基于動態聚類模型的重金屬水環境健康指標評價研究
——以遼寧北部河流為例

王亞杰

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

重金屬具有極強的隱蔽性和不可降解性，對河流水環境狀況影響較大。重金屬一般通過工業排污、生活污水、雨水徑流的途徑進入河流水體，在河流聚集到一定程度后，對河流水環境健康產生較為嚴重的影響。為保護河流水環境健康，需要對河流重金屬污染可能造成的水環境影響進行定量評價。當前，國內許多學者基于美國環保總署研發的水環境健康風險評價指標對區域河流重金屬污染進行風險評價研究[1- 6]，但不同區域水體重金屬污染類型不同，需要進行聚類劃分，識別區域河流主要重金屬污染源，從而有針對性的進行河流重金屬污染治理。當前污染因子識別較為成熟的方法為動態聚類模型，該模型可對識別因子進行動態識別聚類分析，在許多影響因素識別領域得到較為廣泛的應用[7- 10]，為此本文引入動態聚類模型和水環境健康指標評價方法，對遼寧北部河流的重金屬水環境健康進行指標評價。

1 研究方法

1.1 動態聚類模型

動態聚類模型對每一個狀態變量進行動態聚類識別，其各因子的動態聚類方程為：

(1)

(2)

式中，Skij—多個狀態要素對應變量；Ski—單一狀態要素對象變量；i—狀態要素個數；k—變量的不同狀態；j—次影響狀態要素。動態聚類模型結合貝葉斯方程對聚類指標進行估算，估算方程為：

(3)

式中，akij—貝葉斯估算參數。動態聚類模型采用以下方程對該參數進行估計，參數估計方程為：

(4)

式中，n—狀態要素總的數目；β—估算參數，一般設定為常數。

1.2 水環境健康指標評價方法

水環境健康指標評價方法為美國環?？偸鹧邪l，該風險評價方法主要針對河流重金屬對人體健康的危害程度，包括重金屬對基因毒性和非基因毒性的危害，兩項的計算方程為：

RC=∑Rci=∑[1-exp(-DiQi)]/70

(5)

Rn=∑Rni=∑(Di/RFDi)×10-6/70

(6)

Di=2.2ρi/70

(7)

式中，2.2—人均飲用水量，L/d；ρi—實測重金屬的濃度，mg/L。

2 河流重金屬水環境健康風險評價

2.1 區域水環境概況

本文以遼寧北部6條河流為研究區域，6條河流從2000年豐水期和枯水期均對河流中的重金屬濃度進行試驗觀測，2000～2009年及2010～2016年不同水期各河流重金屬試驗觀測濃度見表1、2。區域河流水環境影響較為嚴重的4種重金屬為：Cu、Zn、Hg、Cd，各重金屬的污染物濃度均值在0.11～1.24ug/L，區域河流介于輕度～中度重金屬污染。

2.2 河流重金屬水環境健康指標評價結果

結合區域2000～2009年及2010～2016年觀測的重金屬污染物濃度，結合動態聚類以及水環境健康風險評價方法對遼寧北部河流2000～2009年及2010～2016年的重金屬水環境健康風險進行評價，評價結果見表3、4。

表1 2000～2009年觀測試驗監測濃度均值 單位：ug/L

表2 2010～2016年觀測試驗監測濃度均值 單位：ug/L

表3 2000～2009年重金屬水環境健康風險評價結果

表4 2010～2016年重金屬水環境健康風險評價結果

從表3中可以看出，2000～2009年區域各河流Cu的水環境健康風險水平在2.98×10-6～6.33×10-6之間，水環境健康風險均值達到4.64×10-6，未超過水環境健康風險最大值1.0×10-4，達到中度風險。Zn在各個河流水環境健康風險值處于2.48×10-7～5.47×10-7之間，水環境健康風險均值達到4.08×10-7，達到輕度風險水平。Hg在各河流水環境健康風險值處于2.22×10-8～5.19×10-8之間，達到輕度風險水平。Cd在各河流水環境健康風險值在2.01×10-9～5.11×10-9之間，也為輕度的水環境健康風險。從R總分析可以看出各河流水環境健康風險均值為2.22×10-5，未超過水環境健康風險最大值1.0×10-4。

從表4中可以看出，在2000年以后，河流重金屬水環境健康風險值總體呈現增長的趨勢，其中Cu的水環境健康風險均值有所增長，達到5.04×10-6，但仍然處于中度健康風險水平。而Zn水環境健康風險均值達到4.32×10-7，較2010年以前，有所增長。Hg的水環境健康風險均值為3.94×10-8，也相比于2010年以前有所增長。Cd在2010年以后其在各河流的重金屬水環境健康風險均值達到2.29×10-9，其相比于2010年，水環境健康風險均值有所減少。從表3、4中還可看出，Cu為遼寧北部河流主要重金屬風險污染源，風險值最高，各重金屬污染風險值大小順序依次為：Cu、Zn、Hg、Cd。

2.3 不同水期河流重金屬水環境健康指標計算結果

在遼寧北部河流年尺度重金屬水環境健康風險評價基礎上，對不同水期(豐水期和枯水期)各河流水環境健康風險時間分布進行分析，分析結果見表5、6，不同年份各水期河流健康指標計算值如圖1所示。

表5 2000～2009年不同水期河流重金屬水環境健康指標計算結果

表6 2010～2016年不同水期河流重金屬水環境健康指標計算結果

圖1 不同年份各水期河流健康指標計算值

從表5、表6中可以看出，在2000～2009年，其豐水期重金屬水環境健康風險均值在0.96×10-5～2.54×10-5之間，均值為1.39×10-5，在枯水期金屬水環境健康風險均值在0.52×10-5～1.24，均值為0.82×10-5，豐水期重金屬水環境健康風險值偏高。而從2010年以后，各河流在不同水期的水環境健康風險值總體呈現增加趨勢，但2#和5#河流在豐水期水環境健康風險值有所減小，這主要是因為這兩條河流在進入2010年以后，豐水期受上游水庫生態調蓄作用影響，其水環境健康風險值有所減小。從圖1中可以看出，從2000以后，各河流在不同水期水環境健康風險總體呈現增加趨勢，但部分河流受上游水庫生態放水影響，使得其下游河流重金屬污染風險有所減小。

3 結論

本文結合動態聚類模型及水環境健康風險評價方法對遼寧北部6條河流的重金屬水環境健康風險進行評價分析，分析取得以下結論：

(1)自2000以后，受到工業化發展影響，遼寧北部河流在不同水期水環境健康風險總體呈現增加趨勢，但部分河流在豐水期受上游水庫生態放水影響，使得其下游河流重金屬污染風險有所減小，豐水期應加大水庫生態調蓄量，保障河流水環境健康。

(2)Cu為遼寧北部河流主要重金屬風險污染源，應加大對Cu污染排放源的控制，減少對河流水環境健康的影響，降低重金屬水污染風險。

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