环境健康风险体系评价——以X湖水体富营养化评价为例

佟玲玲，赖洲扬

(长沙师范学院，湖南 长沙 410100)

1 研究背景

近些年，随着工业的发展，我国的环境污染日渐严峻，尤其是水体环境的污染更甚[1]。因为社会发展导致的不必要排放增多，水质的富营养化越来越严重，据统计，2017年我国富营养化水域面积已超过8000 km2，另有1.4万km2湖泊的富营养化程度在加重[2]。长株潭地区的水体富营养化问题更是在水体污染中的占比较大。

水体富营养化是一种水质污染，主要是氮、磷等营养物质在水体中的含量超标引起的。我国的湖泊、水库、江河的富营养化的趋势十分严峻[3]。1996～2016年，大部分的湖泊都保持在中营养的状态，占调查面积的90%以上，贫营养状态湖泊仅约占3%，而富营养状态湖泊占5%左右。在短短10年间，富营养化的的湖泊占比突飞猛涨，占比由5%剧增到55%[4]。

由于长株潭区域内有大小湖泊30余个，因此，根据试验需要和情况，选取 X湖为试验湖，X湖是综合性旅游区，区域有水面5000亩，陆地面积有1360万m2，园林绿化覆盖率达50%，景色秀丽，风光迷人[5]。X湖水体富营养化进程与氮、磷以及氮磷含量的比率等密切相关。X湖水体富营养化过程与氮和磷元素的含量及比率密切相关。

2 实验材料与方法

2.1 样品的采集与前处理

2.1.1 采样区域自然地理概况

X湖位于长株潭城市群中，各个季节有不同的旅游特色，春可踏青，赛马；夏可游泳，划船；秋能登山，赏叶；冬可滑雪，观景。

2.2 水样的采集及预处理

2.2.1 水样的采集

根据X湖污染情况，在X湖分布范围内布置了6个采样点(图1)。

图1 采集点位

2.2.2 水样的预处理

在采集样品的时候，需记录每个采样点的具体情况及细节问题，如气候条件，检测时所发生的意外情况，采样时观察到的异常等。

水样的预处理：在采样后，选取500 mL的水样，之后再滴加1 mL硫酸，用来调节水样的pH值，将pH调节到等于或小于1，也可以不添加任何试剂放置冷藏保存。

试样的制备：取样之前应将水样摇匀，以便于样品充分融合，用刻度管抽取25 mL的水样。若遇到水样中的氨氮含量及总磷的含量过高时，所抽取的水样可以低于25 mL。

2.3 实验仪器与试剂

主要仪器：分光光度计，AcculabALC系列电子天平，1 mL、2 mL、5 mL、10 mL、20 mL、25 mL移液管，50 mL滴定管，100 mL、1000 mL容量瓶等。

主要试剂：硫酸、抗坏血酸、钼酸铵、氢氧化钠、酒石酸钾钠、碘化钾、碘化汞、酒石酸锑钾等，均为分析纯。

主要药品配置：按照国际标准及要求进行。包含，抗坏血酸溶液、钼酸盐溶液、磷标准贮备溶液(一般可保存6个月或以上)、钠氏试剂：碘化钾—碘化汞—氢氧化钠溶液、酒石酸钾钠溶液、氨氮标准贮备溶液、氨氮标准工作溶液。将以上溶液配置完毕后，留存备用。

2.4 实验方案

2.4.1 标准溶液配置及绘制标准工作曲线

分别取磷酸盐标准溶液0 mL，0.5 mL，1 mL，3 mL，5 mL，10 mL，15 mL加入不同的具塞刻度管中，并将水加入到其中以稀释至25 mL。然后按测定步骤进行处理。用蒸馏水做空白进行对比，后测定相应的吸光度。将空白试验的吸光度扣除后，将其余测定的吸光度结果，即总磷的含量绘制工作曲线如图2所示。

图2 总磷工作曲线

分别取之前配置好的氨氮标准工作溶液0 mL、0.5 mL、1 mL、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL加入在50 mL的具塞比色管中。加入蒸馏水至50 mL标线，再加入1 mL的酒石酸钾钠溶液摇匀，之后再加入1 mL之前配置好的纳氏试剂，摇匀静置10～15 min。将波长调节至420 nm，用蒸馏水作空白对比，测定相应的吸光度，并绘制氨氮工作曲线见图3。

图3 氨氮工作曲线

2.4.2 水样吸光度值的测定

2.4.2.1 水样中总磷的测定

分别取6个采样点的清洁水样各50 mL，分别滴加1 mL之前配置好的抗坏血酸溶液，摇匀并静置30 s，然后再滴入2 mL配置好的钼酸盐溶液摇匀，使溶液充分混合。

2.4.2.2 水样中氨氮的测定

(1)分别取6个采样点的清洁水样各50 mL，分别滴加1 mL之前配置好的酒石酸钾钠溶液，混匀并静置30 s，然后滴加1 mL配置好的纳氏试剂，混匀。

(2)将其静置15 min，然后使用20 mm比色皿，将波长调至420 nm，用蒸馏水做空白对比，测定吸光度。删除参比吸光度的后，从之前的工作曲线上计算出氨氮的含量。

