基于水质三维荧光技术的城市河流水质污染分析

吴正华，钱益武，刘小勇，李 梅，曹 毅，孔美玲

(清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

1 研究背景

城市的发展总是伴随着大量污染物的产生，这些污染物质直接或间接地影响着城市河流的水环境质量[1-2]。而城市河流作为城市景观面貌的展现，同时也是决定城市可持续发展的重要因素，如今越来越受到大众的广泛关注。为了提高城市河流的水环境质量，除了继续加强已污染的河流治理外，还需要密切注意未受污染的河流水质变化情况[3-5]。对于河流水质的监测，一般以《地表水常规监测项目质量控制指标》[6]中所规定的指标进行分析，其测定的项目较多，并且部分指标往往需要几个小时甚至几天时间才能得出结果。

三维荧光技术是近几十年来快速发展的一种新型应用技术，由于其信息量丰富、灵敏性高、测量时间短等优点，被广泛用于各行各业，其中就包括对水质的检测[7-10]。三维荧光光谱 (three-dimensional excitation-emission matrix spectra，3DEEM)，是通过测定荧光物质相应数据表征得出的矩阵光谱[11-12]。荧光光谱技术在水质检测的研究应用中，除了定性分析水体所含污染物质外[13-14]，还能定量分析其中特定溶解性有机物的含量[15-16]。国外学者Coble[17]基于平行因子分析(parallel factor analysis,PARAFAC)建立了发光物质种类与所对应荧光之间的相关关系模型，后经科研人员不断的积累完善，目前该模型已被广泛使用。根据该模型以及受污水体的荧光光谱，可以大致判断水中污染物类别[18-19]。同时，利用不同污染物的特征性，还能分析出水体污染物来源[20-22]。但就目前来看，荧光光谱技术在水体方面主要以城市污水、工业废水以及湖库等水体的应用为主，对于流动性大、水质变化较小的河流，尤其是城市河流方面的研究及应用较少。

为了探究荧光技术在河流水质分析上的应用效果，同时为河流的管理及治理提供理论依据，本研究拟通过对某城市河流上下游水体的取样分析，探究该河流水质荧光指纹的特征性以及利用其分析河流的水质变化情况。

2 实验方法

2.1 水质三维荧光分析方法

本研究水质荧光指纹测定采用FL-2700荧光分光光度计(日立，日本)，仪器各参数设置方式如下：(1)激发波长λex、发射波长λem分别为220～600 nm、230～650 nm；(2)扫描狭缝宽度设为5 nm；(3)光电倍增管电压设为700 V；(4)响应时间设为0.001 ns；(5)扫描速度设为12 000 nm/min。如若所测水样悬浮物较多，可经实验室定性滤纸简单过滤后再进行测定。将荧光分光光度计测定所得到的数据经过Origin软件绘制成EEM谱图。

CODCr、氨氮、总磷3个指标的测定方法均采用国家生态环境部规定的适用于地表水的最新标准，测量方法标准分别为《水质 化学需氧量测定 重铬酸盐法》(HJ 828-2017)、《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535-2009)、《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893-89)。

2.2 实验方案

选取河流为巢湖上游某城市二级支流，河流总长度为3 km，河道宽度沿水流方向逐渐变宽，上游河段平均宽度约为8 m，下游河段平均宽度约为23 m。由于河道沿程分布有市政雨水排口，为降低所采集的河水受地面及雨水管网排水的影响，选择的采样日需近期皆无降水且河流水体正常流动。根据现场勘查确认，平均间隔200～300 m设置1个采样断面，沿河段共设置14个采样断面，从上游向下游依次记为1#～14#断面。

为使取得的水样具有代表性及避免河岸边人为活动干扰，将各采样点设置于采样断面中间水面下约0.2 m处，每次水样的采样量为1 500 mL。其中，留取500 mL用于现场测定水质pH，其余1 000 mL分装于两组干净的采样瓶内，贴好标签，两瓶水样分别用于水质常规指标及水质荧光的检测。为保持水样指纹的原始性，现场避免添加固定剂，采用现场低温保存后快速送往实验室分析的方法，确保24 h内完成所有检测任务。

3 结果与分析

3.1 河流水体的荧光特征

采用PARAFAC模型对水体三维荧光进行分析，根据不同荧光峰的位置判断发光物质的类别。当荧光中心位置激发波长(λex)与发射波长(λem)值为：(1)λex/λem=(270～280) nm/(300～310) nm，发光物质为类酪氨酸(类蛋白质荧光)；(2)λex/λem=(220～230) nm/(320～350) nm，发光物质为类色氨酸(类蛋白质荧光)；(3)λex/λem=(250～260) nm/(300～360) nm，发光物质为类UV腐殖质(类腐殖质荧光)；(4)λex/λem=276 nm/(350～400) nm，发光物质为类腐殖质。根据所测的河段14个断面水质三维荧光指纹数据，利用Origin分析软件制作等高线光谱图，图1为该实验河流的典型三维荧光图谱。

