CN103886217A - 一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法，属于生态风险的确定方法领域。其步骤为：（1）确定水体沉积物不同点位中重金属污染物的浓度水平；（2）统计分析水体沉积物中各类重金属污染物浓度数据的分布特征；（3）使用公式计算某一种重金属污染物的生态风险指数；（4）计算最终结果；（5）绘制

Description

一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法
技术领域
本发明涉及生态风险的确定方法领域，尤其涉及一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法。 
背景技术
随着我国城乡建设和矿产开发利用等活动的快速发展，大量重金属污染物被排放到河流和湖泊等环境水体中。重金属在水中不能被分解，易与其它物质结合，在悬浮物和表层沉积物的吸附作用下沉积到水体底部的沉积物中。沉积物是水体生态系统的重要组成部分，既为水体中的生物提供营养物质，同时又可能成为水体污染的内源。在一定条件下，富集于沉积物中的重金属会再次进入水体而造成二次污染，持续危害水体生态环境，并通过食物链危害人类健康。因此，沉积物成为评价水体重金属污染程度和水生态系统健康状态的重要对象。 
美国国家环保署1995年提出海洋和河口湾沉积物中污染物的风险评价参考值法，主要是根据北美海岸和河口沉积物的大量数据确定了风险评价低值ERL(Effects range-low)和风险评价中值ERM(Effects range-median)，但因存在地域差异，不适合其它区域使用。而河流和湖泊沉积物中重金属污染的生态风险评价方法，国际上应用最为广泛的是瑞典学者Hankanson提出的潜在生态危害指数法，不仅考虑底泥重金属的含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用可比的、等价属性指数分级法进行评价。我国在河流湖泊沉积物重金属生态风险识别方面也开展了一些研究工作，但多参考使用Hankanson潜在生态危害指数法，总体来上起步较晚，尚处于探索阶段。 
Hankanson潜在生态危害指数法作为划分沉积物污染程度及其水体潜在生态风险的一种相对快速、简便的方法，根据评价水体沉积物中重金属的平均浓度与背景值相比，再乘以毒性调整系数，获得生态风险值，是一种点估计方法。但事实上，水体沉积物中的重金属浓度在不同区域和时段内可能存在较大差异，依靠平均浓度计算的生态风险值及其风险等级划分，不能反映风险问题的不确定属性和概率特点。因此，需要开发能反映水体沉积物中的重金属浓度波动特点和生 态风险概率属性的风险分析方法，为合理制定水生态环境保护措施提供更科学可靠的依据。 
发明内容
1.发明要解决的技术问题： 
针对传统沉积物中重金属污染的生态风险识别和确定方法在处理不确定性方面的不足和问题，本发明建立起一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法，基于蒙特卡罗抽样的抽样计算，适用于河流和湖泊沉积物中重金属污染程度的判别和潜在生态风险的识别，可为水体污染控制和水生态管理服务。 
2.技术方案： 
本发明所采用的技术方案： 
一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法，其包括以下步骤： 
（1）采集水体沉积物样品进行检测分析，确定水体沉积物不同点位中重金属污染物的浓度水平； 
（2）统计分析水体沉积物中各类重金属污染物浓度数据的分布特征； 
（3）使用公式 计算某一种重金属污染物的生态风险指数，其中
Figure 9
代表第i种重金属污染物的生态风险指数； 
Figure 2014101374543100002DEST_PATH_IMAGE003
代表水体沉积物中第i种重金属污染物的浓度实测值（mg/kg）；
Figure BDA0000487430560000024
代表该重金属污染物的工业化前背景值（mg/kg）；
Figure 10
代表第i种重金属污染物的生态毒性系数；
Figure 8
和                                                  从公开的文献报道中获取； 
（4）依据
Figure 11
的数值分布特征，应用蒙特卡罗方法进行抽样计算。 平均值稳定时，即两次运算的平均值差异小于5%时的抽样次数为最终抽样次数，相应的运算结果为 
