CN112950044A - 一种沉积物重金属的生态风险评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了环境风险评价技术领域内的一种沉积物重金属的生态风险评价方法，包括划分检测区域，采集检测区域内植物样品进行检测分析，计算植物样品在不同采样区域中重金属污染物的浓度水平；获取植物所在沉积物中重金属污染物的浓度水平，得到植物样品重金属污染物浓度及植物所在沉积物的重金属污染物浓度的关系模型，根据关系模型得到采样区域内河道沉积物重金属污染物浓度值；根据重金属的背景值以及采样区域内河道沉积物重金属污染物浓度值对河流进行生态风险评估；本发明针对重金属背景值具有不确定性特点，计算随机情况下生态风险指数的期望数值，得到各种重金属污染物所造成的生态风险综合指数。
Description
技术领域
本发明涉及到环境风险评价领域，具体涉及一种沉积物重金属的生态风险评价方法。
背景技术
生态风险评估是利用生态学、环境化学及毒理学的知识，定量地确定污染物对人类和生物的负效应的概率及其强度的过程，也即是对风险进行测度，给出某一危害发生的概率及其后果的性质。因而，这一阶段的主要任务是确定其特定事件发生的概率，受时间影响的范围及危害的人群和生物种群，根据事件的特征分析影响的持续性、可测性、可控性及风险的调控机理，明确一定时间段内可能发生的一系列不同强度的事件所造成的后果，如：经济损失，对人体健康的危害，生物种群数量的减少甚至灭绝等。生态风险评估的目的在于通过对某种污染物导致的负效应的科学评价，为生态环境保护和管理工作提供参考。
沉积物的重金属生态风险一般采用与相关标准相比的定性判断方法，各重金属元素的背景值一般通过在未受到污染的水体底层提取沉积物样品计算获得，或参考当地已有的重金属背景值。但是对于深度较大的水体，采集沉积物的难度较大，程序繁琐且需要耗费大量的人力物力；部分地区缺少重金属背景值；同时，由于沉积物组成的无均匀性，不同地区沉积物中的重金属含量往往有很大差异，传统的生态风险指数难以处理背景值中的不确定性，极大的限制了其使用领域。此外，常用的Hakanson方法(生态风险指数法)关注的重金属种类较少，无法完整反映沉积物不同重金属污染物的生态风险。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中的不足之处，解决了现有技术中工作不便，评价效果差的技术问题，提供一种沉积物重金属的生态风险评价方法，此方法工作方便、评价效果好。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种沉积物重金属的生态风险评价方法，包括以下步骤：
(1)划分检测区域，采集检测区域内河道中或周围的植物样品进行检测分析，计算植物样品在不同采样区域中重金属污染物的浓度；
(2)检测植物所在沉积物中重金属污染物的浓度，构建植物样品重金属污染物浓度及植物所在沉积物的重金属污染物浓度的关系模型；
(3)根据步骤(2)的关系模型计算采样区域内河道沉积物重金属浓度值；
(4)根据重金属的背景值以及步骤(3)的采样区域内河道沉积物重金属浓度值对河流进行生态风险评估。
进一步地，步骤(1)具体包括如下分步：
(1.1)在采样点处进行沉积物及植物样品的采集，测定样品中重金属元素的浓度，每种重金属污染物至少有3个点位的浓度数据；
(1.2)通过计算实测值计算数据的算数平均值得到植物样品在不同采样区域中重金属污染物的浓度。
进一步地，步骤(2)具体包括如下分步：
(2.1)构建植物体重金属含量与其所在沉积物中重金属含量之间的线性回归关系式,方程式如下：
y＝ax+b
其中：y为沉积物中重金属含量；x为植物体内重金属含量；a、b为回归系数，通过分别计算回归系数a、b进而得到沉积物中金属含量及植物体内重金属含量之间的线性回归关系；
(2.2)采用总差平方和、回归平方和及残差平方和对回归线进行拟合程度的评价，得到采样区域内河道沉积物重金属浓度值。
进一步地，步骤(3)具体包括如下分步：
