CN109920492B

CN109920492B - 一种水体沉积物中铅污染源解析的方法

Info

Publication number: CN109920492B
Application number: CN201910231129.6A
Authority: CN
Inventors: 高博; 徐东昱; 彭文启; 高丽
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN109920492A

Abstract

本发明公开了一种水体沉积物中铅污染源解析的方法，属于环境地学领域；该方法包括计算地球化学基线模型、人为贡献的铅的浓度、基于ICP‑MS的铅同位素分析测定、比值分析以及将两种方法联合的溯源过程。本方法突破传统溯源过程，回归溯源本质，利用地球化学基线筛选出的人为贡献铅的浓度与铅同位素比值建立相关性，并进一步通过地球化学基线方程获得的人为贡献率和铅同位素比值，计算不同来源的铅在沉积物中的贡献率；该方法克服了传统重金属源解析的数据量大、溯源不准确以及无法精确定量等缺点，提供了一种流程简单、易于操作、定量准确的联合铅同位素溯源方法，对于复杂环境下的沉积物样品的源解析具有广泛的应用前景。

Description

一种水体沉积物中铅污染源解析的方法

技术领域

本发明涉及环境地学领域，尤其涉及一种水体沉积物中铅污染源解析的方法。

背景技术

环境中的金属元素因其具有毒性大、难降解且容易通过食物链生物富集的特点，被广泛关注。在水环境中90％的金属元素累积于沉积物中或存在于其悬浮颗粒物上。沉积物是金属污染物的源和汇。降低沉积物向水体中释放金属的风险，对于金属来源的研究是水环境污染物降低的重要途经。铅被认为是对人体健康造成影响的毒性金属元素，并能通过食物链和食物网生物放大。对于环境中铅的来源解析研究是过去几十年水环境研究中的热点问题。以往对于铅的来源解析多以主成分分析、聚类分析以及多元统计分析等数据分析方法为主。传统的方法通常依赖于大量的数据库和精准的数学统计分析，但是这些方法不能准确的对潜在的来源进行解析。

铅稳定同位素技术能够在复杂环境介质中区分不同来源的铅。然而，由于沉积物的异质性和高度的复杂性，使沉积物中铅的浓度或其倒数与铅稳定同位素比值无法确定相关关系，导致沉积物潜在的铅来源难于追溯，更无法精准定量。这些问题给铅稳定同位素示踪技术带来了巨大的困难。综上所述，克服沉积物的异质性和高度的复杂性，采用铅稳定同位素技术更加精准溯源是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水体沉积物中铅污染源解析的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水体沉积物中铅污染源解析的方法，包括以下步骤：

S1，建立待研究区域沉积物铅的地球化学基线模型；

S2，基于步骤S1所述的基线模型计算研究区域的铅地球化学基线值以及每个样品相应的铅地球化学基线值；

S3,根据步骤S2中计算的沉积物铅地球化学基线值和每个样品相应的铅地球化学基线值，计算每个采样点位的人为贡献浓度和相应的人为贡献率的平均值，筛选出了人为铅对应的点位，被去除的点位的铅浓度视为自然源铅浓度；

S4，将步骤S3中筛选出的人为铅浓度与其对应点位的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的比值建立线性回归方程I，根据线性回归方程I的线性，确定污染源个数；

S5,通过筛选出的人为源铅对应点，计算这些点位的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值的平均值，以备计算人为源铅的贡献率；

S6，进一步将筛选出的人为铅对应的点位，通过建立铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb比值的线性回归方程II和以往文献中报道过的铅源的同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb的比值，确定具体人为铅污染源，并根据这些人为源铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的比值和S5计算的所得的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值的平均值，进一步建立铅同位素混合模型，计算不同来源铅的贡献率；

S7,根据S3中基于地球化学基线计算的人为贡献率的平均值、步骤S5得到的人为源铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值的平均值和步骤S6中的建立的混合模型，计算研究区域沉积物中不同来源铅的贡献率。