图1 实验河流的水质三维荧光图谱

由图1中能明显看出，实验河流水体共有两个中心显著的荧光特征峰，分别记作荧光峰A1(λex/λem=275 nm/360 nm)、荧光峰A2(λex/λem=230 nm/350 nm)，另外一个并不明显的荧光峰A3(λex/λem=275 nm/310 nm)。根据荧光中心位置可判断出，3个荧光峰中，A1为类腐殖质荧光峰，A2、A3均为类蛋白质荧光峰。另外，根据荧光图谱中等值线的密集程度，可定性判断水体的污染程度，图谱的等值线越密集，表明水体中所含发光物质越多，即水质受污染程度越严重；反之，则水体越清洁。实验河流三维荧光图谱等值线较为稀疏，表明目前情况下其水质状态较好。

3.2 河流断面的荧光分析

表1为14个断面的荧光峰强度A1、A2、A3与水质指标CODCr、氨氮及总磷的检测数据。

由表1中的数据可以看出，荧光强度A1与A2的值始终大于A3，A1与A2呈现中上游的A1明显大于A2，中下游的A2逐渐接近A1，并呈现反超的趋势。由于自然水体中的蛋白质来源较少，腐殖质多为动、植物残体被微生物分解后的有机质，可通过河岸及河流底泥进入水体[23]。水体中的蛋白质含量增长速度超过腐殖质的增长速度，极有可能是沿岸有少量生活污水排入[24]。

表1 采样点位荧光峰强度及常规水质数据

城市生活污水存在两个主要的荧光特征峰[25]，其荧光中心位置分别为λex/λem=280 nm/340 nm与λex/λem=225 nm/340 nm。若排入河流的生活污水量较大，则可通过对比河流水体测得的水质荧光峰与城市生活污水的荧光特征峰位置，得出生活污水汇入河流的相关情况。本实验河流上、下游荧光图谱未见明显变化，同时荧光特征峰位置差异明显，表明目前汇入实验河流的生活污水较少。

为探究污染物浓度与荧光特征峰强度之间的相关性，采用回归分析方法，对实验河流的荧光特征峰A1～A3与CODCr、氨氮及总磷间的相关性进行判断分析，表2为相应的回归结果。

表2 荧光特征峰A1～A3与水质指标间回归分析结果

通过表2中各指标间的相关曲线、相关系数及其显著性得出，实验河流水体的荧光特征峰与氨氮间的相关性相对较强，与CODCr间的相关性相对较弱，与总磷间几乎不存在相关性。同时，不同荧光峰与同一水质指标之间的相关性也有所差异。以氨氮为例，3组荧光特征峰与氨氮的相关性强弱关系为A3>A2>A1，其中A3与氨氮间表现为极显著线性关系(R2=0.748,P=0.000)。参考文献[26]给出，北京城市污水的荧光特征峰与COD之间相关系数为0.880，与氨氮之间相关系数为0.674。对比发现，不同水质类型的水体荧光特征峰与各水质常规指标间的相关性不同，河流水体与COD的相关性远远小于城市污水与COD的相关性，但均与氨氮相关性较好。

3.3 荧光在水质变化中的应用

对于本实验河流，若仅以pH、CODCr、氨氮、总磷等水质指标作为河流水质类别的判定依据，对照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[27]，河流整体水质情况较好，各采样点水质类别均处于Ⅲ类或Ⅳ类水体，水质变化情况并不明显。为了能直观地看出实验河流上下游水质的变化情况，分别绘制实验河流水体的CODCr、氨氮、总磷浓度及荧光强度沿程变化趋势图，如图2所示。同时，表3给出了各指标对应趋势图的线性拟合结果。

图2 实验河流水体的CODCr、氨氮、总磷浓度及荧光强度沿程变化趋势

表3 河流上下游水质变化线性拟合结果

由图2(a)～ 2(c)可见，若仅从CODCr的折线图(图2(a))分析，则无法准确判断实验河流上下游水质的实际变化情况；实验河流水体的氨氮浓度由上游到下游呈现明显的上升趋势，但数据波动性较大(图2(b))；从总磷的变化折线图(图2(c))分析，同样无法准确判断河流上下游水质的实际变化情况。由图2(d)中荧光峰强度A1～A3的变化趋势可以得出，实验河流3个荧光特征峰强度由上游到下游均持续增大，表明河流中的荧光物质沿程不断增加。此外，由图2(d)能直观地看出实验河流3组荧光特征峰的变化趋势较为接近，尤其是A1与A2的变化趋势基本相同，数值大小也较为相近。故在判断水质变化时，为了简化流程，可仅选取荧光峰A1进行分析。

