環(huán)境健康風(fēng)險體系評價
——以X湖水體富營養(yǎng)化評價為例

佟玲玲，賴洲揚

(長沙師范學(xué)院，湖南 長沙 410100)

1 研究背景

近些年，隨著工業(yè)的發(fā)展，我國的環(huán)境污染日漸嚴峻，尤其是水體環(huán)境的污染更甚[1]。因為社會發(fā)展導(dǎo)致的不必要排放增多，水質(zhì)的富營養(yǎng)化越來越嚴重，據(jù)統(tǒng)計，2017年我國富營養(yǎng)化水域面積已超過8000 km2，另有1.4萬km2湖泊的富營養(yǎng)化程度在加重[2]。長株潭地區(qū)的水體富營養(yǎng)化問題更是在水體污染中的占比較大。

水體富營養(yǎng)化是一種水質(zhì)污染，主要是氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在水體中的含量超標引起的。我國的湖泊、水庫、江河的富營養(yǎng)化的趨勢十分嚴峻[3]。1996～2016年，大部分的湖泊都保持在中營養(yǎng)的狀態(tài)，占調(diào)查面積的90%以上，貧營養(yǎng)狀態(tài)湖泊僅約占3%，而富營養(yǎng)狀態(tài)湖泊占5%左右。在短短10年間，富營養(yǎng)化的的湖泊占比突飛猛漲，占比由5%劇增到55%[4]。

由于長株潭區(qū)域內(nèi)有大小湖泊30余個，因此，根據(jù)試驗需要和情況，選取 X湖為試驗湖，X湖是綜合性旅游區(qū)，區(qū)域有水面5000畝，陸地面積有1360萬m2，園林綠化覆蓋率達50%，景色秀麗，風(fēng)光迷人[5]。X湖水體富營養(yǎng)化進程與氮、磷以及氮磷含量的比率等密切相關(guān)。X湖水體富營養(yǎng)化過程與氮和磷元素的含量及比率密切相關(guān)。

2 實驗材料與方法

2.1 樣品的采集與前處理

2.1.1 采樣區(qū)域自然地理概況

X湖位于長株潭城市群中，各個季節(jié)有不同的旅游特色，春可踏青，賽馬；夏可游泳，劃船；秋能登山，賞葉；冬可滑雪，觀景。

2.2 水樣的采集及預(yù)處理

2.2.1 水樣的采集

根據(jù)X湖污染情況，在X湖分布范圍內(nèi)布置了6個采樣點(圖1)。

圖1 采集點位

2.2.2 水樣的預(yù)處理

在采集樣品的時候，需記錄每個采樣點的具體情況及細節(jié)問題，如氣候條件，檢測時所發(fā)生的意外情況，采樣時觀察到的異常等。

水樣的預(yù)處理：在采樣后，選取500 mL的水樣，之后再滴加1 mL硫酸，用來調(diào)節(jié)水樣的pH值，將pH調(diào)節(jié)到等于或小于1，也可以不添加任何試劑放置冷藏保存。

試樣的制備：取樣之前應(yīng)將水樣搖勻，以便于樣品充分融合，用刻度管抽取25 mL的水樣。若遇到水樣中的氨氮含量及總磷的含量過高時，所抽取的水樣可以低于25 mL。

2.3 實驗儀器與試劑

主要儀器：分光光度計，AcculabALC系列電子天平，1 mL、2 mL、5 mL、10 mL、20 mL、25 mL移液管，50 mL滴定管，100 mL、1000 mL容量瓶等。

主要試劑：硫酸、抗壞血酸、鉬酸銨、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、碘化鉀、碘化汞、酒石酸銻鉀等，均為分析純。

主要藥品配置：按照國際標準及要求進行。包含，抗壞血酸溶液、鉬酸鹽溶液、磷標準貯備溶液(一般可保存6個月或以上)、鈉氏試劑：碘化鉀—碘化汞—氫氧化鈉溶液、酒石酸鉀鈉溶液、氨氮標準貯備溶液、氨氮標準工作溶液。將以上溶液配置完畢后，留存?zhèn)溆谩?/p>

2.4 實驗方案

2.4.1 標準溶液配置及繪制標準工作曲線

分別取磷酸鹽標準溶液0 mL，0.5 mL，1 mL，3 mL，5 mL，10 mL，15 mL加入不同的具塞刻度管中，并將水加入到其中以稀釋至25 mL。然后按測定步驟進行處理。用蒸餾水做空白進行對比，后測定相應(yīng)的吸光度。將空白試驗的吸光度扣除后，將其余測定的吸光度結(jié)果，即總磷的含量繪制工作曲線如圖2所示。

