CN110135714B - 一种河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法，主要针对河流、湖泊等底泥环境进行污染风险评估。本发明步骤如下：确定河湖底泥中重金属污染物含量，同时获取对应样品氮磷营养指标；根据底泥重金属含量使用公式计算样品环境污染富集指数和毒理熵，初价底泥重金属毒性特征；利用氮磷营养数据集，计算有机污染负荷指数，结合样品重金属毒理熵，构建结构方程模型；拟合有机污染对重金属毒理的叠加指数，计算样品重金属生态毒性综合风险指数，对比风险级别标准综合评价重金属毒性风险。本发明基于生态学统计方法，克服重金属单一评价局限性，充分考虑有机污染对重金属生态毒性的影响，可综合评价河湖底泥重金属生态毒性风险。
Description
技术领域
本发明属于环境污染评价技术领域，特别涉及一种河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法。
背景技术
河流、湖泊等地表水不仅为人类生产生活提供必需的水源，也在人类社会生态文明建设中扮演着重要的角色。来自于河湖沉积物的内源污染是影响水体水质的主要因素，当上覆水体污染物浓度发生变化或湖泊底泥受到扰动时，积累在底泥中的污染物又会再次向水体释放，造成“二次污染”。重金属在水中不能被分解，且易与其它物质结合，在悬浮物和表层沉积物的吸附作用下沉积到水体底泥中，通过食物链危害人类健康。因此，综合评价河流、湖泊底泥重金属污染，评估底泥重金属对生物的生态毒性风险特征，有利于针对性地提出底泥重金属防范措施和处理处置方案。
美国国家环保署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(Effects range-low)和风险评价中值(Effects range-median)，但因存在地域差异，该指标适用性往往较差。我国在河流湖泊沉积物重金属生态风险识别主要参考使用Hankanson潜在生态危害指数法，通过重金属在底泥中的浓度与背景值相比，进行生态风险估算。现有的沉积物重金属评价方法主要有单项污染指数法、内梅罗指数法、地累积指数法、富集因子法、物元分析法、灰色聚类法、健康风险评价法等，但这些方法均用重金属含量进行单一因素评价，在估计重金属污染或重金属毒性时并未考虑环境介质中其他关键因素对重金属生态毒性的综合影响，不能反映沉积物中重金属的实际生态毒性情况。由于河湖底泥环境介质中普遍存在较多的碳氮磷营养组分，不同有机物质会通过吸附、络合等效应对重金属毒性产生不同的影响，而有机营养组分的差异又会间接限制或促进重金属与有机分子间的结合。到目前为止，国内外尚无有效的基于有机污染修正的河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险综合评价方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法，在河湖底泥重金属污染负荷和毒理熵评价的基础上，对中度及以上重金属污染的样品进一步进行有机污染评价，结合结构方程模型，获得营养组分、氮磷含量、有机污染等对重金属生态毒性的贡献系数，与已有多种底泥重金属评价方法相比，可基于有机污染矫正的重金属生态毒性风险指数，准确评估底泥环境生态系统重金属污染风险，可为河湖水体污染防治和水生态管理服务。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法，包括以下步骤：
1)取河湖底泥沉积物为环境样品，确定底泥沉积物中重金属污染物含量基础数据，同时获取相应的氮磷营养指标；
2)根据底泥重金属含量使用公式计算样品环境污染富集指数(PLI)和毒理熵(TQ)，初步评价底泥重金属毒性分布特征；
3)利用氮磷营养浓度和组分数据集，计算有机污染负荷指数(OPI)，结合样品重金属毒理熵，构建结构方程模型；
4)拟合有机污染对重金属毒理的叠加指数，计算样品重金属生态毒性综合风险指数，对比风险级别标准进行重金属综合危害评价。
所述环境样品为江、河、湖等底泥沉积物中的一种或者多种。
所述底泥沉积物中重金属污染物含量基础数据基于中国国家土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(GB36600——2018)测定，所述氮磷营养指标包括氮磷含量和有机营养组分指标。
所述环境污染富集指数(PLI)和毒理熵(TQ)计算公式如下：
