最小值分別位于小庫和王口閘，所有位點的總氮Pi均小于1，說明衡水湖所有位點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，其中小庫位點的總磷含量處于中等污染等級，其它位點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值均在0.0026 ～0.0515，且4 種重金屬的單因子污染指數均值分別為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。由內梅羅綜合污染指數可以看出，綜合污染指數為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 衡水湖水質中營養鹽和重金屬污染評價

3 結論

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均值為1.231，衡水湖整體上處于輕度污染。