基于Monte Carlo模擬的潛在生態危害評價

曲春風+李保華+葛長字

摘要：將Monte Carlo模擬引入到Hakanson潛在生態危害指數評價中，可以有效地解決由于評價區域重金屬濃度隨機性和不確定性造成的評價風險，將其應用于后湖農場土壤中重金屬Mn、Cu、Pb、Zn、Cd的潛在生態危害評估。結果表明，評價區域總體處于中等潛在生態危害等級；Cd處于較高的風險等級，處于較高潛在生態危害及以上的風險概率達到了84.87%。通過敏感性分析，Cd含量的敏感性系數達到了99.1%，對于該區域的潛在生態危害起主導作用。

關鍵詞：Monte Carlo模擬；Hakanson潛在生態危害指數；敏感性分析

中圖分類號： X825文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0320-03

收稿日期：2013-09-10

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2011BAD13B02）。

作者簡介：曲春風（1981—），男，山東牟平人，碩士，實驗師，研究方向為環境生態學。Tel：（0631）5688551；Email：qcf_81@163.com。

通信作者：葛長字，博士，副教授。E-mail：changzige@ouc.edu.cn。由于人類的工農業生產活動，使得大量的重金屬進入到土壤中，其賦存形態因生物活動而發生改變但不能降解，致使土壤中的重金屬得以積聚[1]。土壤中的重金屬除污染水質外，還通過食物鏈對人類健康造成危害[2]。土壤中重金屬的環境監測、生態危害評價等成為國內外環境、生態等領域科學工作者關注的熱點[3-4]。隨著“鎘大米事件”的曝光[5]，我國土壤重金屬污染問題更加受到重視。目前，普遍采用的土壤重金屬污染的評價方法有單因子指數法、地質累計指數法、內梅羅污染指數法、污染負荷指數法和潛在生態危害指數法等[6]。Hakanson提出的潛在生態危害指數法[7]綜合考慮了重金屬的生態毒性及重金屬區域背景值的差異，消除了區域差異影響，在國內外土壤、沉積物評價中得到廣泛的應用[8-9]。該評價方法不僅受制于監測樣品數量的有限性、區域污染物分布的時空不均勻性以及實測數據的誤差性，而且對于重金屬生態毒性的權重賦予具有一定的主觀性。潛在生態危害指數法不能有效解決土壤中重金屬污染評價的不確定性，即評價的風險性難以體現，而評價的風險性是決策的重要依據之一。將風險評價系統的不確定性引入到潛在生態危害指數中，將能更科學地評估土壤重金屬污染的現狀。本研究將Monte Carlo模擬引入到潛在生態危害指數法中，對土壤中的Mn、Cu、Pb、Zn、Cd等5種重金屬的潛在生態危害及其風險性進行評估，并對各種重金屬濃度的參數敏感性進行了分析。

1材料與方法

1.1基于Monte Carlo模擬的潛在生態危害評價方法

1.1.1Hakanson潛在生態危害指數法該方法由Hakanson于1980年提出，包含環境化學、生物毒理學、生態學等方面內容，常應用于沉積物及土壤的生態危害評價。基本公式為：

Cif=Ci/Cin

Cd=∑mi=1Cif

Eir=Tir·Cif

RI=∑mi=1Eir=∑mi=1Tir·Cif=∑mi=1Tir·Ci/Cin

式中：Cif為金屬i污染系數，Ci為金屬i的實測濃度，Cin為金屬i的背景值；Cd為多種金屬綜合污染程度；Tir為金屬i的生物毒性響應因子；Eir為金屬i潛在生態風險因子；RI為多種金屬潛在生態危害指數。

1.1.2Monte Carlo模擬Monte Carlo模擬因著名的摩洛哥賭城而得名，又稱為隨機模擬，基本思想是根據待求隨機問題的變化規律，根據物理現象本身的統計規律，或者人為的構造一個合適的概率模型，依照該模型進行大量的統計試驗，使它的某些統計參量正好是待求問題的解[10]。隨著計算機技術的快速發展，使得快速進行Monte Carlo模擬成了可能，通過計算機模擬隨機過程，進行大量模擬試驗，并統計計算結果。