(3.1)将河流沉积物中重金属元素的背景值视为在背景值区间上的连续性随机变量，根据沉积物中重金属浓度值、重金属背景值及重金属毒理学系数计算生态风险指数的数学期望，得到各种重金属污染物所造成的生态风险综合指数；
(3.2)根据各种重金属污染物所造成的生态风险综合指数进行生态风险评价。
进一步地，所述重金属为锌、铜、镍、铅、钴、铬、砷、镉、钒和汞。
进一步地，步骤(3.1)中，所述生态风险指数的数学期望根据沉积物中重金属浓度值、重金属背景值及重金属毒理学系数计算。
进一步地，步骤(2.2)中采样区域内河道沉积物重金属污染物浓度值采用移动平均法进行计算。
本发明对子流域入口河道两侧植物进行重金属的检测，由于子流域入口处河道较窄且河道两侧植物易于获得，进而能够有效避免面对面积较大的水体时出现的采集底层沉积物的难度较大、程序繁琐且需要耗费大量人力物力的问题，能够反复进行多次定时测量，并能较好反映待测沉积物中重金属的污染水平；此外，本发明针对重金属背景值具有不确定性的特点，通过计算随机情况下生态风险指数的期望数值，进而得到各种重金属污染物所造成的生态风险综合指数，计算结果更加准确。
附图说明
图1为本发明评价方法的流程示意图。
图2为本发明检测的芦苇体内的重金属铜含量与其所在区域的沉积物中重金属铜含量的线性关系。
具体实施方式
如图1所示的流程，本发明提供一种沉积物重金属的生态风险评价方法，包括以下步骤：
(1)划分检测区域，选取检测区域内河道中或周围的植物样品进行检测分析，确定植物在不同采样区域中重金属污染物的浓度值，并获取植物所在沉积物中重金属污染物的浓度值。
本实施例对河流进行沉积物重金属的生态风险评价，在进行采样前，先对采样区域进行了合理的筛选，避开工厂排水口、污水处理厂排水口、水产养殖地、农田等受重金属污染严重的区域，选取人类活动影响较小的区域。
在划分检测区域之后，选取采样点，对河道两侧的植物进行取样操作，该方法比直接对河流河道中的沉积物进行取样相对容易；再加上河道两侧的植物体内含有的重金属含量与其附近沉积物中重金属含量存在较好的线性关系，因此，本实施将河流两侧的植物生长区划分检测区域，采集芦苇、蒲草等植物及其附着的沉积物，检测植物地上部分茎的重金属含量和沉积物中重金属含量，进而拟合出附近沉积物中重金属的含量。
在采样点处进行沉积物及植物样品的采集，测定样品中Zn、Cu、Ni、Pb、Co、Cr、As、Cd、V及Hg共10种重金属元素的浓度，每种重金属污染物至少有3个点位的浓度数据，并且不同点间针对同一种污染物所用的检测分析方法相同。
在取样后，对取样得到的植物样品进行碾碎和风干，取碾碎和风干的植物样品10g置入锥形瓶，加水湿润，加入50mL硝酸，25mL高氯酸，静置一天，后加热产生白色烟雾，在加入盐酸后，加水定容，取上清液；将上清液与抗坏血酸及碘化钾混合，并加入甲基异丁基甲酮，振摇后静置分层，取有机相进行测量，剩余样本封存备测。
在取样后，将沉积物样本按照统一方法采集后，统一编号后即刻放入到冰盒预冷的采样箱中，保持存放的温度为0℃左右，底泥经过HCl、HF、HClO4消解后，采用ICP-MASS仪器进行重金属含量的分析测定，底泥的pH值通过1:5土液化并用pH计测定，底泥的理化性质测定参照土壤理化分析进行。在检测完毕后，对样本保存3个月，以备复测。
ICP-MASS的仪器工作条件发射功率为1600W，雾化器氩气流量1.2L/min，等离子气体Ar气流量18L/min。ICP-MASS采用ICP作为质谱的高温离子源，植物及沉积物样品在中心通道的气流中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程后，离子通过采样锥、截取锥接口和离子传输系统进入高真空的四极杆质谱计，通过高速顺序扫描分离测定所有的离子，扫描范围从动态范围达到6-8数量级。
与传统的无机分析技术相比，ICP-MASS技术将ICP的高温电离特性与四极杆质谱计的灵敏快速扫描的优点结合，ICP-MS技术提供了最低的检出限，最宽的动态线性范围，且谱线简单、干扰少，分析精密度高，所以ICP-MASS仪器的准确度更高。
由于重金属实测值呈正态分布，因此通过计算实测数据的算数平均值得到重金属元素的含量。