Figure 2014101374543100002DEST_PATH_IMAGE007
最终结果； 
（5）绘制   
Figure 905896DEST_PATH_IMAGE002
数值分布曲线，确定第i种重金属污染物的生态风险分布特征：对照风险级别划分标准，分析不同风险级别出现的概率；数值出现在高风险等级的概率越高，则表明该种重金属污染物对生态系统造成的潜在危害水平越高，越需要进行优先控制； 
（6）应用公式 
Figure 2014101374543100002DEST_PATH_IMAGE009
计算评价水体中各种重金属污染物所造成的总生态风险综合指数HRI。使用蒙特卡罗抽样方法进行抽样计算，根据抽样结果绘制HRI数值的累积概率分布曲线； 
（7）对照风险级别划分标准，分析水体总生态风险综合指数HRI在不同风险级别出现的概率，HRI数值出现在高风险等级的概率越高，则表明该水体中重金属污染物对生态系统造成的潜在危害水平越高，越需要采取重金属污染治理和水生态监管措施。 
3.有益效果： 
本发明提供了河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法，基于蒙特卡罗抽样的理论，使用蒙特卡罗抽样方法处理传统点估计值方法中对不确定性问题处理的不足，以反映水体沉积物中重金属浓度的波动特点和风险的概率属性，适用于河流和湖泊沉积物中重金属污染程度的判别和潜在生态风险的识别，为水体污染控制和水生态管理提供科学可靠的依据。该方法可广泛应用于河流和湖泊水体沉积物中的重金属污染物所造成的生态风险分析中，以及相应生态环境保护措施的制定中。 
附图说明
图1为某湖泊沉积物中重金属污染物的总生态风险累积概率分布图 
具体实施方式
以下通过实施例和附图进一步说明本发明。 
实施例1 
某湖泊沉积物中重金属污染物的生态风险分析： 
（1）收集某湖泊沉积物中镉、铬、铜、铅、锌、汞、砷等7种重金属污染物的浓度数据，每种重金属污染物至少有3个点位的浓度数据，并且不同点位间针对同一种污染物所用的检测分析方法相同； 
（2）统计分析表明该湖泊水体沉积物中各类重金属污染物的浓度数据呈正态分布，相应的最小值、最大值、平均值、标准差等统计数值见表1； 
（3）使用公式 
Figure 2014101374543100002DEST_PATH_IMAGE010
计算各重金属污染物的生态风险指数，其中   
Figure 637091DEST_PATH_IMAGE003
代表第i种重金属污染物的生态风险指数；   
Figure 630455DEST_PATH_IMAGE004
代表水体沉积物中第i种重金属污染物的浓度（mg/kg）；
Figure BDA0000487430560000044
代表该重金属污染物的工业化前背景值（mg/kg）； 
Figure 2014101374543100002DEST_PATH_IMAGE011
代表第i种重金属污染物的生态毒性系数。 和   
Figure 384785DEST_PATH_IMAGE005
来源于公开的文献报道（Lars Hakanson,An ecological risk index for aquatic pollution control-A sedimentological approach,1980），见表2； 
（4）依据   数值的正态分布特征和表1中的统计数值，应用蒙特卡罗方法进行抽样计算。
Figure BDA0000487430560000049
平均值稳定，即两次运算的平均值差异小于5%时的抽样次数为5000次，将其作为最终抽样次数，相应的运算结果为
Figure BDA00004874305600000410
最终结果； 
（5）绘制数值分布曲线，确定第i种重金属污染物的生态风险分布特征：对照风险级别划分标准，分析不同风险级别出现的概率，见表3。在各污染物中，铬、铜、铅、锌均为低风险；汞、砷总体上处于低-中度风险水平；该湖泊沉积物中镉总体上处于中度-高风险水平，达到极高风险级别的概率也有18.1%，表明沉积物中镉对生态系统造成的潜在危害水平高，需要进行优先控制； 
（6）应用公式 
Figure DEST_PATH_IMAGE014
计算评价水体中各种重金属污染物所造成的总生态风险综合指数。使用蒙特卡罗抽样方法进行5000次的抽样计算，根据抽样结果绘制HRI数值的累积概率分布曲线，见图1； 
