宿州市护城河水体重金属含量特征及污染评价

方 瑞 林曼利,2* 张皖津 闵 宁

（1 宿州学院资源与土木工程学院 安徽宿州 234000 2 中国矿业大学环境与测绘学院 江苏徐州 221116）

引言

近年来，人类活动对生态环境的影响加剧，工业废水和生活污水未达标排放导致地表水环境受到一定程度的污染和破坏。2022 年中国环境监测总站统计的数据显示，Ⅰ类水水质断面下降了0.7%，Ⅱ类水水质断面下降了1.2%，Ⅳ类水水质断面下降了0.8%，Ⅴ类水水质断面上升了0.3%[1]。人类对地表水资源不合理的开发及利用，导致地表水体及水环境出现了一系列问题[2]，而对于城市地表水研究的重点多偏向于氨氮、总氮、总磷等常规污染物，却忽略了重金属污染[3][4]。目前，多功能景观城市河流已成为人们新的精神文化需求，因此开展地表水重金属污染研究对保障水环境质量具有重要意义。本文以安徽省宿州市护城河水体为研究对象，对其重金属含量特征及污染状况进行评价，以期为宿州市地表水污染防治提供相关参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宿州市位于安徽省北部，属于华北暖温带半湿润季风气候，年平均气温 14～15℃，年平均降雨量700～900mm[5]。宿州市为典型的煤炭资源型城市，煤炭资源丰富，是两淮煤田的重要组成部分[6]。宿州市护城河属沱河支流，环绕老城区一周后又汇入沱河，其深度约为1.5m，河宽约为20m。随着城市化建设、煤炭开采和工业发展等造成的水环境质量下降，护城河水体逐渐失去饮用水功能，目前仅作为景观用水[7]。

1.2 样品的采集与处理

环绕护城河共布设采样点16 个，采样时间为2022 年10 月，采样点位置如图1 所示。采样前1 个星期内无降雨。采样时所使用的样品瓶均为干净、清洁纯净水瓶，且采样前用原样润洗2～3 次。样品采集后迅速带回实验室进行处理，首先，用0.45μm 水系滤膜进行抽滤；然后，将抽滤后水样加浓硝酸酸化至pH ＜2；最后，采用ICP-MS（赛默飞，Element-2）测试Zn、Ni、Cr、As、Cu、Pb、Cd 共7 种 重 金属元素。

1.3 污染评价方法

传统内梅罗污染指数法因具有计算方便、结果直观等优点而得到广泛采用，但运用传统内梅罗污染指数法进行污染评价时存在着一定的问题[8]，后有学者在传统内梅罗污染指数法基础上引入污染因子权重来使污染评价结果更为准确。物元分析是在可拓集合基础上建立的可拓数学[9]，物元分析法通过建立事物各项指标参数模型，根据事物特征的量值来判断事物属于某集合的程度，最终以定量的数值来展现评价结果[10]。故而本文采用改进的内梅罗污染指数法和物元分析法对护城河重金属污染状况进行评价。

1.3.1 改进的内梅罗污染指数法

计算方法见式（1）、式（2）。

式中Ci—污染因子i 的实测浓度；Si—标准值（按GB3838-2002 中Ⅲ类水的最大限值计算）；Ii—单因子污染指数。

式中Iave—单因子污染指数平均值；Imax—单因子污染指数最大值；I’—权重最大的污染因子单因子污染指数；P—改进的内梅罗污染指数。

权重值的计算方法见式（3）。

式中Ri—污染因子i 的相关性比值；Smax—所有污染因子中评价指标的最大值；Fi—污染因子i的权重值。

1.3.2 物元分析法

利用物元理论，将水质评价类别、评价指标和评价指标的限值作为物元，建立水体污染评价的物元模型，其计算过程如下。

1.3.2.1 建立水体重金属污染水平的物元矩阵

如果被评估物元N 需要n 个评估指标T1、T2、T3……Tn，以及相应的测量数值V1、V2、V3……Vn来描述，那么3 者有序排列则成为n 维物元，即得到物元矩阵。

1.3.2.2 确定待判物元的经典域和节域

将被评估物元N分为j个等级，该水平下的本征值（Ti）及各级别关于本征值的取值范围（Vji）有序排列得到的矩阵为经典域；将被评估物元N的全部等级、本征值（Ti）、节域物元关于评价指标Ti的取值范围（Vpi）有序排列得到的矩阵为节域。

1.3.2.3 距的计算

点Xi到Vji=（aji,bji）的 距 离 为p（Xi,Vji）,点Xi到Vpi=（api,bpi）的距离为p（Xi,Vpi）。

1.3.2.4 确定关联函数计算关联度

计算方法见式（4）。

1.3.2.5 权重的计算

权重是指某个指标在整体评价中的相对重要程度，一般来说，污染浓度高且危害程度大的指标在综合评价中应占有较大的权重[11]，因此选择指标污染负荷贡献率及重金属元素的毒性系数相结合的计算方法，如式（5）所示。