圖2 總磷工作曲線

分別取之前配置好的氨氮標準工作溶液0 mL、0.5 mL、1 mL、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL加入在50 mL的具塞比色管中。加入蒸餾水至50 mL標線，再加入1 mL的酒石酸鉀鈉溶液搖勻，之后再加入1 mL之前配置好的納氏試劑，搖勻靜置10～15 min。將波長調(diào)節(jié)至420 nm，用蒸餾水作空白對比，測定相應(yīng)的吸光度，并繪制氨氮工作曲線見圖3。

圖3 氨氮工作曲線

2.4.2 水樣吸光度值的測定

2.4.2.1 水樣中總磷的測定

分別取6個采樣點的清潔水樣各50 mL，分別滴加1 mL之前配置好的抗壞血酸溶液，搖勻并靜置30 s，然后再滴入2 mL配置好的鉬酸鹽溶液搖勻，使溶液充分混合。

2.4.2.2 水樣中氨氮的測定

(1)分別取6個采樣點的清潔水樣各50 mL，分別滴加1 mL之前配置好的酒石酸鉀鈉溶液，混勻并靜置30 s，然后滴加1 mL配置好的納氏試劑，混勻。

(2)將其靜置15 min，然后使用20 mm比色皿，將波長調(diào)至420 nm，用蒸餾水做空白對比，測定吸光度。刪除參比吸光度的后，從之前的工作曲線上計算出氨氮的含量。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 總磷和氨氮含量的測試

3.1.1 測試結(jié)果

各個采樣點的磷的含量如表1所示。

表1 X湖水體富營養(yǎng)化的測試結(jié)果 μg/L

3.1.2 水體富營養(yǎng)化污染評價

X湖的富營養(yǎng)化評價主要參照美國Sejrgenseu的分級法及日本相崎守弘的評分法來評價污染等級，對我國的水體富營養(yǎng)化程度的評價有一定的參考價值[16]。富營養(yǎng)化程度的評價標準如表2所示。

表2 富營養(yǎng)化程度的評價標準

根據(jù)富營養(yǎng)程度的評價標準，得到X湖水體富營養(yǎng)化評分結(jié)果見表3。

表3 X湖水體富營養(yǎng)化評分結(jié)果 μg/L

本研究采用單因子指數(shù)法來測定氨氮含量是否超標。

(1)單因子指數(shù)法。

Ii=Ci/Si

(1)

式(1)中，Ci為地表水污染物i的實測濃度，μg/L；Si為地表水污染物i的評價標準，μg/L。 某種污染因子的污染指數(shù)大于1時，說明該污染因子的氨氮含量超標。

(2)單因子綜合污染指數(shù)。

I= (1/n) ∑Ii

(2)

式(2)中:I為區(qū)域內(nèi)各個污染元素的所有分指數(shù)的權(quán)數(shù)平均值[17]。

地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值見表4。

表4 地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值 mg/L

X湖屬于Ⅲ類水，根據(jù)地表水質(zhì)量標準基本項目標準限值，發(fā)現(xiàn)X湖水體富營養(yǎng)化評分結(jié)果見表5。

表5 水體富營養(yǎng)化評分結(jié)果 mg/L

綜上分析可以看出，整個X湖沿線已屬于中營養(yǎng)階段，從采樣點三至采樣點五之間為中營養(yǎng)水體，其采樣點一和采樣點二處的污染狀況基本相同，氨氮各點均小于1，故沒有超標現(xiàn)象。該湖基本屬于娛樂用水，位于采樣點二處沒有排污口，污染源基本屬于無組織排放，以降水和地表徑流為主。從X湖整體來看，磷和氨氮是X湖最主要的內(nèi)源釋放營養(yǎng)物。其采樣點六出的富營養(yǎng)化主要是由于周圍居民的生活排污，周邊的工廠排污、以及附近農(nóng)田的化肥流失等造成的。