式中CFn为第n种重金属的污染指数，CFn＝Cn(重金属)/Cn(背景)，Cn(重金属)和Cn(背景)分别为第n种重金属在评价样品和参考区的浓度，n为测定重金属种类个数，TSi为第i种金属毒性打分，Ci为第i种金属浓度，TSAS为砷毒性打分，TSAS＝1674，各金属打分参考美国有毒物质和疾病登记处危险物质优先列表(见https://www.atsdr.cdc.gov/spl/)。
根据所述环境污染富集指数(PLI)和毒理熵(TQ)对沉积物样品重金属污染毒性及分布特征进行初步评价，若PLI小于1，视为无污染负荷，PLI大于1则存在污染负荷，进一步通过TQ初步判断污染毒性，TQ<10为不存在毒性，10<TQ<50为中度毒性风险，50<TQ<100为高度毒性风险，TQ>100为超高度毒性风险，对于毒性风险为中度及中度以上水平的样品，进一步结合有机污染负荷指数进行综合评价。
所述有机污染负荷指数(OPI)的计算公式如下：
OPI＝TOC(％)×ON(％)
式中TOC为总有机碳含量，ON为总有机氮含量，％为质量浓度百分比。
所述有机污染负荷指数OPI<0.05为无有机污染，0.05<OPI<0.2为低风险有机污染，0.2<OPI<0.5为中度风险有机污染，OPI>0.5为高风险有机污染，样品为无有机污染或低风险有机污染，则终止综合评价，重金属生态毒性风险即为中高毒性风险计算值，若样品为中度风险有机污染或高风险有机污染，则进一步通过结构方程模型进行综合毒性评价。
所述结构方程模型通过样品氮磷养分含量、有机营养组分、重金属浓度、有机污染指数、重金属污染负荷以及重金属毒理熵进行构建，利用AMOS软件建立因变量为重金属毒理熵的结构方程模型，当probability level大于0.5即P>0.05、GFI>0.9、RMSEA<0.05时模型成立，获取有机污染对重金属生态毒性的贡献系数r。
所述有机污染对重金属生态毒性的贡献系数r为模型路径解释度，若r>0，则存在有机污染对重金属生态毒性的叠加效应，若r<0，则存在有机物质对重金属生态毒性的削减。
中度及中度以上水平重金属毒性风险的样品毒理熵，通过有机污染贡献系数进行校正，最终获得样品的重金属生态毒性综合风险指数，再通过对比毒理熵(TQ)风险级别标准进行重金属综合危害评价。
作为本发明的一个补充，可提供一种相应的河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价系统，包括：
数据采集模块，采用实验室常用测定设备，获取底泥沉积物中重金属污染物含量基础数据，同时获取相应的氮磷营养指标；
初步评价模块，为虚拟模块，可搭载于计算机中，根据底泥重金属含量使用公式计算样品环境污染富集指数(PLI)和毒理熵(TQ)，初步评价底泥重金属毒性分布特征
结构方程建模模块，为虚拟模块，利用氮磷营养浓度和组分数据集，计算有机污染负荷指数(OPI)，结合样品重金属毒理熵，构建结构方程模型；
最终评价模块，为虚拟模块，拟合有机污染对重金属毒理的叠加指数，计算样品重金属生态毒性综合风险指数，对比风险级别标准进行重金属综合危害评价，并输出评价结论。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法将河湖沉积物中有机营养组分对重金属生态毒性的潜在影响应用于重金属生态毒性风险综合评价方法，可对重金属环境生态毒性风险程度进行全面准确判断，可为河湖水体污染防治和水生态管理服务。
附图说明
图1为本发明的实施方法流程示意图。
图2为底泥重金属污染富集指数(PLI)和毒理熵(TQ)初评结果。
图3为底泥有机污染负荷指数(OPI)评价结果。
图4为构建有机污染对重金属生态毒性结构方程模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，以下描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例：基于某河网河道底泥样品中重金属及有机营养组分指标进行重金属生态毒性风险的综合评价。
参照图1的流程图，初评不同采样点重金属污染水平，并结合有机污染水平，构建结构方程模型，通过修正系数计算底泥重金属生态毒性风险并验证。具体操作步骤如下：
选取某河网河道中不同河段底泥中10处采样点进行采样，测定碳氮磷基本指标(有机质、总有机碳、总腐殖酸、总氮、氨氮、速效氮、碱性水解氮、总磷、有效磷、有机氮)和重金属污染指标(汞、镉、铜、铬、砷、镍、铅、锌)，通过污染富集指数(PLI)和毒理熵(TQ)计算重金属污染负荷并初步评价生态毒性，如图2所示，结果表明不同底泥样品PLI>1，均存在污染负荷，根据TQ值判断，S1为中度毒性风险，而S2-S10的TQ值在50-100之间，即存在高度毒性风险。因此，所有样品需要进一步结合有机污染负荷指数进行综合评价。
