宿州市護(hù)城河水體重金屬含量特征及污染評(píng)價(jià)

方 瑞 林曼利,2* 張皖津 閔 寧

（1 宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院 安徽宿州 234000 2 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院 江蘇徐州 221116）

引言

近年來，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響加劇，工業(yè)廢水和生活污水未達(dá)標(biāo)排放導(dǎo)致地表水環(huán)境受到一定程度的污染和破壞。2022 年中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，Ⅰ類水水質(zhì)斷面下降了0.7%，Ⅱ類水水質(zhì)斷面下降了1.2%，Ⅳ類水水質(zhì)斷面下降了0.8%，Ⅴ類水水質(zhì)斷面上升了0.3%[1]。人類對(duì)地表水資源不合理的開發(fā)及利用，導(dǎo)致地表水體及水環(huán)境出現(xiàn)了一系列問題[2]，而對(duì)于城市地表水研究的重點(diǎn)多偏向于氨氮、總氮、總磷等常規(guī)污染物，卻忽略了重金屬污染[3][4]。目前，多功能景觀城市河流已成為人們新的精神文化需求，因此開展地表水重金屬污染研究對(duì)保障水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。本文以安徽省宿州市護(hù)城河水體為研究對(duì)象，對(duì)其重金屬含量特征及污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為宿州市地表水污染防治提供相關(guān)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

宿州市位于安徽省北部，屬于華北暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫 14～15℃，年平均降雨量700～900mm[5]。宿州市為典型的煤炭資源型城市，煤炭資源豐富，是兩淮煤田的重要組成部分[6]。宿州市護(hù)城河屬沱河支流，環(huán)繞老城區(qū)一周后又匯入沱河，其深度約為1.5m，河寬約為20m。隨著城市化建設(shè)、煤炭開采和工業(yè)發(fā)展等造成的水環(huán)境質(zhì)量下降，護(hù)城河水體逐漸失去飲用水功能，目前僅作為景觀用水[7]。

1.2 樣品的采集與處理

環(huán)繞護(hù)城河共布設(shè)采樣點(diǎn)16 個(gè)，采樣時(shí)間為2022 年10 月，采樣點(diǎn)位置如圖1 所示。采樣前1 個(gè)星期內(nèi)無降雨。采樣時(shí)所使用的樣品瓶均為干凈、清潔純凈水瓶，且采樣前用原樣潤(rùn)洗2～3 次。樣品采集后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，首先，用0.45μm 水系濾膜進(jìn)行抽濾；然后，將抽濾后水樣加濃硝酸酸化至pH ＜2；最后，采用ICP-MS（賽默飛，Element-2）測(cè)試Zn、Ni、Cr、As、Cu、Pb、Cd 共7 種 重 金屬元素。

1.3 污染評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法因具有計(jì)算方便、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛采用，但運(yùn)用傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)時(shí)存在著一定的問題[8]，后有學(xué)者在傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法基礎(chǔ)上引入污染因子權(quán)重來使污染評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確。物元分析是在可拓集合基礎(chǔ)上建立的可拓?cái)?shù)學(xué)[9]，物元分析法通過建立事物各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)模型，根據(jù)事物特征的量值來判斷事物屬于某集合的程度，最終以定量的數(shù)值來展現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果[10]。故而本文采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和物元分析法對(duì)護(hù)城河重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3.1 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

計(jì)算方法見式（1）、式（2）。

式中Ci—污染因子i 的實(shí)測(cè)濃度；Si—標(biāo)準(zhǔn)值（按GB3838-2002 中Ⅲ類水的最大限值計(jì)算）；Ii—單因子污染指數(shù)。

式中Iave—單因子污染指數(shù)平均值；Imax—單因子污染指數(shù)最大值；I’—權(quán)重最大的污染因子單因子污染指數(shù)；P—改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)。

權(quán)重值的計(jì)算方法見式（3）。

式中Ri—污染因子i 的相關(guān)性比值；Smax—所有污染因子中評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值；Fi—污染因子i的權(quán)重值。

1.3.2 物元分析法

利用物元理論，將水質(zhì)評(píng)價(jià)類別、評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)指標(biāo)的限值作為物元，建立水體污染評(píng)價(jià)的物元模型，其計(jì)算過程如下。

1.3.2.1 建立水體重金屬污染水平的物元矩陣

如果被評(píng)估物元N 需要n 個(gè)評(píng)估指標(biāo)T1、T2、T3……Tn，以及相應(yīng)的測(cè)量數(shù)值V1、V2、V3……Vn來描述，那么3 者有序排列則成為n 維物元，即得到物元矩陣。

1.3.2.2 確定待判物元的經(jīng)典域和節(jié)域

將被評(píng)估物元N分為j個(gè)等級(jí)，該水平下的本征值（Ti）及各級(jí)別關(guān)于本征值的取值范圍（Vji）有序排列得到的矩陣為經(jīng)典域；將被評(píng)估物元N的全部等級(jí)、本征值（Ti）、節(jié)域物元關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ti的取值范圍（Vpi）有序排列得到的矩陣為節(jié)域。

1.3.2.3 距的計(jì)算

點(diǎn)Xi到Vji=（aji,bji）的 距 離 為p（Xi,Vji）,點(diǎn)Xi到Vpi=（api,bpi）的距離為p（Xi,Vpi）。

1.3.2.4 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)度

計(jì)算方法見式（4）。

1.3.2.5 權(quán)重的計(jì)算

權(quán)重是指某個(gè)指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度，一般來說，污染濃度高且危害程度大的指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中應(yīng)占有較大的權(quán)重[11]，因此選擇指標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率及重金屬元素的毒性系數(shù)相結(jié)合的計(jì)算方法，如式（5）所示。