3 实验结果及讨论

3.1 总磷和氨氮含量的测试

3.1.1 测试结果

各个采样点的磷的含量如表1所示。

表1 X湖水体富营养化的测试结果 μg/L

3.1.2 水体富营养化污染评价

X湖的富营养化评价主要参照美国Sejrgenseu的分级法及日本相崎守弘的评分法来评价污染等级，对我国的水体富营养化程度的评价有一定的参考价值[16]。富营养化程度的评价标准如表2所示。

表2 富营养化程度的评价标准

根据富营养程度的评价标准，得到X湖水体富营养化评分结果见表3。

表3 X湖水体富营养化评分结果 μg/L

本研究采用单因子指数法来测定氨氮含量是否超标。

(1)单因子指数法。

Ii=Ci/Si

(1)

式(1)中，Ci为地表水污染物i的实测浓度，μg/L；Si为地表水污染物i的评价标准，μg/L。 某种污染因子的污染指数大于1时，说明该污染因子的氨氮含量超标。

(2)单因子综合污染指数。

I= (1/n) ∑Ii

(2)

式(2)中:I为区域内各个污染元素的所有分指数的权数平均值[17]。

地表水环境质量标准基本项目标准限值见表4。

表4 地表水环境质量标准基本项目标准限值 mg/L

X湖属于Ⅲ类水，根据地表水质量标准基本项目标准限值，发现X湖水体富营养化评分结果见表5。

表5 水体富营养化评分结果 mg/L

综上分析可以看出，整个X湖沿线已属于中营养阶段，从采样点三至采样点五之间为中营养水体，其采样点一和采样点二处的污染状况基本相同，氨氮各点均小于1，故没有超标现象。该湖基本属于娱乐用水，位于采样点二处没有排污口，污染源基本属于无组织排放，以降水和地表径流为主。从X湖整体来看，磷和氨氮是X湖最主要的内源释放营养物。其采样点六出的富营养化主要是由于周围居民的生活排污，周边的工厂排污、以及附近农田的化肥流失等造成的。

4 湖南地区的富营养化途径

每当提到水体的富营养化，人们往往认为是水中总体的氮含量和磷含量超过了标准值。诚然，氮和磷等营养元素富集形成有机盐确实是水体富营养化的决定因素。但并不表示水体的富营养化一定和水体中含有的总氮、总磷浓度的变化相关。当水体中出现某种占据有利地位的藻类并且出现快速增殖的现象时，这就表示该水体存在富营养化发展的趋势，表明该水体所涉及的生态系统发生异常[7]。所以，必须对水体富营养化的发生机制及发生条件进行深入的探讨，从本质上认识藻类生长过程的多样性和差异性引起的水体不同程度的富营养化症状。即了解处于同一生态系统中的多种水生物种在不同程度的水体富营养化中生存影响的内在关系[8]。但是，富营养化所必须具备的条件基本相同，最主要的影响因素可以归纳为: ①水体中积累的氮含量和磷含量较充足； ②含有相对适宜的铁、硅含量等； ③能够适合优势藻类的生长温度，比较充足的光照、溶解氧含量[9]； ④该水域的水流流速慢，水体的更新区间跨度大。

4.1 农田化肥

为促进植物的生长，人们常施用较多的氮肥和磷肥以此提高农产品的产量，但此类营养物对土壤的附着性较弱，面临下雨天气或农业灌溉时往往被水分携带流失[10]。据统计, 2014年湖南省氮肥、磷肥、钾肥、复合肥等农用化肥施用量为852.8万t, 折算纯量为247.8万t, 分别比2010年增长22.6%、36%;农药使用量12.4万t, 比2010年增长45.2%。以湘江为例,被雨水携带通过径流进入湘江的化肥实物量、折纯量分别为3.4万t、1万t, 农药为868t[11]。

分布在土壤空隙的氮和磷元素，一部分溶于土壤携带的水分中，随之进入江河湖海，造成水体污染。另一部分吸附在土粒上，随之沉淀成为江河湖海的沉积物，同时污染物也会通过悬浮等方式再次进入水体，造成水体的二次污染。当然，氮和磷元素也可通过土壤下渗进入地表水体，污染地下水，被污染的地下水流入天然水体中，以此加剧水体的富营养化。

4.2 畜牧粪便

常见的牲畜特别是猪，在其饲养过程中产生的粪便蕴含的营养物质会滋生大量细菌，这些污染物会随地表径流及其他方式进入到江河湖海中，从而污染水体。与此同时，牲畜的粪便也经常作为农田施肥的使用，这种方式也会使之随着地表径流等进入到天然水体中造成水体富营养化。据统计，在2015年的农业面源污染绝对排放量中, 禽畜养殖是第一大污染源, 其次是农业种植。由表6可知, 2015年长株潭地区禽畜养殖业和种植业总氮和总磷水污染物高排放地区主要分布在宁乡县、浏阳市、湘乡市和湘潭县, 这4个县市占整个长株潭地区排放量的51%,其次是望城区、长沙县、雨湖区、株洲县、醴陵市、攸县及茶陵县, 这7个区县排放占比40%[12]。

