董铺水库及入库河流表层沉积物污染状况评价

于坤 ，张坤，孙庆业 *，吴静林，李杨 ，孙乐乐

1. 安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；

2. 湿地生态保护与修复安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601；

3. 安徽庐阳董铺国家湿地公园管理处，安徽 合肥 230041

水库作为一种半人工、半自然的独特生态区域，对于区域供水、农业灌溉等具有重要作用（李虹等，2018）。但流域内的水土流失、植被破坏以及污水排放、垃圾堆放等往往会对水库环境质量及其湿地生态系统的健康造成一定的影响（Parsons et al.，2004；蔡庆华等，2003；曾畅云等，2004）。沉积物作为湿地生态系统的重要组成部分，是营养物质和污染物质重要的“汇”与“源”，水中的氮、磷和重金属等吸附于细颗粒物上进而在沉积物中淀积，形成沉积物蓄库，在外界因素影响下蓄积于沉积物中的营养物质和污染物又可释放到上覆水中，从而影响水质和富营养化过程（Islam et al.，2018；Kang et al.，2019；陈海龙等，2015；马牧源等，2019）。因此，研究沉积物中营养元素和重金属等污染物质含量、评价其污染状态，对于促进水体生态环境保护与恢复有重要指导意义。

近年来，由于流域水资源问题的不断出现，针对水体沉积物污染的研究也越来越广，涉及湿地（罗松英等，2019）、湖泊（Jin et al.，2019）、河流（Nguyen et al.，2016）、海湾（张起源等，2018）等多种类型生态系统；研究内容涵盖沉积物中污染物的形态（Junakova et al.，2012；Li et al.，2017；Noor et al.，2019）、空间分布（马睿等，2019）、释放机理（Kang et al.，2017）、来源解析（陈海龙等，2015）、生态风险评价（Léo et al.，2019；张茜等，2019）等多方面，研究结果对促进流域水体生态环境保护和恢复、提高湿地生态系统质量等起到了积极的作用。

董铺水库是合肥市一处重要的水源地，不仅在满足合肥城市饮用水方面具有极其重要的作用，同时在改善合肥市区域环境质量方面也扮演重要角色。依托于董铺水库进行试点建设的安徽庐阳董铺国家湿地公园是一处以水质保护为重点，兼顾湿地科普宣教、市民休闲娱乐等功能的国家级湿地公园。目前，仅有对董铺水库水质的研究评价（丁淑筌等，2006），尚无对董铺水库沉积物的研究分析。为深入了解、分析董铺水库及入库河流沉积物污染状况，本文基于董铺水库及入库河流沉积物中营养物质及重金属含量，对董铺水库沉积物进行污染评价和潜在生态风险分析，以期为更好地保护董铺水库水质及安徽庐阳董铺国家湿地公园（试点）提供依据。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区域概况

董铺水库地处合肥市西北近郊，位于南淝河上游，兴建于1956年，1960年开始蓄水运行。水库总库容2.42×109 m3，集水面积207.5 km2，正常水位为27.5 m，库区年平均气温17.1 ℃，平均降水量1255 mm。入库河流均为小型河流。为更好保护水库水质，合肥市庐阳区以董铺水库及其北部部分区域为核心，申请并获批建设安徽庐阳董铺水库国家湿地公园（试点），湿地公园总面积4667.43 hm2，其中湿地面积2949.79 hm2。

1.2 样点设置与样品采集及预处理

为了解董铺水库及入库河流沉积物质量，2017年8月在董铺水库内的典型区域设置采样点，同时在各入库河流分别设置1个断面（图1）。现场采用GPS进行定位，用面积为1/16 m2的彼得森采泥器采集水库及河流断面沉积物样本，每个样点或断面由3个平行样混合而成。采集的沉积物样本现场装于洁净的聚乙烯封口带内，并立即放入装有冰袋的约4 ℃保温箱内保存。带回实验室的样品经真空冷冻干燥后，用玛瑙研钵研磨，过20目和100目尼龙筛，用于化学性质分析。

图1 董铺水库及入库河流采样点示意图Fig. 1 Sketch map of sampling sites in Dongpu reservoir and its incoming river

1.3 沉积物样品分析

TN采用高氯酸-硫酸消化法处理后，使用凯氏定氮仪测定（鲁如坤，1998）；OM采用烧失量法测定（张光贵等，2014）；TP采用SMT（Standard Measurement and Test）法测定（Ruban et al.，2001）。为保证分析结果准确，每个样品加做平行样，同时保证平行分析误差＜5%，取平均值进行分析评价；重金属元素采用三酸消解法电热板消解（鲁如坤，1998），消解后的重金属元素用电感耦合等离子体质谱仪（ICAPQ，Thermo Fisher，美国）测定，测定过程中插入水系沉积物成分分析标准物质（GSS-9和GSS-26）进行质量控制，各元素加标回收率在91%—109%内，符合分析质量控制标准。