根据表3中各项水质常规指标拟合趋势线，其回归系数均为正值，表明了河流水质由上游到下游逐渐变差。河流水体中CODCr、氨氮及总磷的含量呈现一定的增长趋势，尤其以氨氮的增长更为明显，且拟合结果相对较好。同样，各荧光峰的回归系数均为正值，表明水体中的荧光物质从上游到下游也逐渐增加。由于河流水体在无明显外来干扰的情况下，水质的变化趋势较为平缓，若仅通过一项或几项指标很难得出水质变化情况。对比表3中各拟合趋势线的相关系数，荧光峰(A1～A3)的相关系数均大于水质常规指标的相关系数，表明在水体恶化过程中，荧光物质的增加较水质常规指标的增长更加明显，其灵敏性更高。另外，荧光特征峰所代表的并非某一特定的污染物质，而是某一类的荧光物质，其包含的信息更加全面。由此可见，通过对比河流各断面的荧光特征值，能够更加准确迅速地反映出河流水质的变化情况。

4 讨 论

本研究以某城市河流为例，利用三维荧光技术开展相关实验，研究河流水体的荧光特征及水质的变化情况。从实验结果上看，本实验河流上下游的水质变化较小，若仅根据样本量少的常规理化指标数据则很难分析出相应的变化规律，但水质荧光光谱却能够很好地反映出水质变化情况。一般从河流荧光物质的占比情况可以判断河流受人为活动的影响大小[24,28]：当城市河流中主要荧光物质为类腐殖质荧光时，表示河流受外界污染较小；当其主要荧光物质为类蛋白质荧光时，表示河流受人为影响较大。实验河流水体共有3个特征指纹峰，其中荧光强度最大的为类腐殖质荧光(A1)，其次为类蛋白质荧光(A2)，与胡霞等[29]、刘堰杨等[30]的研究结果较为一致，表明本河流受人为活动干扰较小。

关于特征指纹峰荧光强度与水质氨氮、总磷、COD之间的相关性，不同水体之间有所差异。本实验河流除氨氮外，荧光强度与COD及总磷间的相关性较弱，尤其是与总磷几乎无明显相关性。将其对比城市生活污水研究结果，分析造成差异的主要原因可能为：实验河流主要荧光物质为腐殖质(A1)，其主要来源于微生物的活动以及少量外源污染，腐殖化过程一般会伴随着氮的迁移及转化，故腐殖质的含量与氨氮存在较明显的正相关性，而与总磷及COD之间的相关性较小[31]；对于生活污水而言，其中所含的荧光物质以蛋白质类为主，主要来源于厨房及卫生间废水，一般在生活污水排放前均经过化粪池调节中和，使得各类物质含量较为稳定，故相关性均较好。此外，孟永霞等[32]以西北内陆河流为实验对象进行研究，结果显示荧光强度除了与氨氮之间有较好的相关性外，与总磷间的相关性同样较好，但与COD的相关性较弱，原因为该条河流受周围农田灌溉及施肥等农业活动影响较大，使得河流中氨氮、总磷及荧光类物质含量同时增大，具有正相关性。另外，由于实验条件及时间上的限制，本研究仅从河流空间维度进行了相应的水质分析对比，而未能在不同时间、季节等维度进行分析与探索，导致结果上存在一定的局限性。对于时空维度河流水质荧光光谱的变化情况，将在后期的研究中进行进一步的探讨。

5 结 论

(1)实验河流共有3个典型荧光特征峰，分别为类腐殖质荧光峰A1(λex/λem=275 nm/360 nm)、类蛋白质荧光峰A2(λex/λem=230 nm/350 nm)与类蛋白质荧光峰A3(λex/λem=275 nm/310 nm)。

(2)各荧光峰均与氨氮间表现为极显著的线性关系，与COD的相关性较弱，与总磷间无明显相关性。

(3)实验河流水体所含荧光物质从上游至下游逐渐增加，水质情况逐渐变差，其荧光物质含量的增加是由沿河路径上生活污水的汇入所造成的。

(4)通过测量不同时空水体中的荧光特征峰，以分析河流水体的变化情况，这对城市河流的水质分析、污染溯源及环保执法具有重要意义。