WO2015149408A1 - 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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李冰
曲常胜
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宛文博
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Definitions

  • the invention relates to the field of determining ecological risk, in particular to a method for determining ecological risk of heavy metal pollution in river and lake sediments. Background technique
  • the Hankanson Potential Ecological Hazard Index method is a relatively quick and simple method for dividing the degree of sediment pollution and the potential ecological risk of water bodies.
  • the average concentration of heavy metals in water sediments is compared with the background value and multiplied by the toxicity adjustment coefficient.
  • Obtaining an ecological risk value is a point estimation method.
  • the concentration of heavy metals in water sediments may vary greatly in different regions and time periods.
  • the ecological risk value and the classification of risk levels calculated by the average concentration cannot reflect the uncertain properties and probability characteristics of the risk problem. Therefore, it is necessary to develop characteristics that reflect the fluctuations of heavy metal concentrations in water sediments and
  • the risk analysis method of state risk probability attribute provides a more scientific and reliable basis for rational formulation of water ecological environment protection measures. Summary of the invention
  • the invention relates to an ecological risk determination method for heavy metal pollution in river and lake sediments, based on Monte Carlo sampling, in view of the deficiencies and problems in the treatment of ecological risk identification and determination methods for heavy metal pollution in traditional sediments. Sampling calculation is applicable to the discrimination of heavy metal pollution in river and lake sediments and the identification of potential ecological risks, which can serve water pollution control and water ecological management.
  • a method for determining ecological risk of heavy metal pollution in river and lake sediments comprising the following steps:
  • Use formula Calculate the ecological risk index of a certain heavy metal pollutant, which represents the ecological risk index of the i-th heavy metal pollutant; represent the measured value of the concentration of the i-th heavy metal pollutant in the water sediment (mg/kg) ) ; represents the pre-industrial background value of the heavy metal contaminant
  • TV represents the ecotoxicity coefficient of the first heavy metal contaminant; and is obtained from published literature reports;
  • the Monte Carlo method is used for sampling calculation.
  • the average value is stable, that is, the number of sampling times when the average difference between the two operations is less than 5% is the final sampling number, and the corresponding operation result is the final result;
  • the invention provides an ecological risk determination method for heavy metal pollution in river and lake sediments.
  • the Monte Carlo sampling method is used to deal with the insufficiency of the uncertainty problem in the traditional point estimation method to reflect the water body.
  • the fluctuation characteristics of heavy metal concentration in sediments and the probability attribute of risk are applicable to the discrimination of heavy metal pollution in river and lake sediments and the identification of potential ecological risks, providing scientific and reliable basis for water pollution control and water ecological management.
  • the method can be widely applied to the ecological risk analysis caused by heavy metal pollutants in river and lake water sediments, and the corresponding ecological environmental protection measures are formulated.
  • Figure 1 is a cumulative ecological risk distribution probability distribution of heavy metal pollutants in a lake sediment.
  • each heavy metal pollutant has at least 3 points of concentration data, and different points The detection and analysis methods used for the same contaminant are the same;
  • the Monte Carlo method is used for sampling calculation.
  • the average value is stable, that is, the number of sampling times when the average difference between the two operations is less than 5% is 5000 times, which is taken as the final sampling number, and the corresponding operation result is the final result;

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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E i r 最终结果;(5)绘制 E i r 数值分布曲线;(6)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,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。本发明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。

Description

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宄工作, 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 代表第 i种重金属污染物的生态风险指数; 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); TV:代表第 种重金属污染物的生态毒性系数; 和 从公开的文献报 道中获取;
(4) 依据 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 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; 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 H i =∑ 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 HRL使用蒙特卡罗抽样方法进行抽样计算,根据抽样结果绘制 Η ¾ί 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 在不同风险级 别出现的概率, HR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 = ^ X / 计算各重金属污染物的生态风险指数, 其中 代 表第 i种重金属污染物的生态风险指数; C代表水体沉积物中第 i种重金属污染 物的浓度(mg/kg) ; 代表该重金属污染物的工业化前背景值(mg/kg) ; 代表 第 i 种重金属污染物的生态毒性系数。 和 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 ί¾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。 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 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 HRf =∑ 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 SR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 Ri在不同风险级 别出现的概率, 见表 4。 结果表明, HR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 Ri数值的累积概率分布曲 线可知, i!R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)
Figure imgf000007_0001
表 2 重金属污染物的工业化前背景值 及生态毒性系数 ^
Figure imgf000007_0002
表 3 各重金属污染物的生态风险分析结果
Figure imgf000007_0003
表 4 该湖泊总生态风险分析结果
Figure imgf000008_0001

Claims

权利要求书
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 = X / 计算某一种重金属污染物的生态风险指数, 其中 代表第 i种重金属污染物的生态风险指数; ^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) ; r;f代表第 种重金属污染物的生态毒性系数;
(4) 依据 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 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; 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 HRi =∑ 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 H'R,使用蒙特卡罗抽样方法进行抽样计算,根据抽样结果绘制 H J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^ ¾ί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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