4 湖南地區(qū)的富營養(yǎng)化途徑

每當提到水體的富營養(yǎng)化，人們往往認為是水中總體的氮含量和磷含量超過了標準值。誠然，氮和磷等營養(yǎng)元素富集形成有機鹽確實是水體富營養(yǎng)化的決定因素。但并不表示水體的富營養(yǎng)化一定和水體中含有的總氮、總磷濃度的變化相關(guān)。當水體中出現(xiàn)某種占據(jù)有利地位的藻類并且出現(xiàn)快速增殖的現(xiàn)象時，這就表示該水體存在富營養(yǎng)化發(fā)展的趨勢，表明該水體所涉及的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生異常[7]。所以，必須對水體富營養(yǎng)化的發(fā)生機制及發(fā)生條件進行深入的探討，從本質(zhì)上認識藻類生長過程的多樣性和差異性引起的水體不同程度的富營養(yǎng)化癥狀。即了解處于同一生態(tài)系統(tǒng)中的多種水生物種在不同程度的水體富營養(yǎng)化中生存影響的內(nèi)在關(guān)系[8]。但是，富營養(yǎng)化所必須具備的條件基本相同，最主要的影響因素可以歸納為: ①水體中積累的氮含量和磷含量較充足； ②含有相對適宜的鐵、硅含量等； ③能夠適合優(yōu)勢藻類的生長溫度，比較充足的光照、溶解氧含量[9]； ④該水域的水流流速慢，水體的更新區(qū)間跨度大。

4.1 農(nóng)田化肥

為促進植物的生長，人們常施用較多的氮肥和磷肥以此提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，但此類營養(yǎng)物對土壤的附著性較弱，面臨下雨天氣或農(nóng)業(yè)灌溉時往往被水分攜帶流失[10]。據(jù)統(tǒng)計, 2014年湖南省氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥等農(nóng)用化肥施用量為852.8萬t, 折算純量為247.8萬t, 分別比2010年增長22.6%、36%;農(nóng)藥使用量12.4萬t, 比2010年增長45.2%。以湘江為例,被雨水攜帶通過徑流進入湘江的化肥實物量、折純量分別為3.4萬t、1萬t, 農(nóng)藥為868t[11]。

分布在土壤空隙的氮和磷元素，一部分溶于土壤攜帶的水分中，隨之進入江河湖海，造成水體污染。另一部分吸附在土粒上，隨之沉淀成為江河湖海的沉積物，同時污染物也會通過懸浮等方式再次進入水體，造成水體的二次污染。當然，氮和磷元素也可通過土壤下滲進入地表水體，污染地下水，被污染的地下水流入天然水體中，以此加劇水體的富營養(yǎng)化。

4.2 畜牧糞便

常見的牲畜特別是豬，在其飼養(yǎng)過程中產(chǎn)生的糞便蘊含的營養(yǎng)物質(zhì)會滋生大量細菌，這些污染物會隨地表徑流及其他方式進入到江河湖海中，從而污染水體。與此同時，牲畜的糞便也經(jīng)常作為農(nóng)田施肥的使用，這種方式也會使之隨著地表徑流等進入到天然水體中造成水體富營養(yǎng)化。據(jù)統(tǒng)計，在2015年的農(nóng)業(yè)面源污染絕對排放量中, 禽畜養(yǎng)殖是第一大污染源, 其次是農(nóng)業(yè)種植。由表6可知, 2015年長株潭地區(qū)禽畜養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)總氮和總磷水污染物高排放地區(qū)主要分布在寧鄉(xiāng)縣、瀏陽市、湘鄉(xiāng)市和湘潭縣, 這4個縣市占整個長株潭地區(qū)排放量的51%,其次是望城區(qū)、長沙縣、雨湖區(qū)、株洲縣、醴陵市、攸縣及茶陵縣, 這7個區(qū)縣排放占比40%[12]。

表6 2015年長株潭地區(qū)禽畜養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)總氮和總磷水污染物排放量

另外，不合理的牲畜放養(yǎng)結(jié)構(gòu)和實行措施，會在草原上積累過多的牲畜糞便導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部難以處理，導(dǎo)致營養(yǎng)物的過度剩余，破壞了草原的植被結(jié)構(gòu)，減少了草原植被的多樣性造成地皮裸露；這些現(xiàn)象將會導(dǎo)致難以挽救的后果，裸露的地皮在地表徑流的作用下使營養(yǎng)物嚴重流失，加重了污染。

4.3 污水灌溉

污水因其來源廣泛、含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當作循環(huán)利用的有效肥料來使用，運用污水灌溉農(nóng)作物的方法已經(jīng)受到普遍的認可。它的主要目的是利用植株汲取土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)來滿足自身的生長發(fā)育以及土壤的自我調(diào)節(jié)作用使污水得到凈化。但一些污水中富集的營養(yǎng)元素過高致使植物和土壤的調(diào)節(jié)作用不大，同時在灌溉中因為專業(yè)設(shè)備的限制，這往往會造成土壤和水體的雙向污染[13]。

灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分，但使用生活污水灌溉會直接影響農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)和重金屬含量及有效態(tài)含量[14]。表7反映的是在湘潭農(nóng)田微區(qū)試驗中，使用清潔水灌溉與污水灌溉土壤pH值、有機質(zhì)含量、重金屬全量和有效態(tài)含量的影響與變化。從表7中可以得出，污水灌溉土壤重金屬全量都有一定的增加，對土壤的性質(zhì)有一定程度的影響。根據(jù)對37個污水灌區(qū)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)32個灌區(qū)水質(zhì)不符合要求。

表7 湘潭農(nóng)田微區(qū)土壤pH值、有機質(zhì)含量、重金屬全量和有效態(tài)含量

4.4 城鎮(zhèn)的地表徑流

雖然大多數(shù)城鎮(zhèn)已經(jīng)使用具有排水功能的瀝青鋪墊道路，但部分城鎮(zhèn)還未完全替換路面，仍然使用不透水的混凝土道路。因此，通過降雨等途徑落到地面的氮磷營養(yǎng)物能夠與地表徑流入一同進到地表水中。據(jù)調(diào)查，在城鎮(zhèn)中的常見的氮磷營養(yǎng)物的污染大多來自人類日常產(chǎn)生的垃圾、生活污水及工商業(yè)排污(如屠宰、食品、造紙、停車場等)。因為城市地表徑流帶來的巨大污染和危害，美國環(huán)保局已把其列為導(dǎo)致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[15]。

大氣沉降既是懸浮顆粒物，也是污染源的一個重要源頭。大氣沉降是造成陸源污染物的重要途徑。例如在火力發(fā)電時，通過燃燒煤，煤里含有的氮元素會以氮氧化物的形式上升進入空氣中，然后被氣流攜帶通過降雨、降雪的方式進入土壤或水體表面，以此使地表面和水體遭受污染。隨著礦物燃料燃燒、化學(xué)肥料生產(chǎn)以及畜牧業(yè)的發(fā)展，大氣氮磷沉降通量呈明顯增長趨勢。由于大氣中含有易溶于水的NHx和NOx，使得N極易隨著雨水的沖刷作用而沉降下來；而POx則主要附著在空氣中的顆粒、氣溶膠上，容易通過重力作用、布朗運動而沉降下來，成為湖泊營養(yǎng)鹽的來源之一。

4.5 水體人工養(yǎng)殖

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，越來越多的水源地被養(yǎng)殖產(chǎn)主擴張用于人工養(yǎng)殖。而在養(yǎng)殖的過程中投放的飼料和水產(chǎn)物的排泄物都含有磷元素和氮元素，在水中經(jīng)過長時間的沉淀積累成為水體富營養(yǎng)化的誘因。以南湖為例，有研究表明，2000年7、8月份南湖水質(zhì)各監(jiān)測項目均為突變高峰值, 經(jīng)調(diào)查漁場為提高魚產(chǎn)量從7月份開始至8月份向南湖投放了數(shù)十噸的磷酸二氫鉀、尿素、碳胺[1]。因此，國內(nèi)湖庫區(qū)人工養(yǎng)殖已成為水體富營養(yǎng)化的又一來源(表8)[12]。

表8 2000年下半年南湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論與討論

長株潭城市群是湖南省的核心組成部分，在大力發(fā)展長株潭城市群的同時，首先一定要提早防范發(fā)展所帶來的一系列問題，存在的環(huán)境健康風(fēng)險等級及風(fēng)險系數(shù)，提早做到預(yù)防為主，風(fēng)險管理的原則。水體富營養(yǎng)化是威脅著環(huán)境健康的一項重要指標，對于環(huán)境健康的風(fēng)險管理有著不可替代的潛在威脅，故本文以X湖的水體營養(yǎng)化為例，進行湖水評價的同時針對所存在的潛在威脅進行分析，提早預(yù)防。

針對水體富營養(yǎng)化的污染源不同，其治理方式也各有優(yōu)劣，應(yīng)從多方面綜合考慮實行措施，既要結(jié)合當?shù)氐淖匀粭l件和具體的富營養(yǎng)化狀況，控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)輸入,又減少內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)負荷。利用多種治理手段，分階段加以落實，逐步恢復(fù)富營養(yǎng)化水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使之趨于完善和穩(wěn)定，減緩富營養(yǎng)化進程，從而解決水體富營養(yǎng)化問題。水體富營養(yǎng)化治理是—項綜合工藝，只有通過多種技術(shù)的聯(lián)合修復(fù)，才能真正達到治理的目的。