优选地，步骤S1中建立地球化学基线模型的方法是标准化方法。

优选地，步骤S3中所述的人为贡献浓度是每个样品相应的铅地球化学基线值与研究区域的铅地球化学基线值的差值。

优选地，步骤S4中建立的线性回归方程选用的铅浓度是人为源铅的贡献浓度。

优选地，步骤S6中建立的线性回归方程II系数是通过人为源铅对应的铅同位素比值确定。

优选地，步骤S1之前还包括：

S0，利用地球化学基线区分铅在沉积物中自然源和人为源。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种水体沉积物中铅污染源解析的方法，利用地球化学基线模型，克服了水体沉积物的异质性和复杂性导致的无法区分人为源和自然源；以探寻人为铅的溯源本质为原则，在保证溯源人为污染源的前提下，缩减了样品的数据量，使溯源过程更为简单；通过地球化学基线模型计算的人为贡献率，并进一步在此贡献率的基础上进一步计算具体人为铅来源在沉积物的贡献率，使计算结果更为精准。

附图说明

图1是实施例1中提供的水体沉积物中铅污染源解析的方法流程示意图；

图2是实施例2中建立的地球化学基线模型；

图3是实施例2中人为贡献浓度和铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值分布图

图4是实施例2中建立的铅同位素的二元混合模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种水体沉积物中铅污染源解析的方法，包括以下步骤：

S0，利用地球化学基线区分铅在沉积物中的自然源和人为源；

S1，采用标准化方法建立待研究区域沉积物铅的地球化学基线模型；

本实施例中步骤S3中所述的人为贡献浓度是每个样品相应的铅地球化学基线值与研究区域的铅地球化学基线值的差值；

步骤S6中建立的线性回归方程的系数是通过人为源铅和自然源铅对应的铅同位素比值确定。

实施例2

本实施例以大黑汀水库为研究区域，在淤积较深的区域采集一个长7m的沉积物柱状样品，并切割为92个沉积物样品。首先对沉积物进行预处理，采用冷冻干燥机冷干后，过0.25mm的尼龙筛，然后进行混合酸的消解上机测定铅(Pb)、锂(Li)等金属的浓度，Pb为目标元素，Li为惰性元素，用于标准化方法中的校准元素。

采用下列步骤对预处理完成的研究区域的沉积物样品和柱状样品进行铅来源的解析。

1，首先，根据92个样品中的Li和Pb的含量，做二元回归方程，确定95％的置信区间，将落在95％置信区间内的点位筛选出来，根据Li和Pb的浓度进一步采用标准化的方法建立地球化学基线模型，如公式(1)所示：

Y＝0.5737x+14.5899，(r＝0.9715，p<0.0001) (1)，

式中x为每个点位Li的浓度(mg/kg)通过该模型确定每个点位的基线值(B_m)，即为Y的值，结果如图1所示；

将图1中得到的基线值与每个点位对应的铅浓度进行差减，求得差减后的浓度(R)，即为人为贡献浓度，得到的结果如图2所示。

由图2中的结果可知，R值大于零，即人为贡献浓度大于零，表明该点位受到人为污染，将R值大于零的点筛选出来。通过此步骤将92个沉积物柱状样筛选为38个沉积物样品(具有人为污染的点位)，计算这38个沉积物样品的平均人为贡献率为8.66％，然后进一步进行铅同位素的源解析。

2，将大于零的R值与其相应的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的比值进行线性回归分析，得到的线性回归方程I，如公式(2)所示：

y＝0.0017x+1.1561，(r²＝0.6447，p<0.0001) (2)

确定在人为贡献点位中，污染源个数为两个。

3，继续采用²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb进行相关性分析，建立线性回归方程为II，如公式(3)所示：

y＝0.8285x+1.5060，(r²＝0.8567，p<0.0001) (3)