通过有机污染负荷指数OPI计算，研究结果如图3所示，OPI均大于0.5即存在高风险有机污染，因此，说明有机营养物质存在大量累积，会与重金属存在较高潜在影响，进一步利用AMOS软件构建结构方程模型，输入养分(氮磷)含量数据、有机营养组分(比例)数据、重金属浓度数据、有机污染指数数据、重金属污染负荷数据、重金属毒理熵数据并建立以重金属生态毒性风险为因变量的因果关系，成功构建有效模型，P＝0.831,GFI＝0.970,RMSEA＝0.000，如图4所示，结果表明，有机污染指数对重金属生态毒性风险存在正向叠加效应，贡献系数r＝0.042。
通过初步计算的各样品环境毒理熵进行校正，得出底泥样品S1-S10的重金属生态毒性综合风险指数分别为51.08、77.92、57.16、66.15、94.17、59.43、102.09、74.69、77.34、93.10，因此，综合评价结果表明S7存在重金属超高度毒性风险，而其余样品存在高度毒性风险。
由该实施例可以看出，通过对河湖底泥样品进行重金属污染负荷和毒理熵的初评，进一步结合有机营养含量和组分特征，可充分评价底泥重金属生态毒性综合风险，实现从单一因素到复杂多影响因素多等级综合评价，使用该方法对某河湖沉积物重金属生态毒性风险进行综合评价，可以更准确的掌握区域重金属污染状况，为今后开展相关研究和修复工作提供科学依据。
Claims (3)
1.一种河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取河湖底泥沉积物为环境样品，确定底泥沉积物中重金属污染物含量基础数据，同时获取相应的氮磷营养指标；
2)根据底泥重金属含量使用公式计算样品环境污染富集指数PLI和毒理熵TQ，初步评价底泥重金属毒性分布特征，其中计算公式如下：
式中CFn为第n种重金属的污染指数，CFn＝Cn(重金属)/Cn(背景)，Cn(重金属)和Cn(背景)分别为第n种重金属在评价样品和参考区的浓度，n为测定重金属种类个数，TSi为第i种金属毒性打分，Ci为第i种金属浓度，TSAS为砷毒性打分，TSAS＝1674，各金属打分参考美国有毒物质和疾病登记处危险物质优先列表；
根据所述环境污染富集指数PLI和毒理熵TQ对沉积物样品重金属污染毒性及分布特征进行初步评价，若PLI小于1，视为无污染负荷，PLI大于1则存在污染负荷，进一步通过TQ初步判断污染毒性，TQ<10为不存在毒性，10<TQ<50为中度毒性风险，50<TQ<100为高度毒性风险，TQ>100为超高度毒性风险，对于毒性风险为中度及中度以上水平的样品，进一步结合有机污染负荷指数进行综合评价；
3)利用氮磷营养浓度和组分数据集，计算有机污染负荷指数OPI，结合样品重金属毒理熵，构建结构方程模型，有机污染负荷指数OPI的计算公式如下：
OPI＝TOC(％)×ON(％)
式中TOC为总有机碳含量，ON为总有机氮含量，％为质量浓度百分比；
所述有机污染负荷指数OPI<0.05为无有机污染，0.05<OPI<0.2为低风险有机污染，0.2<OPI<0.5为中度风险有机污染，OPI>0.5为高风险有机污染，样品为无有机污染或低风险有机污染，则终止综合评价，重金属生态毒性风险即为中高毒性风险计算值，若样品为中度风险有机污染或高风险有机污染，则进一步通过结构方程模型进行综合毒性评价；
所述结构方程模型通过样品氮磷养分含量、有机营养组分、重金属浓度、有机污染指数、重金属污染负荷以及重金属毒理熵进行构建，利用AMOS软件建立因变量为重金属毒理熵的结构方程模型，获取有机污染对重金属生态毒性的贡献系数r，所述有机污染对重金属生态毒性的贡献系数r为模型路径解释度，若r>0，则存在有机污染对重金属生态毒性的叠加效应，若r<0，则存在有机物质对重金属生态毒性的削减；
4)拟合有机污染对重金属毒理的叠加指数，中度及中度以上水平重金属毒性风险的样品毒理熵，通过有机污染贡献系数进行校正，最终获得样品的重金属生态毒性综合风险指数，再通过对比毒理熵TQ风险级别标准进行重金属综合危害评价。
2.根据权利要求1所述河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法，其特征在于，所述环境样品为江、河、湖底泥沉积物中的一种或者多种。
3.根据权利要求1所述河流、湖泊沉积物重金属生态毒性风险的综合评价方法，其特征在于，所述底泥沉积物中重金属污染物含量基础数据基于中国国家土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准GB36600——2018测定，所述氮磷营养指标包括氮磷含量和有机营养组分指标。
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