表1为本实施例以芦苇为例测得的测量点沉积物重金属浓度(mg/kg)
表2为本实施例测得的芦苇植物体内重金属浓度(mg/kg)
(2)构建植物样品重金属污染物浓度及植物所在沉积物的重金属污染物浓度的关系模型，根据关系模型得到采样区域内河道沉积物重金属污染物浓度值。
如图2所示，本实施例以芦苇为例，测量芦苇体内重金属铜含量与其所在一定区域的沉积物中的重金属铜含量。由图2可知，芦苇体内的重金属铜含量与其所在一定区域的沉积物中重金属铜含量在一定范围内均成正比，即随着沉积物中重金属含量的增加，植物体内的重金属含量也随之增加，二者具有线性回归关系。因此，通过构建植物体重金属含量与其所在沉积物中重金属含量之间的线性回归关系式进而构建二者之间的关系，具体为：
y＝ax+b
其中：y为沉积物中重金属含量；x为植物体内重金属含量；a、b为回归系数。
通过分别计算回归系数a、b进而得到沉积物中金属含量及植物体内重金属含量之间的线性回归关系。
本实施例计算得到的芦苇体内重金属含量与其所在一定区域的沉积物中的重金属含量之间的线性关系为：y＝0.33x+0.25。
为了评价回归线拟合程度的好坏，采用总差平方和SST、回归平方和SSR及残差平方和SSE对回归线进行拟合程度的分析，具体为：
其中：SST为总偏差平方和；yi为沉积物某重金属的实际浓度值；y为沉积物某重金属的浓度均值。
其中：SSR为回归平方和；
为沉积物某重金属的回归浓度值。
其中：SSE为残差平方和，假设，
或
其中R2为判定系数，当判定系数R2在0-1之间，越接近1，则拟合程度越好。
本实施例计算得到的判定系数R2＝0.72，具有较好的拟合程度。
表3为通过测量长江某流域得到的沉积物各金属背景值
| 重金属 | 实测值(mg/kg) | 背景值(mg/kg) | 毒理系数 |
| Cr | 100.4 | [37.50-54.40] | 2 |
| Cd | 0.89 | [0.21-0.47] | 30 |
| Zn | 90.1 | [80.00-109.00] | 1 |
| Hg | 0.05 | [0.02-0.04] | 40 |
| Pb | 29.2 | [23.00-27.20] | 5 |
| As | 33.1 | [9.00-23.80] | 10 |
| Cu | 23.5 | [14.50-17.64] | 5 |
| Ni | 36.5 | [21.55-23.80] | 5 |
| Co | 23.2 | [8.70-24.00] | 5 |
| V | 50.1 | [40.52-52.24] | 2 |
其中，背景值为重金属污染物工业化前的背景值，由公开文献获得。
本实施例采用元素的校正丰度来表示沉积物中重金属的毒性系数，即元素在环境物质中的丰度越大，毒性越大。
由于河道沉积物中重金属含量的纵向分布具有动态数列的特点，因此，通过计算采样区域内河道部分段面泥底的重金属含量，利用移动平均法对整个河道沉积物重金属污染物浓度进行预测，得到河道沉积物重金属污染物浓度值。
(3)根据沉积物重金属的背景值以及河道沉积物重金属污染物浓度值对河流底泥进行生态风险评估。
由表2得到的沉积物重金属的背景值可知，由于重金属背景值多以区间的形式出现，所以将重金属背景值视为在背景值区间上的连续性随机变量，由此可得：
其中：SRi为生态风险指数的期望数值；ci为沉积物重金属污染物浓度值；bi为沉积物重金属背景值；ti为沉积物重金属毒理学系数；li为沉积物重金属背景值下限值；si为沉积物重金属背景值上限值；f(bi)为概率密度函数。
通过求解沉积物中各重金属的概率密度函数，进而得到各重金属的生态风险指数。
在计算出沉积物中各重金属的生态风险指数后，对各生态风险指数求和，计算河流沉积物中各种重金属污染物所造成的生态风险综合指数HRI，并得到HRI数值的概率分布。具体为：
HRI＝∑SRi
