衡水湖湖滨带底泥重金属检测及污染分析与评价

王 悦，孙金旭，卢艳敏

(衡水学院 生命科学学院，河北 衡水 053000)

衡水湖总面积有268 km2，在华北地区的单位水地区排名第一，是华北平原地区的第二大淡水湖。衡水湖物种多样性极其复杂，北温带很多动植物在此处聚集，野生植物种类有383种，鸟类有310种，昆虫有416种，鱼类有34种，两栖爬行类动物有17种，哺乳类动物有20种。在此之中，国家一级保护鸟类有7种，国家二级保护鸟类高达46种。衡水湖作为国家级自然保护区，具有防洪、淹没、节水抗旱、防空调气候、控制水土流失、降解环境污染等功能。这不仅是为了衡水市人民的利益，它还起着重要的作用，还可以调解周围城市的气候和环境，改善北京、天津地区的生态环境，为衡水城市及周边地市提供大部分饮用水和工农业各种用水，对衡水市经济发展起着巨大的作用。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与仪器

实验所用试剂：盐酸(分析纯)；硝酸(分析纯)；氢氟酸(分析纯)；高氯酸(分析纯)；蒸馏水。

实验所用器材：筛子(100目)；烧杯；移液枪；分析天平(FA2004N，上海菁还仪器有限公司)；石墨消解仪(CD20N，成都奥普乐仪器有限公司)；聚氯乙烯消解罐；原子吸收光谱仪(AFG型，北京普析通用仪器有限公司)。

1.2 底泥样品的采集与处理

衡水湖位于华北平原衡水市，总面积268 km2，湖面面积也有75 km2，单位水面积在华北地区排名第一，是华北平原的第二大淡水湖泊。衡水湖物种多样性极其复杂，北温带很多动植物在此处聚集，野生植物种类有383种，鸟类有310种，昆虫有416种，鱼类有34种，两栖爬行类动物有17种，哺乳类动物有20种。在此之中，国家一级保护鸟类有7种，国家二级保护鸟类高达46种。为探究衡水湖湖滨带底泥重金属污染程度，我们沿着衡水湖湖滨带，设置了7个采样点，具体采样点见图1。在这七个采样点分别采集底泥样品、附近土壤样品、上覆水样品，将采集好的泥样和土样放入密封袋中保存，水样放入干净的瓶子中保存，并做好记录，将样品带回实验室后，水样放入冰箱中冷藏，泥样和土样及时自然风干。风干后，去除掉样品中的异物，并用木棒碾压，过100目的筛子得到较为细致的样品。

图1 衡水湖湖滨带采样点

1.3 重金属检测

1.3.1 底泥样品消解原理与方法

重金属在土壤、底泥中主要是以有机结合态或其他结合态等方式存在，样品的消解就是通过往样品中加入多种强氧化性酸，结合高温加热的方法使土壤底泥样品中以多种形式存在的重金属脱离出来，以无机盐的形式存在于待测溶液中，方便进行重金属含量的测定。

将样品带回实验室后，水样放入冰箱中冷藏，泥样和土样及时自然风干。风干后，去除掉样品中的异物，并用木棒碾压，过100目的筛子得到较为细致的样品。每个底泥样品、土壤样品设置两个平行样，一个空白对照。称取0.2 g左右样品至消解罐中，精确到四位小数，加入5 mL盐酸，在80℃的加热器中加热20 min，然后升温至100℃加热20 min，加热完成后，加入5 mL硝酸、5 mL氢氟酸、3 mL高氯酸，升温至150℃，每隔一段时间就观察消解罐中是否消解完成，若还有土壤样品还有残存，按照5∶5∶3的比例加入硝酸、氢氟酸和高氯酸，直至溶液成无色透明状，升温至180℃进行赶酸，直到剩下2～3 mL液体，消解结束，加蒸馏水定容至50 mL，待测。

1.3.2 重金属检测原理与方法

原子吸收光谱法依照原子吸收定律，通过对样品溶液和标准溶液的吸光度进行比较，计算出样品中待测重金属元素的含量。其中应用较为广泛的是火焰原子化器、石墨炉原子化器，在此我们来介绍这两种原子化器的原理。

