基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选模型的建模方法

摘要

基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选模型的建模方法，涉及河流生态系统风险评估技术领域。本发明的目的是提供一种基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选模型的建模方法，以筛选出一种或几种重金属优控污染物来表征河流的重金属污染现状。本发明选取重金属毒性系数、污染指数和检出率3个指标分别计算水相、生物相和固相生态风险指数，构建了重金属优控污染物筛选模型，并将综合生态风险指数高的重金属筛选为研究区域河流重金属优控污染物。本文构建模型应用于松花江5种有毒重金属污染综合效应评价，研究结论与其他学者关于松花江的相关研究结果吻合。本发明用于基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选。

说明书

技术领域

本发明涉及一种重金属优控污染物筛选模型的建模方法，涉及河流生态系统风险评估 技术领域。

背景技术

随着工业生产规模的不断扩大和城市化的快速发展，大量进入环境中的重金属对生物 个体、种群产生影响，进而对生态系统产生不良的生态效应。如果重金属超过人体所能耐 受的限度，就会造成人体急性或慢性中毒，导致致癌、致畸及致突变现象，对人体造成很 大危害（Wang&Zhang,2012）。重金属污染现已成为水环境污染评价的重要内容（Liu et  al.,2006），一直备受国内外学者的高度关注，但当前针对重金属污染对河流生态系统造成 的危害大多关注单一介质中重金属的风险评价，如沉积物（Burton,2010；Wu et at.,2013； Azmat et al.,2014）、鱼体（Tuzen M,2009；Liu et al.,2013）或水体（Tao et al.,2013；Wang et  al.,2010）等，而有关重金属在河流三相空间综合污染效应的研究尚未见报道。此外，关 于水环境优控污染物的研究，国内外已提出多种筛选方法，但多用于有机物的筛选，对人 体危害较大的重金属研究不多（Xu et al.，2013）。由于重金属检测对仪器设备及操作人员 技能要求高，费用昂贵，如何构建一个科学、客观、简便的评价模型，筛选出一种或几种 重金属优控污染物来表征河流的重金属污染现状，已成为当前水环境重金属污染防治工作 的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选模型的建模方 法，以筛选出一种或几种重金属优控污染物来表征河流的重金属污染现状。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选模型的建模方法，所述方法的实现过 程为：

步骤一、指标体系构建：

选取重金属的毒性系数、污染指数、检出率3个指标构建重金属优控污染物筛选模 型；

重金属毒性系数T_rⁱ用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度；

重金属污染指数表征单一重金属的富集和污染程度，由公式1表示：

$C_f^i=C^i/C_n^i$             公式1

式中：Cⁱ为单一重金属实测值，单位是mg/kg；C_nⁱ为单一重金属环境背景参比值，单 位是mg/kg；

重金属检出率F_sⁱ表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式2表示：

${F_s}^i=S^i/S_t^i$                公式2

式中：Sⁱ为单一重金属检出断面个数，S_tⁱ为单一重金属监测断面总数。

步骤二、根据步骤一确定的评价指标，构建重金属优控污染物筛选模型，如公式4：

$W(\mathrm{F><mo>)</mo>}={T_r}^i\times C_f^i\times {F_s}^i$           公式3

R=ζW+ηF+θS            公式4

式中，W、F和S分别表示河流生态系统中重金属在水相、生物相和固相中的生态风 险指数；

ζ、η和θ分别表示河流生态系统中水相、生物相和固相三相空间重金属权重值；

步骤三、利用重金属优控污染物筛选模型求得河流生态系统中每种重金属的R值， 并将各种重金属的R值由高到低进行排序，根据研究河流的重金属监测指标要求，将R 值最高的重金属或R值高的前几种重金属筛选为河流重金属优控污染物。

水相、生物相和固相三相空间重金属权重值ζ、η和θ的确定方法如下：

（1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数x、y和z；

x、y、z是采用层次分析法确定的，它们是计算ζ、η和θ的一个过程参数；

（2）根据地表水环境质量功能区划分，按水质类别Ⅰ-Ⅴ类，采用层次分析法依次判 定其权重系数α、β、γ、δ和ε；

（3）三相空间中重金属污染权重系数x、y和z分别与不同水质类别下重金属权重系 数α、β、γ、δ和ε相乘，得到每一水质类别下各相中重金属权重系数α_i、β_i、γ_i、 δ_i和ε_i；

i的取值范围是1～3，分别代表三相空间，i=1代表水相，i=2代表生物相，i=3代表 固相；i与x、y和z是对应的；

（4）确定河流研究区间不同水质类别个数A、B、C、D和E；

（5）计算出河流三相空间中不同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值a、b 和c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值ζ、η和θ，如公 式5；