（7）对照风险级别划分标准，分析水体总生态风险综合指数HRI在不同风险级别出现的概率，见表4。结果表明，HRI平均值为347，如果仅按传统的点估计值来判断，该湖泊处于中度风险水平。然而由图1的HRI数值的累积概率分布曲线可知，HRI值处于低风险级别的概率为5.8%，较低风险级别的概率为36.5%，处于中度风险级别的概率为51.6%，高风险级别的概率为6.1%，即该湖泊沉积物中重金属污染物的总生态风险水平为较低-中度级别，需要予以关注，防止污染形势恶化。可见，采用平均值的点估计分析方法导致湖泊的总生态风险水平被高估，而本方法更客观准确地确定了该湖泊水体沉积物中重金属污染物所造成的 
生态风险。 
表1某湖泊沉积物中重金属浓度数据(mg/kg) 
  镉 铬 铜 铅 锌 汞 砷
最小值 0 18.0 10.5 0 30.0 0.02 0
最大值 23.3 329.0 90.6 205.9 8850.0 1.36 291.8
平均值 3.4 93.9 50.3 71.5 1291.1 0.27 49.7
标准差 6.4 59.2 26.2 67.6 2537.2 0.37 75.1
表2重金属污染物的工业化前背景值 
Figure DEST_PATH_IMAGE015
及生态毒性系数 
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表3各重金属污染物的生态风险分析结果 
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表4该湖泊总生态风险分析结果 
HRI数值 HRI风险等级划分 概率
HRI<150 低 5.8%
150≤HRI<300 较低 36.5%
300≤HRI<600 中 51.6%
HRI≥600 高 6.1%

Claims (2)

1.一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法，其步骤为： 
（1）采集水体沉积物样品进行检测分析，确定水体沉积物不同点位中重金属污染物的浓度水平； 
（2）统计分析水体沉积物中各类重金属污染物浓度数据的分布特征； 
（3）使用公式 
Figure 2014101374543100001DEST_PATH_IMAGE001
计算某一种重金属污染物的生态风险指数，其中 
Figure 2014101374543100001DEST_PATH_IMAGE002
代表第i种重金属污染物的生态风险指数；                                                   
Figure 964306DEST_PATH_IMAGE001
代表水体沉积物中第i种重金属污染物的浓度实测值（mg/kg）；代表该重金属污染物的工业化前背景值（mg/kg）；   
Figure 778678DEST_PATH_IMAGE002
代表第i种重金属污染物的生态毒性系数； 
（4）依据   
Figure 601141DEST_PATH_IMAGE003
的数值分布特征，应用蒙特卡罗方法进行抽样计算， 
Figure 2014101374543100001DEST_PATH_IMAGE005
平均值稳定时，即两次运算的平均值差异小于5%时的抽样次数为最终抽样次数，相应的运算结果为 
Figure 2014101374543100001DEST_PATH_IMAGE006
最终结果； 
（5）绘制 
Figure 2014101374543100001DEST_PATH_IMAGE007
数值分布曲线，确定第i种重金属污染物的生态风险分布特征：对照风险级别划分标准，分析不同风险级别出现的概率；
Figure 20141013745431000016
数值出现在高风险等级的概率越高，则表明该种重金属污染物对生态系统造成的潜在危害水平越高，越需要进行优先控制； 
（6）应用公式 计算评价水体中各种重金属污染物所造成的总生态风险综合指数HRI，使用蒙特卡罗抽样方法进行抽样计算，根据抽样结果绘制HRI数值的累积概率分布曲线； 
（7）对照风险级别划分标准，分析水体总生态风险综合指数HRI在不同风险级别出现的概率，从而确定河湖沉积物中重金属污染的生态风险。 
2.根据权利要求1所述的一种河湖沉积物中重金属污染的生态风险确定方法，其中步骤（7）中当HRI数值出现在高风险等级的概率越高，则表明该水体中重金属污染物对生态系统造成的潜在危害水平越高，越需要采取重金属污染治理和水生态监管措施。 
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