1.1.3基于Monte Carlo模擬的潛在生態危害指數評價利用Monte Carlo方法進行土壤中重金屬潛在生態危害評估：（1）通過實測重金屬濃度確定各種重金屬在土壤中分布的概率密度函數；（2）通過Monte Carlo方法對概率密度函數進行隨機抽樣，獲得重金屬在土壤中的分布濃度，通過Hakanson潛在生態危害指數的方法，對土壤重金屬潛在生態危害進行評估。隨機模擬過程及評價結果的計算由Crystal Ball 11.1軟件進行。對于不同金屬的生物毒性響應因子Tir值，本研究參考經典的Hakanson指數以及國內研究成果[11-13]，設定5種重金屬Tir的順序為：Cd=30>Cu=Pb=5>Zn=Mn=1。

1.2評價區域

后湖農場位于湖北省潛江市的中部，北倚漢水、南近長江，處于江漢平原腹地；四湖主干渠和東干渠在這里交匯，并有溝通長江、漢水間的內河航運。318國道、宜黃高速公路、襄岳公路在這里立體交匯，使后湖成為江漢平原乃至整個湖北中部一個新興的水陸交通樞紐。后湖農場包括張家窯、天新、關廟、前湖、皇裝烷、流塘6個分場，擁有耕地 3 000 hm2、林地900 hm2、水面1 300 hm2；重點發展糧、棉、油、漁、豬、果六大類產品，是湖北省糧棉油高產區[14]。后湖農場作為湖北省重要的糧食產區之一，對該地區土壤中的重金屬進行潛在生態危害評價，對于促進生態農業，維護人體健康都有重要的現實意義。評價區域的重金屬監測數據來自于聶燕博士學位論文[14]，土壤重金屬濃度背景值選取湖北省土壤元素背景值[15]。

2結果與分析

2.1潛在生態危害評價指數

5種重金屬中平均值只有Mn、Pb稍低于湖北省的土壤元素背景值，Cu、Zn、Cd的平均值都超標，超標倍數為Cd為6.86>Zn為1.29>Cu為1.28；測定的重金屬Mn、Cu、Zn、Pb的變異系數都不高，在土壤中分布相對比較均勻，Cd的變異系數較大，為58.63%，即土壤中的Cd分布不均勻，可能存在某些點源性的污染，統計結果見表1。表1后湖農場5種土壤重金屬元素質量分數統計特征值

統計值含量MnCuZnPbCd最大值（mg/kg）539.46753.186193.35536.092.821最小值（mg/kg）480.20822.93048.55015.4900.030中值（mg/kg）506.03039.370104.33025.8201.160平均值（mg/kg）504.91039.590108.15025.8601.180CV（%）3.75020.90027.21019.87058.630概率分布模型

Weibull

（452.8，59.1，3.05）Beta

（20.64，55.17，1.88，1.54）Lognormal

（108.2，29.3，-43.7）Logistic

（25.92，2.93）Beta

（-0.27，4.36，2.79，6.11）湖北土壤背景值（mg/kg）642.030.783.626.70.172

根據Monte Carlo 模擬獲得的5種重金屬的概率密度分布函數，在Excel軟件中，利用Crystal Ball軟件將5種重金屬Ci定義為假設變量，將5種重金屬的生物毒性響應因子Tir定義為決策變量，將5種重金屬的潛在生態風險因子Eir和多種金屬潛在生態危害指數RI定義為預測值。利用Crystal Ball軟件，在95%置信度的條件下，對Ci進行20 000次隨機取樣的Monte Carlo模擬，獲得Eir和RI的預測值概率密度分布（圖1）。5種重金屬Eir預測值的概率分布函數與5種重金屬濃度的概率分布函數類型相同（表1）中的概率分布模型，而多種金屬潛在生態危害指數RI的預測值服從Beta分布。