火焰原子化器是将待测样品溶液雾化成气态溶胶物质后，然后与乙炔气体混合进入火焰，使待测样品溶液可以干燥、蒸发和离解，将被测重金属转化为基态型原子。石墨炉原子化器的原理是将待测样品溶液干燥、燃烧灰化后，然后加热至高温，直到待测重金属元素形成基态型原子。

1.4 重金属污染评价方法

2 数据分析

2.1 重金属分布情况分析

通过对土样和泥样消解，并用原子吸收光谱仪检测其重金属含量，得到每个点的不同重金属元素的准确数值，数值如表1。

表1 样品重金属含量

(1)锶元素是一种核裂变产生的物质，对人体有着非常大的危害。土壤中的锶元素容易进入水体中，通过植物的作用或者动物的食物链作用，也会很容易进入到人体内造成伤害。样品锶元素含量数据如图2。

图2 锶元素含量对比

从图2可以看出锶元素在七个采样点的含量分布情况为：

2号采样点与3号采样点土样和泥样的锶元素含量高，其余几个采样点相差不大；

土样中锶元素的最大值为2号采样点0.55 mg/kg，最小值为7号采样点0.254 mg/kg；

泥样中锶元素的最大值为3号采样点0.491 mg/kg，最小值为7号采样点0.313 mg/kg。

(2)重金属镍元素造成环境污染的主要来源是矿业、机械制造业、金属加工业、合金业等，同时煤炭、石油等燃料在燃烧时也会造成重金属镍元素对环境的污染。样品镍元素含量数据如图3。

图3 镍元素含量对比

从图3可以看出镍元素在七个采样点的含量分布情况为：

7号采样点中土样和泥样的镍元素含量最高，明显超过其余几个采样点；

7号采样点的土样镍元素含量为2.442 mg/kg，泥样镍元素含量为0.807 mg/kg；

土样中镍元素含量最小值为5号，泥样中镍元素含量的最小值为1号。

(3)铜元素虽然是人体内不可缺少的必需元素，但铜元素的过度摄入也会引起中毒现象，如人体行动障碍、导致人体溶血以致贫血等，对人体造成的危害也不小。铜元素的主要污染源是炼铜厂、开采铜矿等和铜有关的工业，同时铜肥和含铜农药的过度使用也会导致铜元素的污染。样品铜元素含量数据如图4。

图4 铜元素含量对比

从图4可以看出铜元素在七个采样点的含量分布情况为：

土样6号的铜元素含量明显低于其他点，泥样1号的铜元素含量明显低于其他点；

土样中的铜元素含量最大值为7号0.154 mg/kg，泥样中的铜元素含量最大值为5号和7号0.165 mg/kg；

除了土样6号和泥样7号，其余几个点的铜元素含量都相差不大。

(4)砷元素是非金属，但由于砷元素的各种性质和金属都很相似，所以在一般的重金属研究中也包括了对砷元素含量的测定。砷元素的主要来源是化工业、火力发电业、电子工业、玻璃制造业、皮革制造业、造纸业等工业，还有一部分来源于农业中的含砷农药。砷元素会导致人体砷中毒，损害人体胃粘膜、肠道系统、神经系统和呼吸系统等，中毒严重者会因呼吸困难、神经异常等死亡，由此看来，砷元素对人体的危害相当大。样品砷元素含量数据如图5。

图5 砷元素含量对比

从图5可以看出砷元素在七个采样点的含量分布情况为：

土样4号和泥样7号的砷元素含量明显低于其他采样点，含量分别为1.786 mg/kg和2.024 mg/kg；

土样中的最大值为2号采样点13.214 mg/kg，泥样中的最大值为1号采样点16.041 mg/kg；

土样中的砷元素含量最大值低于泥样中的砷元素含量。

(5)锌元素是生命活动体所必需的元素，为了维持正常的生理机能，人体每天必须消耗一定量的锌，但这个量是很小的，如果人体摄入锌元素的量超过了一定值，就会导致人体产生呕吐、恶心等不良反应。因为锌元素的毒性没有那么大，所以即使我国很多地区的土壤锌元素含量已经超过了正常标准，但仍然没有引起人们足够的重视。样品锌元素含量数据如图6。