1.4 数据分析

氮磷综合污染指数法和有机污染指数法用于评价董铺水库及入库河流沉积物的营养物质污染状况，地累积指数法用于评价沉积物中重金属污染状况，潜在生态风险法用于评估重金属的潜在生态危害。

1.4.1 氮磷综合污染指数

由单项污染指数计算公式计算综合污染指数（FF），即：

式中，Si为单项评价指数；Si＞1表示因子i含量超过评价标准值；Ci为评价因子i的实测值；Cs为评价因子i的评价标准值，TN的Cs取 1000 mg·kg-1，TP的Cs取420 mg·kg-1（李芬芳等，2018）；F为n项污染指数平均值（STN和STP中平均值）；Fmax为最大单项污染指数（STN和STP中最大者）。根据王佩等（2012）的评价标准，综合污染程度度分级标准见表1。

1.4.2 有机污染指数

综合污染指数法将选用的评价参数TN、TP综合成一个概括的指数值来表征沉积物的污染状况，相对于单一指数法其具有优越性，但忽略了OM指标（Chen et al.，2016）。因此，本文采用有机污染指数法对董铺水库库区及入库河流沉积物的污染状况评价。

表1 沉积物综合污染程度分级Table 1 Classification of comprehensive pollution of sediments

式中：OI为有机指数；ω(OC)为有机碳质量分数，%；ω(ON)为有机氮质量分数，%；沉积物有机指数评价标准见表2（王永华等，2004）。

表2 沉积物有机污染指数评价标准Table 2 Assessment standards of sediment organic pollution index

1.4.3 地累积指数

地累积指数评价公式如下：

式中，Di为沉积物中重金属i的实测值，mg·kg-1；Bi为沉积物中重金属i的地球化学背景值，mg·kg-1；根据地累积指数，把沉积物中重金属富集程度分为7个等级（Muller，1969）。

1.4.4 潜在生态风险指数

潜在生态风险指数综合考虑了重金属的毒性、迁移转化规律以及重金属区域区域背景值的差异，定量划分出重金属的潜在生态风险程度，其计算公式如下（Acevedo-Figueroa et al.，2006）：式中，Ci(mg·kg-1)为沉积物中重金属i的实测值；(mg·kg-1)为重金属i的参比值；为重金属毒性相应系数；RI为综合潜在生态风险指数，表示总潜在生态风险程度。RI＜135，表示低风险程度；135≤RI＜265，表示中等风险程度；265≤RI＜525，表示重度风险程度；RI≤525，表示严重风险程度。单项金属i的潜在生态风险指数，表示单个污染物生态风险程度。＜40，表示低风险程度；40≤＜80，表示中风险程度；80≤ ＜160，表示较重风险程度；160≤＜320，表示重风险程度；≥320，表示严重风险程度（陈飘雪等，2016）。本文选用安徽省合肥市江淮流域土壤地球化学背景值作为参比值（陈兴仁等，2012）。

1.4.5 富集因子法

富集指数（EF）是用于判断环境介质中重金属来源的一种方法。选择地球化学性质与其他重金属相似且其天然沉积物中浓度趋于均匀的 Fe为参考元素，所选的背景值（R）与地累积指数法所选背景值相同，计算公式如下（Acevedo-Figueroa et al.，2006）：

式中，Di为沉积物中重金属i的实测值，mg·kg-1；Bi为沉积物中重金属i的地球化学背景值，mg·kg-1。当 EF≤1.5时，表明重金属完全源自地壳和岩石圈的自然风化过程；EF＞1.5，人为输入源已经成为重金属的明显来源（马牧源等，2019）。

1.5 数据处理

运用 Excel 2016对数据进行初步整理并计算Si、FF、OI、Igeo、RI，Origin 8.0 用于数据处理以及作图，Pearson相关性分析用SPSS 21.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 氮磷综合污染指数评价

库区沉积物中TN和TP质量分数分别为306.85—1817.58 mg·kg-1和 134.62—665.27 mg·kg-1，入库河流沉积物 TN和 TP质量分数分别为 178.58—724.99 mg·kg-1和 126.92—659.70 mg·kg-1，库区及入库河流沉积物氮磷综合污染指数见图 2。库区及其入库河流沉积物总氮的单项污染指数（STN）范围为 0.18－1.82，库区及入库河流总氮污染指数平均值为0.69，属于清洁级别，其中入库河流总氮污染指数全部属于清洁级别，库区部分采样点属于轻度-中度污染（占库区采样点的25%）。库区及入库河流沉积物总磷污染指数（STP）范围为0.30—1.58，平均值为0.86，总体属于轻度污染级别；河流沉积物的TP污染状况较库区严重，9个河流采样断面中属于中度-重度污染的断面为4个（占44.4%）；库区总磷污染指数属于清洁-轻度污染的采样点占库区采样点的75%，仅有25%采样点属于中度污染。总氮污染指数表现为库区高于河流，而总磷污染指数则呈相反的趋势。库区内不同采样之间以及不同河流之间沉积物中TN和TP的污染状况也存在差异，总氮污染指数表现为库区东部高于西部，H1和H9的总氮和总磷污染指数高于H2、H4和H8。