4，为了对比人为源铅的贡献率，同时将参考的污染源的相应比值也绘制于同一图中，如图3所示，图中表示污染源的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的比值与不同地区的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的比值对比。由图3中可知，白色点的This study的点位集中的位置是筛选出的38个点的同位素比值所在位置，其中燃煤和大气气溶胶的点位在图上的位置离白色点集中区域最近，因此可判断人为源为燃煤和大气气溶胶。因此，计算这两部分人为源的铅同位素的比值，燃煤(²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值平均值为1.163)，大气气溶胶(²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值平均值为1.148)。

通过建立的相关关系可知，人为贡献点位的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的平均值为1.158。因此，铅同位素的二元模型如下：

R_人为铅＝R_燃煤X_燃煤+R_气溶胶X_气溶胶 (4)

X_燃煤+X_气溶胶＝0.0866 (5)

式中，R_燃煤为²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值平均值为1.163，R_气溶胶为²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值平均值为1.148；R_人为铅是人为贡献点位的铅同位素比值²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的平均值为1.158。

通过公式(4)和公式(5)，可计算出燃煤在人为贡献中占13.33％，气溶胶在人为贡献中占86.68％，那么，通过人为贡献率的百分比8.66％，进一步计算可知不同来源人为铅在整个沉积物柱状样中占比分别为燃煤为1.15％，气溶胶为7.51％，通过这个比例，也能够进一步证明人为污染源的传输方式为大气气溶胶。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

(1)应用地球化学基线筛选出人为铅源，直接针对人为铅的具体来源应用铅同位素进行示踪，还原了铅同位素示踪的本质，使溯源更有针对性；

(2)应用地球化学基线计算出的人为铅贡献率，参与铅同位素示踪的贡献率计算，使溯源更为精准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims

1.一种水体沉积物中铅污染源解析的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立待研究区域沉积物铅的地球化学基线模型；

S3,根据步骤S2中计算的沉积物铅地球化学基线值和每个样品相应的铅地球化学基线值，计算每个采样点位的人为贡献浓度和相应的人为贡献率的平均值，筛选出了人为源铅对应的点位，被去除的点位的铅浓度视为自然源铅浓度；

S4，将步骤S3中筛选出的人为源铅浓度与其对应点位的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的比值建立线性回归方程I，根据线性回归方程I的线性，确定污染源个数；

S6，进一步将筛选出的人为源铅对应的点位，通过建立铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb比值的线性回归方程II和以往文献中报道过的铅源的同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb的比值，确定具体人为源铅污染源，并根据这些人为源铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb的比值和S5计算的所得的铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值的平均值，进一步建立铅同位素混合模型，计算人为源铅中不同来源铅的贡献率；

S7,根据S3中基于地球化学基线计算的人为贡献率的平均值、步骤S5得到的人为源铅同位素²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb比值的平均值和步骤S6中建立的混合模型，计算研究区域沉积物中不同来源铅的贡献率；

所述以往文献中报道过的铅源包括文献中记载的上海的煤炭，北京的煤炭，北方燃煤，汽车尾气，河北矿石，北京大气气溶胶，自然源和水泥。

2.根据权利要求1所述的水体沉积物中铅污染源解析的方法，其特征在于，步骤S1中建立地球化学基线模型的方法是标准化方法。

3.根据权利要求1所述的水体沉积物中铅污染源解析的方法，其特征在于，步骤S3中所述的人为贡献浓度是每个样品相应的铅地球化学基线值与研究区域的铅地球化学基线值的差值。

4.根据权利要求1所述的水体沉积物中铅污染源解析的方法，其特征在于，步骤S4中建立的线性回归方程选用的铅浓度是人为源铅的贡献浓度。

5.根据权利要求1所述的水体沉积物中铅污染源解析的方法，其特征在于，步骤S6中建立的线性回归方程II系数是通过人为源铅对应的铅同位素比值确定。

6.根据权利要求1所述的水体沉积物中铅污染源解析的方法，其特征在于，步骤S1之前还包括：

S0，利用地球化学基线区分铅在沉积物中自然源和人为源。