式中Gi—第i個(gè)污染物的權(quán)重；Ci—污染物i的實(shí)測(cè)濃度；Si—污染物對(duì)應(yīng)GB3838-2002 中Ⅲ類水最大現(xiàn)值；Yi—污染物i的毒性系數(shù)，Cr、As、Cu、Zn、Pb、Cd 的毒性系數(shù)分別為2、10、5、1、5、30[12]。

1.3.2.6 綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

計(jì)算方法見式（6）。

1.3.2.7 評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

根據(jù)最大隸屬原則，即綜合關(guān)聯(lián)度的值越大，表明被評(píng)價(jià)系統(tǒng)越符合某級(jí)評(píng)估等級(jí)的要求；其值越小，則越不符合某級(jí)評(píng)估等級(jí)的要求[13]。因此，選擇Kj（N0）中的最大值為最終評(píng)估等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量特征分析

通過對(duì)宿州市護(hù)城河16 個(gè)采樣點(diǎn)采集的水樣進(jìn)行檢測(cè)，得到7 種重金屬元素統(tǒng)計(jì)分析含量，如表1 所示。由表1 可以看出，7 種重金屬元素的平均含量順序?yàn)閆n＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd，對(duì)比GB3838-2002 中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，在16 個(gè)采樣點(diǎn)中重金屬元素的最大值均未超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的限值。對(duì)比GB12941-1991 中B 類水標(biāo)準(zhǔn)，重金屬元素最大值均未超過B 類水標(biāo)準(zhǔn)限值。變異系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)離散程度的標(biāo)準(zhǔn)，變異系數(shù)的大小代表著單位均值上的數(shù)據(jù)離散程度。重金屬元素Pb 的變異系數(shù)為174.07%，屬于重度變異，表明重金屬元素Pb 在各采樣點(diǎn)間濃度存在較大差異；其余6 種重金屬元素的變異系數(shù)均屬于中等變異，表明其余6 種重金屬元素在各采樣點(diǎn)間濃度也存在著差異。

2.2 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，對(duì)宿州市護(hù)城河水重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。由表2 可知，各采樣點(diǎn)改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)大小順序?yàn)镾6＞S7＞S5＞S8＞S4＞S9＞S10＞S13＞S14＞S1＞S15＞S3＞S12＞S16＞S2＞S11，采樣點(diǎn)S6 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)最大，為0.0443，但也小于水質(zhì)級(jí)別Ⅰ級(jí)的最大限值，因此由表3對(duì)比評(píng)價(jià)指標(biāo)可知宿州市護(hù)城河16 個(gè)采樣點(diǎn)均屬于Ⅰ級(jí)，為無污染水平。

表2 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)結(jié)果

表3 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3 物元分析法評(píng)價(jià)結(jié)果

物元分析法運(yùn)算過程復(fù)雜且樣品較多，現(xiàn)以樣點(diǎn)S1 為例進(jìn)行計(jì)算，其過程如下。

2.3.1 建立待判物元矩陣以采樣點(diǎn)S1 為例，建立矩陣如式（7）所示。

2.3.2 建立經(jīng)典域和節(jié)域

根據(jù)GB 3838-2002，建立經(jīng)典域矩陣如式（8）～（11）所示。

節(jié)域矩陣如式（12）所示。

2.3.3 權(quán)重的確定

根據(jù)式（5）計(jì)算采樣點(diǎn)S1 各污染因子的權(quán)重系數(shù)，Cr、As、Cu、Zn、Pb、Cd 的權(quán)重分別為0.1357、0.6116、0.012、0.0081、0.0270、0.2064。

2.3.4 綜合關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式（4）、式（6）得出采樣點(diǎn)S1 各污染等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度及評(píng)估等級(jí)，采樣點(diǎn)S1 在各污染等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度分別為0.0642、-0.9358、-0.9817、-0.9909，根據(jù)最大隸屬原則，可以得出采樣點(diǎn)S1 評(píng)估等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

按照上述方法對(duì)宿州市護(hù)城河水體重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)計(jì)算得到16 個(gè)采樣點(diǎn)的最大關(guān)聯(lián)度及評(píng)估等級(jí)，詳見表4。由表4 可知，研究區(qū)范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的最大關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)镾6＞S7＞S5＞S8＞S4＞S9＞S15＞S16＞S10＞S14＞S3＞S13＞S1＞S12＞S2＞S11，所有采樣點(diǎn)均在第Ⅰ級(jí)別取到最大關(guān)聯(lián)度，根據(jù)最大隸屬原則，可以得出16 個(gè)采樣點(diǎn)評(píng)估等級(jí)均為Ⅰ級(jí)，為無污染。

表4 各采樣點(diǎn)綜合關(guān)聯(lián)度結(jié)果

3 討論

綜上所述，改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和物元分析法污染評(píng)價(jià)結(jié)果均表明宿州市護(hù)城河水體未受重金屬污染，對(duì)各采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果大致相同。

結(jié)論

安徽省宿州市護(hù)城河水體重金屬元素的平均含量順序?yàn)閆n＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Cd，重金屬元素濃度最大值均未超過GB3838-2002 中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，且未超過GB12941-1991 中B 類水標(biāo)準(zhǔn)限值。

運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，所有采樣點(diǎn)改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)均小于污染級(jí)別Ⅰ的最大限值0.421。物元分析法得出所有采樣點(diǎn)評(píng)估等級(jí)均為Ⅰ級(jí)，為無污染。2 種評(píng)價(jià)方法均表明宿州市護(hù)城河水體未受重金屬污染。