衡水湖水体中营养物质和重金属含量测定及风险评价

张志强

（衡水学院生命科学学院 河北 衡水 053000）

目前，我国的七大水系均受到不同程度的营养盐及重金属污染，且营养盐及重金属含量有逐年增长的趋势[1]，鄱阳湖、千岛湖、洞庭湖等主要湖泊底泥重金属污染较严重[2]。不论是营养盐污染还是重金属污染，都严重影响着人类的健康和安全。衡水市是京津冀城市群重要的组成部分，水资源是经济可持续发展的生态保障基础，其水资源变化影响着区域的农业生产、洪涝灾害防御及其他生产经营活动[3，4]。衡水湖是衡水市唯一的国家级自然保护区，属于城市淡水湖泊流动性较差的水体，由于衡水湖水体较浅，导致物质交换受阻，自净能力减弱，加之反季节补水、跨流域调水、地表径流农田退水及河道积淤等多种原因，造成了严峻的水质污染问题[5]。因此，为更好的掌握衡水湖水质现状，保护衡水湖生态系统的健康，本研究基于衡水湖实地勘测，结合大量文献资料，根据其地形特点，选取了10 个水样采集点，通过对每个样点的总氮、总磷和铅、镉、铜、锌等指标含量测定，并进行污染现状分析，从而了解衡水湖水质污染程度，为其改善和防治提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 采样点布设及样品采集

1.1.1 采样点的布设。根据衡水湖地形以及周边环境在衡水湖选取10 个采样点，分别为：位点1 北开阔区、位点2 芦苇中、位点3 芦苇东、位点4 湖心区、位点5 南部区域1、位点6 南部区域2、位点7 竹林寺、位点8 王口闸、位点9 荷花区、位点10 小库。其中位点1 ～9 位于大库，位点10 位于小库。10 个样点的具体位置见表1。

表1 采样位点

1.1.2 样品采集与预处理。样品采集时间为2021 年11 月2 日。用有机玻璃取水器在水面下50 cm 处取1 000 ml 水样，经过0.45 μm 滤膜过滤后装入超纯水清洗过的聚乙烯塑料采样瓶中。将水样带回，贮存在4 ℃左右的冰箱中待测。

1.2 测定指标及方法。测定指标有总氮、总磷、总有机碳以及镉、铜、铅、锌等4 种重金属，其中总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解+紫外分光光度法测定，总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法测定，总有机碳采用TOC 测定仪进行测定，重金属(Cu、Zn、Pb、Cd)采用微波消解+原子吸收分光光度法测定。

1.3 数据处理及评价方法

1.3.1 单因子指数法。单因子指数法是通过计算超标指数来确定评价等级的方法，即将某种污染物实测浓度与该种污染物的评价标准进行比较，以确定水质类别。其计算公式为：Pi=Ci/Co；式中Ci为测得的评价指标浓度值(mg/L)，Co为评估指标的最高允许标准值(mg/L)，Pi即为重金属i 的单因子污染指数。单因子指数法污染等级划分标准见表3。

表2 各个指标Co 标准

表3 单因子指数法污染等级划分

1.3.2 内梅罗污染指数法。内梅罗综合污染指数法兼顾了最高值和平均值，能够突出污染较重的重金属污染物。它的表达式为式中，Pmax是水样中所测的各种指标单因子指数的最大值，Pave则是各种检测指标单因子指数的平均值，PN即为所求的内梅罗指数。表4 为综合污染指数等级划分标准。

表4 综合污染指数等级划分

2 结果与分析

2.1 水体中营养盐测定结果。图1 为衡水湖水体中总氮、总磷、TOC 含量分布情况。

2.1.1 总氮含量测定结果。由图1(a)可知，衡水湖水体中总氮含量为0.44 ～0.819 mg/L，平均含量为0.562 mg/L，最大值位于小库，最小值位于王口闸。变异程度能够在一定程度上体现物质含量在不同位点分布的差异大小，变异程度可分为：弱变异性，Cv＜10%；中等变异性，10%＜Cv＜100%；强变异性，Cv＞100%[6]。不同位点之间总氮含量变异系数为17.42%，属于中等变异。从空间上看，小库的含量明显高于其它位点。根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，除王口闸的总氮含量符合II 类水质，其它位点含量均符合III 类水质。

2.1.2 总磷含量测定结果。由图1(b)可知，衡水湖水体中总磷含量为0.067 ～0.115 mg/L，平均含量为0.084 mg/L，最大值位于小库，最小值位于王口闸。不同位点总磷含量变异系数为15.67%，属于中等变异。从空间上看，总磷的分布情况和总氮的分布情况存在一定的相似，即小库含量均高于其它位点。根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，衡水湖所有位点总磷含量均符合IV 类水质。

2.1.3 TOC 含量测定结果。由图1(C)可知，衡水湖水体中TOC 含量为4.84 ～8.05 mg/L，平均含量为5.4 mg/L，最大值位于小库，最小值位于湖心区。不同位点之间TOC 含量变异系数为17.46%，属于中等变异。从空间上看，小库TOC 含量高于其它位点。

图1 总氮 总磷 TOC 含量分布图

2.2 水体中重金属测定结果。表5 为衡水湖水体中重金属含量的测定结果。由表5 可知，重金属Cu、Zn、Pb、Cd 的含量分别为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 均值分别为4.35 μg/L、43.5 μg/L、0.604 μg/L、0.016 μg/L。从变异系数上进行分析，可以发现Cd、Cu、Zn 属于中等变异，Pb 属于弱变异。根据《地表水环境质量标准》可知，4 种重金属的含量均符合I类水质标准。

表5 水体中重金属含量统计特征值

2.3 水体污染评价。表6 是衡水湖水质中营养盐和重金属污染评价结果，由表6 可以发现，衡水湖水体中总氮的单因子污染指数为0.444 ～0.819，最大值和最小值分别位于小库和王口闸，所有位点的总氮Pi均小于1，说明衡水湖所有位点的总氮不存在污染情况。衡水湖水体中总磷的单因子污染指数值在1.340 ～2.300，最大值和最小值分别位于王口闸和小库，其中小库位点的总磷含量处于中等污染等级，其它位点的总磷含量位于轻污染等级。衡水湖水体中Pb、Cu、Zn、Cd 4 种重金属的单因子污染指数值均在0.0026 ～0.0515，且4 种重金属的单因子污染指数均值分别为0.0044、0.0435、0.0121 和0.0033，所以衡水湖水体中4 种重金属均为无污染。由内梅罗综合污染指数可以看出，综合污染指数为0.990 ～1.697，平均值为1.231。衡水湖除王口闸属于相对清洁，其它位点属于轻度污染。整体上看，衡水湖属于轻度污染。

表6 衡水湖水质中营养盐和重金属污染评价

3 结论

3.1 总氮含量在0.44 ～0.819 mg/L，平均含量为0.562 mg/L；总磷含量在0.067 ～0.115 mg/L，平均含量为0.084 mg/L；TOC 含量在4.84 ～8.05 mg/L，平均含量为5.4 mg/L。

3.2 重金属Cu、Zn、Pb、Cd 的含量分别为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，平均值分别为4.35 μg/L、43.5 μg/L、0.604 μg/、0.016 μg/L。

3.3 衡水湖水体的综合污染指数均值为1.231，衡水湖整体上处于轻度污染。