$a=\frac{{\alpha }_{1}A+{\beta }_{1}B+{\gamma }_{1}C+{\delta }_{1}D+{ϵ}_{1}E}{A+B+C+D+E}$

$b=\frac{{\alpha }_{2}A+{\beta }_{2}B+{\gamma }_{2}C+{\delta }_{2}D+{ϵ}_{2}E}{A+B+C+D+E}$

$c=\frac{{\alpha }_{3}A+{\beta }_{3}B+{\gamma }_{3}C+{\delta }_{3}D+{ϵ}_{3}E}{A+B+C+D+E}$

$\zeta =\frac{a}{a+b+c};\eta =\frac{b}{a+b+c};\theta =\frac{c}{a+b+c}.$           公式5

本发明的有益效果是：

本发明依据应用广泛的重金属污染评价模型（Müller,1969；Hakanson,1980；Hilton et  al.,1985）和环境优控污染物筛选方法（Pei et al.,2013；ATSDR,2013；EC,2013）的科学建 模思想，选取相关参数构建河流水相、生物相和固相立体空间重金属污染综合生态风险评 价模型，并筛选综合生态风险指数高的重金属作为研究区域河流重金属污染优控污染物， 本发明方法为河流重金属污染防治提供了技术支持。

本发明参考国内外河流单一介质中重金属污染生态风险评价模型基础上，借鉴环境优 控污染物筛选方法，选取重金属毒性系数、污染指数和检出率3个指标分别计算水相、生 物相和固相生态风险指数，经加权求和，构建了河流三相空间重金属污染综合生态风险评 价模型，并将综合生态风险指数高的重金属筛选为研究区域河流重金属优控污染物。本文 构建模型应用于松花江5种有毒重金属污染综合效应评价，结果表明5种有毒重金属在单 一介质中生态风险指数均表现为水相>生物相>固相，三相空间综合生态风险指数由高到低 排序为Cd>Hg>As>Pb>Cr，研究结论与其他学者关于松花江的相关研究结果吻合。在此基 础上，本文将Cd和Hg筛选为松花江重金属优控污染物。本研究为河流三相空间重金属 污染综合效应评价及重金属优控污染物筛选进行了一次创新尝试。本发明用于基于河流生 态系统的重金属优控污染物筛选。

附图说明

图1是重金属在河流生态系统中的迁移转化过程模拟示意图，图2为采样断面分布 图，图3为松花江三相空间重金属生态风险指数。

具体实施方式

如图1～3所示，本实施方式对本发明方法进行详尽的说明：

1河流三相空间重金属迁移转化

重金属释放至环境中后易于通过食物链传递和累积（Li et al.,2007；Lüet al.,2008）， 因而进入水体中的重金属可最终通过鱼类等水产品的消费进入人体（Jia,2005），在对鱼 类产生毒性作用（Zhang et al.,2006）的同时，也对人类健康构成严重威胁。此外，水体中 的重金属易与有机高分子生成配合物或螯合物，吸附在黏土矿物等表面，进入沉积物中并 积累，吸附重金属的沉积物通过一系列物理、化学和生物过程，又会重新释放出重金属， 造成水环境的二次污染（Zheng et al.,2011）。河流生态系统中重金属的迁移转化过程模拟 见图1。

2基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选模型的构建

2.1指标体系构建

当前，国内外评价重金属污染效应的主要模型见表1。

表1国内外主要重金属污染效应评价模型

由表1可以看出：河流中重金属的污染效应主要与重金属的生理毒性、浓度、污染 范围、暴露等因素有关。因此，借鉴以上模型的建模思想，本文选取重金属的毒性系数、 污染指数、检出率3个指标重金属优控污染物筛选模型。

2.1.1重金属毒性系数（T_rⁱ）

重金属的毒性系数T_rⁱ用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度， 常见重金属的毒性系数见表2。

表2重金属毒性系数

2.1.2重金属污染指数（）

重金属污染指数表征单一重金属的富集和污染程度，由公式1表示：

$C_f^i=C^i/C_n^i$             公式1

式中：Cⁱ为单一重金属实测值（mg/kg）；C_nⁱ为单一重金属环境背景参比值（mg/kg）。

2.1.3重金属检出率（F_sⁱ）

重金属检出率F_sⁱ表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式2表示：

${F_s}^i=S^i/S_t^i$              公式2

式中：Sⁱ为单一重金属检出断面个数，S_tⁱ为单一重金属监测断面总数。

2.2重金属优控污染物筛选模型

根据上述确定的评价指标，构建了河流生态系统中重金属在水相、生物相和固相中的 生态风险指数（分别用W、F和S表示，公式3）；不同相中重金属对人体可能造成伤害 的几率和危害程度不同，需要分配给三相空间重金属污染生态风险指数不同的权重，最终 得到每种重金属的综合生态风险指数R（公式4），在此基础上，将R值高的重金属筛选 为河流重金属优控污染物：