對于重金屬潛在生態危害的評價，經典的Hakanson指數評價了8種污染物[7]，本研究僅評價了5種重金屬的潛在生

態危害，由于評價的重金屬數量上的調整，評價指標Cif保持不變的情況下Cd需要做相應的調整。根據國內外學者風險評價指標體系的研究[16-18]，本研究采用的潛在生態危害指數評價分級標準如表2所示。表2Hakanson潛在生態危害指數評價分級標準

CfCd污染程度EirRI風險程度Cif<1Cd<8輕度污染Eir<40RI<150低潛在生態危害1≤Cif<38≤Cd<16中度污染40≤Eir<80150≤RI<300中等潛在生態危害3≤Cif<616≤Cd<32重度污染80≤Eir<160300≤RI<600較高潛在生態危害Cif≥6Cd≥32非常重污染160≤Eir<320-高潛在生態危害[4]Eir≥320RI≥600極高潛在生態危害

利用Crystal Ball軟件對Eir和RI的預測結果進行統計分析，得到Mn、Cu、Zn、Pb、Cd等5種重金屬的Eir平均值分別為0.79、6.47、1.29、4.85和206.2；由Crystal Ball軟件計算出不同概率條件下各重金屬Eir和多種金屬潛在生態危害指數RI（表3），通過與潛在生態危害指數評價分級標準進行比較，得到不同概率條件下的污染程度和潛在生態危害等級（表4）。在評價區域內，Mn、Cu、Zn、Pb的污染程度很低，100%處于低潛在生態危害程度以內。Cd的潛在生態危害等級較高，處于低潛在生態危害、中等潛在生態危害、較高潛在生態危害、高潛在生態危害、極高潛在生態危害的概率分別為6.33%、880%、2403%、42.74%、18.10%，因此，對于評價區域Cd的污染應該給予足夠重視。通過對評價區域多種金屬潛在生態危害指數RI分析得出，該區域農田土壤重金屬處于低潛在生態危害、中等潛在生態危害、較高潛在生態危害、極高潛在生態危害的概率分別為31.35%、43.92%、24.63%、0.10%，判斷評價區域處于中等潛在生態危害等級。

污染等級概率（%）MnCuZnPbCd RI低生態危害1001001001006.3331.35中等生態危害00008.8043.92較高生態危害000024.0324.63高生態危害000042.74-極高生態危害000018.100.10

2.2重金屬濃度的參數敏感性分析

敏感性分析就是令模型的每個參數在可能取值的變化范圍內變動，預測這些參數的變動對模型輸出值的影響程度，將影響程度的大小稱為參數的敏感性系數，實質就是研究參數變化所引起的模型響應[19-20]。通過考察Mn、Cu、Zn、Pb、Cd 5個參數在取值范圍內的變化對RI的影響程度，確定各參數的敏感性系數，通過對敏感性系數大小的分析，來判斷各參數對評價結果的影響程度，重點考慮敏感性系數較大的參數。利用Crystal Ball軟件對評價區域的Hakanson潛在生態危害評價的5種重金屬Ci進行參數敏感性分析（圖2）。 評價區域對RI起主導作用的是Cd，敏感性系數達99.1%，Mn、Cu、Zn、Pb對RI影響很小，這主要是由于評價區域Mn、Cu、Zn、Pb數值較低，在評價區域都處于低生態危害程度，多金屬潛在生態危害指數RI對于這4種重金屬濃度的敏感性非常低。

3結論

將Monte Carlo模擬技術應用于Hakanson潛在生態危害評估中，可以很好規避由于所評價區域重金屬含量的不確定性所造成的風險評估誤差，對需要考慮不確定性因素的評估有一定指導意義。

從評價結果可以看出，評價區域總體處于中等潛在生態危害等級。江漢平原后湖地區作為糧棉油的中高產區，Cd處于較高的風險等級，處于較高潛在生態危害及以上的風險概率達84.87%，對于該地區土壤中的Cd污染應該引起重視。

對評價區域Hakanson潛在生態危害指數的敏感性分析表明，評價區域對多種金屬潛在生態危害指數RI起主導作用的是Cd，敏感性系數達到了99.1%。

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