图6 锌元素含量对比

从图6可以看出锌元素在七个采样点的含量分布情况为：

7号采样点的土样和泥样中的锌元素明显高于其他几个采样点，含量分别为1.054 mg/kg和0.872 mg/kg；

除了7号采样点，其余几个采样点的锌元素含量相差不大；

土样中6号采样点的锌元素含量最小为0.294 mg/kg，泥样中1号采样点的锌元素含量最小为0.367 mg/kg。

图7 铬元素含量对比

(6)铬元素主要来源于耐火材料、钢铁工业、皮革制造业、煤炭的燃烧等，还有垃圾焚烧、农业过度使用化肥农药等，这些都会造成铬元素的污染。样品铬元素含量数据如图7。

从图7可以看出铬元素在七个采样点的含量分布情况为：

7号采样点的土样和泥样中的铬元素明显高于其他几个采样点，含量分别为16.637 mg/kg和4.575 mg/kg；

只有7号采样点的铬元素含量超过了2 mg/kg；

除了7号采样点，其余几个采样点的铬元素含量都相差不大。

2.2 重金属污染分析与评价

以《土壤环境质量标准》GB15618-1995中的一级标准为参考标准，一级标准如表2所示，使用单因子指数评价法的计算公式计算得出的单因子指数Pi如表3所示。从图中可以看出，只有泥样1号的砷元素的单因子指数超过了1，造成了环境污染，其余样点的单因子指数均没有超过1，没有造成环境污染。

表2 土壤一级标准

表3 重金属单因子指数

由尼梅罗综合指数评价法计算公式，计算得出的尼梅罗综合指数P综合如表4所示，土壤分级标准如表5所示。由图中可以看出，只有砷元素的尼梅罗综合指数为0.8712，超过了0.7，对环境造成了污染，其余几种重金属元素均没有超过0.7，污染水平为清洁。砷元素的指数没有超过1，还在警戒级内，整体来说，衡水湖湖滨带底泥重金属污染程度并不高。

表4 重金属尼梅罗综合指数

表 5 土壤分级标准

3 结论

湖滨带底泥中的重金属因为其难分解、毒性持久、容易在动植物体内放大并累积等特点，已成为影响整体水环境质量的重要污染源。本文通过使用原子分光光度计对衡水湖湖滨带底泥重金属含量进行了测量，并对其重金属的分布情况做出了分析，对重金属污染程度做出了评价，主要结论为：

(1)文章采用传统的盐酸、硝酸、氢氟酸和高氯酸四种强氧化性酸对湖滨带底泥样品进行了消解，用原子吸收光谱仪测定了锶、砷、铬、锌、镍、铜六种重金属的含量，得到了每个样品中几种重金属的准确含量。通过对比七个采样点的每种重金属含量，得到以下结论：2号采样点与3号采样点土样和泥样的锶元素含量高，其余几个采样点相差不大；7号采样点中土样和泥样的镍元素含量最高，明显超过其余几个采样点；土样6号的铜元素含量明显低于其他点，泥样1号的铜元素含量明显低于其他点，泥样中的铜元素含量最大值为5号和7号0.165 mg/kg；土样4号和泥样7号的砷元素含量明显低于其他采样点；7号采样点的土样和泥样中的锌元素明显高于其他几个采样点，除了7号采样点，其余几个采样点的锌元素含量相差不大；7号采样点的土样和泥样中的铬元素明显高于其他几个采样点，并且只有7号采样点的铬元素含量超过了2 mg/kg。

(2)通过对衡水湖湖滨带底泥重金属含量的数据进行分析，重金属的污染程度排序由大到小依次为砷、铬、镍、锌、铜，其中砷元素的污染程度相对来说最为严重，对环境造成了污染，但还在警戒级内，污染程度并不高，而其余几种重金属都没有超过环境土壤污染值，没有对环境造成污染。