表6 2015年长株潭地区禽畜养殖业和种植业总氮和总磷水污染物排放量

另外，不合理的牲畜放养结构和实行措施，会在草原上积累过多的牲畜粪便导致生态系统内部难以处理，导致营养物的过度剩余，破坏了草原的植被结构，减少了草原植被的多样性造成地皮裸露；这些现象将会导致难以挽救的后果，裸露的地皮在地表径流的作用下使营养物严重流失，加重了污染。

4.3 污水灌溉

污水因其来源广泛、含有丰富的营养物质已经被农业生产当作循环利用的有效肥料来使用，运用污水灌溉农作物的方法已经受到普遍的认可。它的主要目的是利用植株汲取土壤中的营养物质来满足自身的生长发育以及土壤的自我调节作用使污水得到净化。但一些污水中富集的营养元素过高致使植物和土壤的调节作用不大，同时在灌溉中因为专业设备的限制，这往往会造成土壤和水体的双向污染[13]。

灌溉是农业生产中不可缺少的一部分，但使用生活污水灌溉会直接影响农田土壤的理化性质和重金属含量及有效态含量[14]。表7反映的是在湘潭农田微区试验中，使用清洁水灌溉与污水灌溉土壤pH值、有机质含量、重金属全量和有效态含量的影响与变化。从表7中可以得出，污水灌溉土壤重金属全量都有一定的增加，对土壤的性质有一定程度的影响。根据对37个污水灌区的调研，发现32个灌区水质不符合要求。

表7 湘潭农田微区土壤pH值、有机质含量、重金属全量和有效态含量

4.4 城镇的地表径流

虽然大多数城镇已经使用具有排水功能的沥青铺垫道路，但部分城镇还未完全替换路面，仍然使用不透水的混凝土道路。因此，通过降雨等途径落到地面的氮磷营养物能够与地表径流入一同进到地表水中。据调查，在城镇中的常见的氮磷营养物的污染大多来自人类日常产生的垃圾、生活污水及工商业排污(如屠宰、食品、造纸、停车场等)。因为城市地表径流带来的巨大污染和危害，美国环保局已把其列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[15]。

大气沉降既是悬浮颗粒物，也是污染源的一个重要源头。大气沉降是造成陆源污染物的重要途径。例如在火力发电时，通过燃烧煤，煤里含有的氮元素会以氮氧化物的形式上升进入空气中，然后被气流携带通过降雨、降雪的方式进入土壤或水体表面，以此使地表面和水体遭受污染。随着矿物燃料燃烧、化学肥料生产以及畜牧业的发展，大气氮磷沉降通量呈明显增长趋势。由于大气中含有易溶于水的NHx和NOx，使得N极易随着雨水的冲刷作用而沉降下来；而POx则主要附着在空气中的颗粒、气溶胶上，容易通过重力作用、布朗运动而沉降下来，成为湖泊营养盐的来源之一。

4.5 水体人工养殖

随着我国养殖业的发展，越来越多的水源地被养殖产主扩张用于人工养殖。而在养殖的过程中投放的饲料和水产物的排泄物都含有磷元素和氮元素，在水中经过长时间的沉淀积累成为水体富营养化的诱因。以南湖为例，有研究表明，2000年7、8月份南湖水质各监测项目均为突变高峰值, 经调查渔场为提高鱼产量从7月份开始至8月份向南湖投放了数十吨的磷酸二氢钾、尿素、碳胺[1]。因此，国内湖库区人工养殖已成为水体富营养化的又一来源(表8)[12]。

表8 2000年下半年南湖水质监测数据

5 结论与讨论

长株潭城市群是湖南省的核心组成部分，在大力发展长株潭城市群的同时，首先一定要提早防范发展所带来的一系列问题，存在的环境健康风险等级及风险系数，提早做到预防为主，风险管理的原则。水体富营养化是威胁着环境健康的一项重要指标，对于环境健康的风险管理有着不可替代的潜在威胁，故本文以X湖的水体营养化为例，进行湖水评价的同时针对所存在的潜在威胁进行分析，提早预防。

针对水体富营养化的污染源不同，其治理方式也各有优劣，应从多方面综合考虑实行措施，既要结合当地的自然条件和具体的富营养化状况，控制外源性营养物质输入,又减少内源性营养物质负荷。利用多种治理手段，分阶段加以落实，逐步恢复富营养化水生生态系统的结构和功能，使之趋于完善和稳定，减缓富营养化进程，从而解决水体富营养化问题。水体富营养化治理是—项综合工艺，只有通过多种技术的联合修复，才能真正达到治理的目的。