根据SRi的数值，单个重金属的生态风险状况被划分为5个等级，分别为：低级(SRi＜40)、中等(40≤SRi＜80)、较高(80≤SRi＜160)、高(160≤SRi＜320)以及很高(SRi≥320)。而多种重金属综合潜在生态风险指数被划分为4个等级，分别为：低级(HRI＜150)、中等(150≤HRI＜300)、高(300≤HRI＜600)及很高(HRI≥600)。
表4为本实施例的沉淀物重金属的生态风险指数
| 重金属 | 风险指数(均值) | 风险等级 |
| Cr | 4.59 | 低 |
| Cd | 135.58 | 较高 |
| Zn | 1.52 | 低 |
| Hg | 66.24 | 中 |
| Pb | 8.01 | 低 |
| As | 30.02 | 低 |
| Cu | 5.08 | 低 |
| Ni | 5.27 | 低 |
| Co | 5.11 | 低 |
| V | 20.01 | 低 |
由表2可知，除Hg和Cd外，其余重金属均处于低风险状态。Hg和Cd处于较高风险可能与当地频繁的矿产开发有关，而较高浓度的Hg和Cd对当地水环境中的动植物生长发育可能产生不利影响。另外，沉积物中多种重金属综合潜在生态风险指数HRI为281.43，表明重金属生态风险处于中等等级。虽然该区域重金属不会对生态环境造成较大影响，但同样需要对样本区域的水环境进行重金属污染物分布及其来源等方面进行深入调查研究，以此为实施生态保护和环境治理提供理论基础。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种沉积物重金属的生态风险评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）划分检测区域，采集检测区域内河道中或周围的植物样品进行检测分析，计算植物样品在不同采样区域中重金属污染物的浓度；
（2）检测植物所在沉积物中重金属污染物的浓度，构建植物样品重金属污染物浓度及植物所在沉积物的重金属污染物浓度的关系模型；
（3）根据步骤（2）的关系模型计算采样区域内河道沉积物重金属浓度值；
（4）根据重金属的背景值以及步骤（3）的采样区域内河道沉积物重金属浓度值对河流进行生态风险评估。
2.根据权利要求1所述的一种沉积物重金属的生态风险评价方法，其特征在于，步骤（1）具体包括如下分步：
（1.1）将采样点处进行沉积物及植物样品的采集，测定样品中重金属元素的浓度，每种重金属污染物至少有3个点位的浓度数据；
（1.2）通过计算实测值计算数据的算数平均值得到植物样品在不同采样区域中重金属污染物的浓度。
3.根据权利要求1所述的一种沉积物重金属的生态风险评价方法，其特征在于，步骤（2）具体包括如下分步：
（2.1）构建植物体重金属含量与其所在沉积物中重金属含量之间的线性回归关系式，方程式如下：
其中： 
为沉积物中重金属含量；
为植物体内重金属含量；
为回归系数，通过
分别计算回归系数
进而得到沉积物中金属含量及植物体内重金属含量之间的线性回
归关系；
（2.2）采用总差平方和、回归平方和及残差平方和对回归线进行拟合程度的评价，得到采样区域内河道沉积物重金属浓度值。
4.根据权利要求1所述的一种沉积物重金属的生态风险评价方法，其特征在于，步骤（3）具体包括如下分步：
（3.1）将河流沉积物中重金属元素的背景值视为在背景值区间上的连续性随机变量，根据沉积物中重金属浓度值、重金属背景值及重金属毒理学系数计算生态风险指数的数学期望，得到各种重金属污染物所造成的生态风险综合指数；
（3.2）根据各种重金属污染物所造成的生态风险综合指数进行生态风险评价。
5.根据权利要求1所述的一种沉积物重金属的生态风险评价方法，其特征在于，所述重金属为锌、铜、镍、铅、钴、铬、砷、镉、钒和汞。
6.根据权利要求4所述的一种沉积物重金属的生态风险评价方法，其特征在于，步骤3.1）中，所述生态风险指数的数学期望根据沉积物中重金属浓度值、重金属背景值及重金属毒理学系数计算。
7.根据权利要求3所述的一种沉积物重金属的生态风险评价方法，其特征在于，步骤（2.2）中采样区域内河道沉积物重金属污染物浓度值采用移动平均法进行计算。
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