图2 董铺水库及入库河流沉积污染评价Fig. 2 Comprehensive pollution evaluation index of sediment in Dongpu reservoir and its incoming river

库区及入库河流的沉积物氮磷综合污染指数（FF）范围为0.33—1.67（平均值为0.89），整体上属于清洁级别，河流各采样断面均属于清洁-轻度污染，库区绝大多数采样点亦处于清洁-轻度污染水平，仅有一个采样点（K6）属于中度污染。K1、K4、K5和 K6的氮磷综合污染指数高于其他采样点，H1、H5、H7和H9的氮磷综合污染指数高于其他采样断面。

2.2 有机污染指数评价

董铺水库库区和入库河流沉积物中有机质质量分数分别为1.84%—8.48%和2.43%—4.62%。库区及入库河流沉积物的有机污染指数（OI）为0.03—0.77（图 2），平均值为 0.19，属于轻度污染。库区沉积物的有机污染指数高于河流，河流中除一个采样断面的污染状况属于重度污染，其余采样断面均为清洁-中度清洁（占河流全部采样断面的88%以上）；库区中属于清洁-轻度污染的采样点占库区采样点的50%，有一个采样点（K6）存在有机污染；库区东部沉积物有机污染状况比西部严重，与氮磷综合污染评价的结果相一致。

2.3 地累积指数评价

表3为库区及入库河流沉积物重金属地累积指数的评价结果及所参考的等级标准（陈飘雪等，2016）。库区沉积物Cu的Igeo值小于0，属于清洁等级，而Zn、Pb、Mn均存在一定程度的轻度污染（其中Zn的污染等级平均值0.27），库区沉积物4种重金属的平均污染程度由高到低依次是Zn、Mn、Pb、Cu。河流沉积物中Cu的Igeo值也小于0，其余3种重金属也表现为轻度污染，与库区沉积物地累

表3 董铺水库及入库河流沉积物重金属地累积指数评价Table 3 Geo-accumulation indices of heavy metals for the sediments in Dongpu reservoir and its incoming river

2.4 潜在生态风险评价

图3 董铺水库及入库河流沉积物重金属潜在生态风险评价Fig. 3 Assessment of potential ecological risk of heavy metals for the sediments in Dongpu reservoir and its incoming river

数据分析表明，库区沉积物 Cu、Zn、Pb和Mn的单项生态风险指数平均值分别为3.6、1.8、5.4和 1.0，所有采样点均处于低等风险水平，对库区沉积物重金属的潜在生态风险贡献率分别为30.6%、15.5%、45.2%、8.7%；入库河流沉积物Cu、Zn、Pb和 Mn的单项生态风险指数平均值分别为4.0、1.8、5.7和 1.1，对库区沉积物重金属的潜在生态风险贡献率分别为 31.8%、14.1%、45.6%、8.5%。相比Zn和Mn，Cu和Pb对于库区与河流沉积物潜在生态风险的贡献率相对较高。

2.5 TN、TP和OM相关性

董铺水库及入库河流沉积物 TN、TP、OM 相关性分析见表4。库区沉积物TN、TP、OM均存在显著或极显著的正相关性，TP与OM相关性最高，表明N、P的形态、来源及其在水中的迁移转化过程具有一定的相似性（苗慧等，2017）。入库河流沉积物TN、TP、OM之间均无显著相关性。

2.6 重金属富集指数

通过了解董铺水库及入库河流沉积物重金属元素的富集程度，判断环境介质中重金属的来源。图4表明，库区沉积物中，Zn、Pb、Mn富集指数的平均值均大于1.5，其中Zn的富集指数均值达到2.7，表明这库区沉积物中 3种重金属的来源以人为的外源输入为主；库区全部采样点 Cu的富集指数均小于1.5，主要为自然来源。入库河流的沉积物中，Cu、Zn、Pb和Mn的富集指数存在较大差异，各条河流沉积物中Zn的富集系数均大于1.5，Cu、Pb和Mn分别只有2条（H1和H9）、4条（H1、H4、H7和H9）和3条（H4、H5和H7）的富集系数大于1.5。