式中Gi—第i个污染物的权重；Ci—污染物i的实测浓度；Si—污染物对应GB3838-2002 中Ⅲ类水最大现值；Yi—污染物i的毒性系数，Cr、As、Cu、Zn、Pb、Cd 的毒性系数分别为2、10、5、1、5、30[12]。

1.3.2.6 综合关联度的计算

计算方法见式（6）。

1.3.2.7 评价等级的确定

根据最大隶属原则，即综合关联度的值越大，表明被评价系统越符合某级评估等级的要求；其值越小，则越不符合某级评估等级的要求[13]。因此，选择Kj（N0）中的最大值为最终评估等级。

2 结果与分析

2.1 重金属含量特征分析

通过对宿州市护城河16 个采样点采集的水样进行检测，得到7 种重金属元素统计分析含量，如表1 所示。由表1 可以看出，7 种重金属元素的平均含量顺序为Zn＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd，对比GB3838-2002 中Ⅲ类水标准，在16 个采样点中重金属元素的最大值均未超过Ⅲ类水标准的限值。对比GB12941-1991 中B 类水标准，重金属元素最大值均未超过B 类水标准限值。变异系数是衡量数据离散程度的标准，变异系数的大小代表着单位均值上的数据离散程度。重金属元素Pb 的变异系数为174.07%，属于重度变异，表明重金属元素Pb 在各采样点间浓度存在较大差异；其余6 种重金属元素的变异系数均属于中等变异，表明其余6 种重金属元素在各采样点间浓度也存在着差异。

2.2 改进的内梅罗污染指数法评价结果

运用改进的内梅罗污染指数法，对宿州市护城河水重金属污染状况进行评价，结果见表2。由表2 可知，各采样点改进的内梅罗污染指数大小顺序为S6＞S7＞S5＞S8＞S4＞S9＞S10＞S13＞S14＞S1＞S15＞S3＞S12＞S16＞S2＞S11，采样点S6 改进的内梅罗污染指数最大，为0.0443，但也小于水质级别Ⅰ级的最大限值，因此由表3对比评价指标可知宿州市护城河16 个采样点均属于Ⅰ级，为无污染水平。

表2 改进的内梅罗污染指数结果

表3 改进的内梅罗污染指数法评价指标

2.3 物元分析法评价结果

物元分析法运算过程复杂且样品较多，现以样点S1 为例进行计算，其过程如下。

2.3.1 建立待判物元矩阵以采样点S1 为例，建立矩阵如式（7）所示。

2.3.2 建立经典域和节域

根据GB 3838-2002，建立经典域矩阵如式（8）～（11）所示。

节域矩阵如式（12）所示。

2.3.3 权重的确定

根据式（5）计算采样点S1 各污染因子的权重系数，Cr、As、Cu、Zn、Pb、Cd 的权重分别为0.1357、0.6116、0.012、0.0081、0.0270、0.2064。

2.3.4 综合关联度

根据式（4）、式（6）得出采样点S1 各污染等级综合关联度及评估等级，采样点S1 在各污染等级的综合关联度分别为0.0642、-0.9358、-0.9817、-0.9909，根据最大隶属原则，可以得出采样点S1 评估等级为Ⅰ级。

按照上述方法对宿州市护城河水体重金属污染进行评价，经计算得到16 个采样点的最大关联度及评估等级，详见表4。由表4 可知，研究区范围内采样点的最大关联度大小顺序为S6＞S7＞S5＞S8＞S4＞S9＞S15＞S16＞S10＞S14＞S3＞S13＞S1＞S12＞S2＞S11，所有采样点均在第Ⅰ级别取到最大关联度，根据最大隶属原则，可以得出16 个采样点评估等级均为Ⅰ级，为无污染。

表4 各采样点综合关联度结果

3 讨论

综上所述，改进的内梅罗污染指数法和物元分析法污染评价结果均表明宿州市护城河水体未受重金属污染，对各采样点评价结果大致相同。

结论

安徽省宿州市护城河水体重金属元素的平均含量顺序为Zn＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd，重金属元素浓度最大值均未超过GB3838-2002 中Ⅲ类水标准限值，且未超过GB12941-1991 中B 类水标准限值。

运用改进的内梅罗污染指数法进行污染评价，所有采样点改进的内梅罗污染指数均小于污染级别Ⅰ的最大限值0.421。物元分析法得出所有采样点评估等级均为Ⅰ级，为无污染。2 种评价方法均表明宿州市护城河水体未受重金属污染。