基于Monte Carlo-Hakanson模型的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價研究

熊鴻斌，陳神劍

（合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥230009）

工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的興起造成大量污染物進入土壤，使得土壤性質(zhì)發(fā)生改變，土壤污染不斷加重。累積在土壤中的重金屬污染物難降解、易遷移，對生態(tài)環(huán)境存在較大危害，受到人們的日益關(guān)注[1]。

生態(tài)風(fēng)險評價是指對生態(tài)系統(tǒng)暴露于一種或多種脅迫因子時，不利效應(yīng)發(fā)生的可能性的評價[2]。歐美等國家對生態(tài)風(fēng)險評價研究較早，先后建立了自己的生態(tài)風(fēng)險評價體系[3]，我國水利部也于2009 年發(fā)布了《生態(tài)風(fēng)險評價導(dǎo)則》。當(dāng)前對重金屬生態(tài)風(fēng)險進行評價的方法主要有內(nèi)梅羅指數(shù)法、復(fù)合指數(shù)法和Hakanson 生 態(tài) 危 害 指 數(shù) 法 等[4-5]。Niu 等[6]將3 種 復(fù) 合指數(shù)應(yīng)用于貴州某茶葉產(chǎn)區(qū)土壤重金屬的污染風(fēng)險評估中，并分析比較了3 種指數(shù)的評價結(jié)果。Zhao等[7]應(yīng)用富集指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法評價了廣東貴嶼鎮(zhèn)電子垃圾堆放引起的土壤重金屬污染問題，結(jié)果表明其場地污染嚴重，且Hg、Ni為其場地主要重金屬污染源。Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法在評價重金屬的生態(tài)風(fēng)險時，既考慮到了重金屬含量，又考慮到了重金屬的毒理性，因此其應(yīng)用最為廣泛。王雄[8]利用Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法評價某鋁礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險，研究表明Hakanson 指數(shù)法可以有效地突出比較嚴重的污染物。

Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法由于具備特殊的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，但生物毒性響應(yīng)系數(shù)選取的主觀性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的隨機性使評價結(jié)果具有較大的不確定性，嚴重制約了后續(xù)決策的科學(xué)性[9]。Monte Carlo模擬建立在數(shù)理統(tǒng)計、概率論等知識的基礎(chǔ)上，通過對假設(shè)變量在已知的分布內(nèi)進行隨機抽樣，由計算機模擬運行得到可靠的系統(tǒng)預(yù)測值來表征和評估風(fēng)險[10]。Monte Carlo 模擬在解決不確定性問題上被證明具備很強的實用性。Jia 等[11]將Monte Carlo 模擬應(yīng)用于揮發(fā)性有機物暴露的風(fēng)險評估中，旨在有效解決風(fēng)險評估中的不確定性問題。目前國內(nèi)外很少有人將Monte Carlo 模擬用于重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價。鑒于此，本文將Monte Carlo 模擬引入Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法，構(gòu)建Monte Carlo-Hakanson 模型，用于評估土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險，有效降低土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險評價的不確定性，并以某典型的搬遷鉛蓄電池場地作為研究對象進行生態(tài)風(fēng)險評估，確定場地風(fēng)險等級并分析重金屬污染特征，以期為解決類似場地土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評估結(jié)果的不確定性提供一個新的思路和方法。鉛蓄電池企業(yè)作為傳統(tǒng)的高污染類企業(yè)，其搬遷后遺留的場地是重要的重金屬暴露源，需要嚴格管控[12]。因此對該類場地進行生態(tài)風(fēng)險評價，了解場地的污染狀況，為土壤的修復(fù)治理等后續(xù)行為提供科學(xué)指導(dǎo)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗區(qū)占地面積20 000 m2，廠區(qū)主營鉛蓄電池和開關(guān)面板，基本生產(chǎn)工藝流程包括制粉、和膏、配合金、板柵鑄造、固化干燥、極耳打磨、極群配重焊接、電池裝配、端子焊接、氣密性檢查、注酸化成等環(huán)節(jié)。其中制粉、板柵制造、固化干燥、注酸化成、裝配等過程都會有鉛煙、鉛塵的產(chǎn)生，從而給場地土壤帶來污染。

1.2 試驗方法

2018年3月研究小組在試驗區(qū)根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004），采用網(wǎng)格布點法（20 m×20 m），大致均勻地設(shè)置45 個采樣點，采集網(wǎng)格中心土樣（采樣深度0～20 cm）作為本次研究所使用的土樣，每個采樣點取樣300 g 左右，裝入密封袋中，在實驗室風(fēng)干、研磨，剔除雜物，過100 目尼龍篩后保存于密封袋中備用。