$W(\mathrm{F><mo>)</mo>}={T_r}^i\times C_f^i\times {F_s}^i$               公式3

R=ζW+ηF+θS                 公式4

式中，ζ、η和θ分别表示河流生态系统中水相、生物相和固相三相空间重金属权重值；

2.3指标权重

2.3.1赋权方法

河流三相空间重金属权重ζ、η和θ的确定方法如下：

（1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数x、y和z；

x、y、z是采用层次分析法确定的，它们是计算ζ、η和θ的一个过程参数；

（2）根据地表水环境质量功能区划分，按水质类别Ⅰ-Ⅴ类，依次判定其权重系数α、 β、γ、δ和ε；

（3）三相空间中重金属污染权重系数x、y和z分别与不同水质类别下重金属权重系 数α、β、γ、δ和ε相乘，得到每一水质类别下各相中重金属权重系数α_i、β_i、γ_i、 δ_i和ε_i；

由于只是三相空间，故i的取值范围是1～3，分别代表三相空间，按表格所列顺序， i=1代表水相，i=2代表生物相，以此类推；i与x、y和z是对应的，可见表3，就是每 一相空间重金属权重系数分别单独计算，得到a、b、c，再经归一化处理，最终得出每相 空间重金属的权重值；

（4）确定河流研究区间不同水质类别个数A、B、C、D和E；

（5）计算出河流三相空间中不同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值a、b 和c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值ζ、η和θ（公式 5）。河流三相空间中重金属权重分配见表3。

$a=\frac{{\alpha }_{1}A+{\beta }_{1}B+{\gamma }_{1}C+{\delta }_{1}D+{ϵ}_{1}E}{A+B+C+D+E}$

$b=\frac{{\alpha }_{2}A+{\beta }_{2}B+{\gamma }_{2}C+{\delta }_{2}D+{ϵ}_{2}E}{A+B+C+D+E}$

$c=\frac{{\alpha }_{3}A+{\beta }_{3}B+{\gamma }_{3}C+{\delta }_{3}D+{ϵ}_{3}E}{A+B+C+D+E}$

$\zeta =\frac{a}{a+b+c};\eta =\frac{b}{a+b+c};\theta =\frac{c}{a+b+c}$          公式5

表3给出三相空间的权重系数、不同水质类别的权重系数，最终计算出来的值作为每 相空间的权重值；为了区别开，我把ζ、η和θ叫做权重值，其它的称为权重系数；

表3河流三相空间中重金属权重分配

2.3.2权重系数的确定过程为：

为了计算出最终的权重值ζ、η和θ，先要确定很多的权重系数，包括立体空间和不 同水质类别（各项权重系数包括α、β、γ、δ、ε以及x、y、z）；

采用层次分析法确定各项权重系数，在构造判断矩阵过程中（判断矩阵是层次分析法 的一个计算过程，为现有技术范畴），参考了《地表水环境质量标准》GB3838-2002中不 同水质类别间同一重金属浓度标准的对比关系，并请6位专家分别以水相、生物相和固 相以及Ⅰ-Ⅴ类水质类别构造判断矩阵，取其均值作为最终判断矩阵，进而得到各项权重 系数（各项权重系数包括α、β、γ、δ、ε以及x、y、z，只有确定出它们，才能最终 求得ζ、η和θ），见表4。

表4各项权重系数

R=ζW+ηF+θS作为基于河流生态系统的重金属优控污染物筛选模型，求得每种重 金属的综合生态风险指数R，将R值高的重金属筛选为河流重金属优控污染物。

3模型应用与验证

3.1模型应用

3.1.1研究区选取及数据采集

本文选取松花江进行模型应用研究。松花江是中国第三大江河，其北源嫩江，南源第 二松花江，两源在三岔河汇合后始称松花江干流，于同江市汇入中俄界河黑龙江，对界河 黑龙江的水质影响很大。为此，本文选取5种重点防控污染物Hg、Cd、Cr、As、Pb为 研究因子，样品数据采集于第二松花江和松花江干流（2011年5月-2012年5月）。其中： 水样数据来源于10个监测断面，采集8次；鱼样数据来源于5个监测断面鲶鱼（代表底 层肉食性鱼）、鲤鱼和鲫鱼（代表中层杂食性鱼）、鲢鱼（代表上层草食性鱼）共88条鱼 样，采集1次；沉积物数据来源于8个监测断面，采集1次。样品背景值数据中，鱼样 数据参考中国科学院长春分院编著的《松花江流域环境问题研究》（1992），水样及沉积 物数据来源于2011年5月课题组采集的6条天然河流源头区的16个水样样品、23个沉 积物样品（图2）。采用ICP-MS进行样品测定。