表4 董铺水库及入库河流沉积物中TN、TP、OM相关性分析Table 4 Correlations analysis of TN，TP and OM in the sediments of Dongpu reservoir and its incoming river

3 讨论

与入库河流相比，库区沉积物的TN含量较高，呈现库区积累的现象。库区沉积物中较高的TN含量可能与水库水深及水动力交换较弱有关，当入库河流流入水库时，断面突然变宽，流速降低促使泥沙淤积（王亚平等，2017），导致随河流携带而来的氮素在水库表层沉积物中积累，如本研究中位于河流入库河口处的 K4、K5点位和水动力交换较弱的K6点位。相关性分析表明，库区沉积物中TN、TP、OM之间均存在显著（rTN-TP=0.591*，rTN-OM=0.573*）或极显著（rTP-OM=0.805**）的正相关性，表明库区沉积物中氮、磷和有机质的积累过程有较高的同步性。相对于库区沉积物，各入库河流沉积物中TN、TP、OM 之间均无显著的相关性，这可能与不同入库河流接受不同的外源输入有关（Dai et al.，2014；苏玉萍等，2015）。本研究中，所有入库河流均属于小型河流，且在地理空间上彼此隔离、互不连通，除暴雨期外一般水流流速很低，H1、H3、H7和H9受市民生产、生活影响较大，外源性输入氮、磷和有机质的数量的不同可能是造成不同入库河流沉积物中TN、TP、OM差异的主要原因。

本研究中，除K6（FF=1.67，OI=0.77）外，董铺水库库区及入库河流沉积物氮磷综合污染指数和有机污染指数均处于清洁-轻度污染。与国内其他水库相比，如金盆水库（王亚平等，2017）、万宁水库（谢飞等，2014）等，董铺水库库区TN含量处于中等水平，表明董铺水库局部区域存在较高的内源氮负荷；另外，H1、H3、H7和H9沉积物中较高的磷负荷也会在暴雨季节进入水库，可能会增加水库沉积物内源磷负荷。因此采取适当的工程措施（如清淤等）移除水库局部区域沉积物中的氮、控制入库河流沉积物中的磷，对于保护董铺水库水质是非常重要的。

图4 董铺水库及入库河流沉积物中重金属元素富集指数Fig. 4 Enrichment factors of heavy metals in the sediments in Dongpu reservoir and its incoming river

水体沉积物中的重金属来源十分广泛，既有人为来源（如废水排放、固体废弃物堆积、交通活动、燃料燃烧、采矿冶炼等）也有自然来源（Islam et al.，2018；李芬芳等，2018）。富集指数分析表明库区沉积物中3种重金属Zn、Pb、Mn以人为的外源输入为主，Pb主要与船只燃料产生的污染有关（闫兴成等，2016），导致库区沉积物中Zn、Mn富集的主要原因一方面可能是城镇生活污水和农业废水的排放，另一方面可能与杀虫剂、农药通过地表径流输入等有关（张菊等，2016）。库区沉积物 Cu以流域内母质风化等自然源为主要来源（陈飘雪等，2016）。相对于库区沉积物，9条河流的沉积物中，Cu、Zn、Pb和 Mn的富集指数存在较大差异，这可能与不同河流因接受流域内的生活、农业灌溉及地表径流等来水有关（闫兴成等，2016）。整体而言，尽管董铺水库库区及入库河流沉积物某些重金属存在一定程度的富集，且由于沉积物Cu、Pb较高的毒性响应系数，导致其对潜在生态风险指数有较高的贡献率，但综合生态风险整体上仍处于较低水平，为了保证饮用水安全，水库流域范围内重金属污染控制必须做到常抓不懈。

4 结论

库区及河流沉积物氮磷综合污染指数整体属于清洁水平；库区总氮污染指数和综合污染指数均高于入库河流，呈现出库区积累现象，而总磷污染指数则表现出相反的趋势；董铺水库库区及入库河流总体有机污染指数属于轻度污染范围，有机污染指数的空间差异与氮磷综合污染指数的空间变化相一致；相关性分析表明库区沉积物中TN、TP、OM积累过程有较高的同步性，而入库河流因受不同外源输入影响的原因，营养元素之间无显著相关性。

董铺水库库区及入库河流沉积物4种重金属地累积指数属于清洁-轻度污染范围，4种重金属的污染程度由高到低依次是 Zn、Pb、Mn和 Cu；库区及入库河流沉积物的重金属（Cu、Zn、Pb、Mn）生态风险处于较低水平，Cu和Pb为主要的潜在生态风险因子；库区沉积物中 3种重金属 Zn、Pb、Mn以人为的外源输入为主，Cu以流域内母质风化等自然源为主要来源。而河流的沉积物中，Cu、Zn、Pb和Mn的富集指数存在较大差异。