3.1.2模型计算与结果分析

依据《吉林省地表水功能区》DB22/388-2004和《黑龙江省地面水环境质量功能区划 分和水环境质量补充标准》DB23/485-1998进行水质类别划分。本文研究区间为哨口-同江， 共划分11个水环境功能区，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水质类别个数分别为1、7和3。根据公式 1-公式5及表4各项权重系数，得到松花江单一介质中重金属污染生态风险指数和三相空 间综合生态风险指数（表5和图3）。

表5松花江重金属污染综合生态风险评价

由表5和图3可以看出：（1）松花江中5种有毒重金属自身的生理毒性差异较大， 毒性系数T_rⁱ由高到低顺序为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cr；污染指数表明重金属在三相空间中 的富集比均为水相＞生物相＞固相；检出率F_sⁱ表明整体上重金属检出率较高；（2）Hg、 Cr和Pb在水相中的检出率均小于1，但污染指数却分别达到1.40、5.11和3.37，表明3 种重金属在空间上分布不均匀，在水相中有较高的富集比；Hg和Pb在沉积物中污染指数 小于1，但检出率都达到100%，这种结果可能与其背景值含量高有关。（3）Hg在生物相 的生态风险指数最高（52），且大于生物相与固相生态风险指数之和（49）；Cd在三相空 间中的生态风险没有明显差异；其它3种重金属中As的生态风险指数最高，Pb次之，Cr 最低。（4）5种有毒重金属在三相空间综合生态风险指数R由高到低的排序为：Cd（37.64） >Hg（28.48）>As（19.14）>Pb（7.41）>Cr（5.67），进而将Cd和Hg筛选为松花江重金属 优控污染物。

毒性系数和重金属浓度是大多数模型构建的主要参数（表1）。本文河流三相空间重 金属污染综合生态风险评价模型应用结果表明，毒性系数高的重金属其综合生态风险指数 R也高，即R值与T_r有很大的相关性。但由于污染物浓度、背景值和检出率等因素影响， R与T_r并非是一一对应关系，如T_r（Cd）<T_r（Hg），但R（Cd）>R（Hg）。由于Hg在水 相中的检出率低，从而导致其水相中生态风险指数低于生物相和固相，进而导致其综合生 态风险指数小于Cd。因此，对于三相空间重金属污染综合效应而言，检出率是一重要影 响因素。

3.2模型验证

陆继龙等（Lu et al.,2009）研究表明，第二松花江中下游各样点重金属的单项潜在生 态风险系数排在前两位的是Hg和Cd；孙静雯等（Sun et al.,2013）研究表明，Cd在第二 松花江和松花江干流鱼体中的含量较高，Hg在松花江干流鱼体中的含量较高；朱青青和 王中良（Zhu&Wang,2012）曾搜集正式发表的不同时期中国七大水系干流沉积物重金属 文献51篇共34478个采样点数据，对比分析各水系重金属污染特征，得出结论为松花江 的重金属生态风险指数位于珠江、海河之后排第三位，Hg的生态风险等级为极强，Cd的 生态风险等级为强。以上研究表明，松花江流域水体、鱼体、沉积物中，Cd和Hg均具有 较大的生态危害，这与本文的研究结论是一致的，进而证实本文所建模型具有一定的科学 合理性。

本发明方法参考当前国内外构建单一介质中重金属污染生态风险评价模型选取的重 要参数，结合环境优控污染物的筛选方法，本发明选取重金属毒性系数、污染指数和检出 率3个指标分别计算河流水相、生物相和固相中重金属的生态风险指数，经加权求和，最 终构建了重金属优控污染物筛选模型，并将综合生态风险指数高的重金属筛选为研究区域 河流重金属优控污染物。模型应用于松花江重金属污染效应研究，结果表明5种有毒重金 属在三相空间中的生态风险指数均表现为水相＞生物相＞固相，综合生态风险指数R由 高到低的排序为Cd>Hg>As>Pb>Cr，这与其他学者关于松花江的研究结论相吻合。依据R 值大小，本文提出将Cd和Hg作为松花江重金属优控污染物。如此，应用该模型可进行 河流重金属优控污染物筛选，既可以减轻监测任务，减少人力、物力和财力的投入，又能 准确把握河流重金属污染水平，及时跟踪重金属污染程度变化，因而本文构建的模型具有 较高的科学意义与推广价值。本发明选取了松花江作为模型应用与验证实例。