采用HCl-HF-HNO3-HClO4作為土壤樣品的消解試劑，用微波消解儀對土壤樣品進行消解，消解結(jié)束后，土壤中5 種重金屬Cr、As、Pb、Cu、Zn 的含量均使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，每個樣品的5 種重金屬含量均測3 次，取其平均值作為研究數(shù)據(jù)。測定過程中，每種重金屬都采用相應(yīng)的國家標準物質(zhì)進行質(zhì)量控制。

1.3 基于Monte Carlo-Hakanson 模型的重金屬生態(tài)風(fēng)險評價方法

1.3.1 Monte Carlo模擬原理

Monte Carlo 模擬是根據(jù)所求隨機問題的變化規(guī)律，或者構(gòu)造合適的概率分布模型并根據(jù)構(gòu)造的模型對某一隨機變量進行大量隨機試驗，使模型中的某些參數(shù)正是所求問題的答案[13]。由于計算簡單、操作方便，該模型在一些空間變異性較大且相關(guān)參數(shù)不易獲得的工程中被廣泛應(yīng)用[14]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，大量的重復(fù)隨機試驗變成了可能，通過計算機技術(shù)，利用Crystal Ball 軟件進行多次Monte Carlo 模擬試驗得到統(tǒng)計結(jié)果，并對統(tǒng)計結(jié)果進行研究分析，從而解決所研究的問題。Monte Carlo模擬步驟包括：①確定評價模型隨機變量；②構(gòu)建隨機變量的分布模型；③設(shè)置模擬參數(shù)，運行模型；④對模擬結(jié)果進行分析[15-16]。

1.3.2 Hakanson生態(tài)危害指數(shù)法

Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson 在以沉積學(xué)的方法研究重金屬對環(huán)境污染效應(yīng)的過程中提出的一種生態(tài)風(fēng)險評價方法，該方法在考慮環(huán)境中重金屬含量的同時，將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)以及重金屬本身的毒理性緊密結(jié)合起來[17]。計算公式為：

式中:為重金屬i的單項污染指數(shù)；Ci為重金屬含量實測值，mg·kg-1；為重金屬含量參比值，mg·kg-1為重金屬i的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)；為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)；RI為生態(tài)危害指數(shù)。

民辦高校仍有相當(dāng)部分科研水平薄弱，缺乏企業(yè)工作經(jīng)歷，沒有負責(zé)或參與過產(chǎn)品的研發(fā)和改進，因而對于大部分尤其是一畢業(yè)就進入高校工作的青年教師來說，在雙創(chuàng)教育方面沒有足夠多的實踐歷練和心得體會，導(dǎo)致難以勝任雙創(chuàng)教育工作。

對于生態(tài)風(fēng)險評估標準的選取，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，本文參考國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)風(fēng)險評估標準的研究[18-20]，采用的風(fēng)險評估標準如表1所示。

表1 生態(tài)危害指數(shù)分級標準Table 1 Grading standard of ecological hazard index

1.3.3 Monte Carlo-Hakanson模型構(gòu)建方法

對公式（1）進行編輯，以RI為目標變量，設(shè)置5個隨機變量，分別為5 種重金屬的含量；從隨機變量的概率分布中進行抽樣（置信度95%，抽樣方式為Monte Carlo 抽樣，抽樣次數(shù)為50 000 次），將每次抽樣得到的隨機變量結(jié)果依次代入公式（1）～公式（3），得到的50 000 組RI模擬結(jié)果，代表了不確定性條件下的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)所可能的結(jié)果；在此基礎(chǔ)上，為表征各重金屬生態(tài)風(fēng)險系數(shù)對生態(tài)風(fēng)險的影響，利用Crystal Ball 中的敏感度分析功能計算各重金屬生態(tài)風(fēng)險系數(shù)對生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的敏感度。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel軟件對測定的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用Crystal Ball 軟件對數(shù)據(jù)進行Monte Carlo 模擬和分析。其中Crystal Ball 是搭載在Excel上運行的軟件，運用Monte Carlo 模擬預(yù)測某個特定情況下的所有可能結(jié)果，通過圖表對數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)并顯示每個結(jié)果的概率。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量

運用Excel軟件對實際測試的重金屬含量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到頻數(shù)分布情況，并通過Crystal Ball 軟件中的函數(shù)擬合模塊得到重金屬含量的分布模型，具體見表2。

由表2 看出，研究區(qū)土壤5 種重金屬含量平均值均超過安徽省土壤重金屬背景值[21]，超標程度Pb＞Cu＞As＞Cr＞Zn；As 含量均高于安徽省土壤重金屬背景值，Cr、Pb、Cu、Zn 4 種重金屬含量有低于背景值的點位；5 種元素的變異系數(shù)比較大，表明試驗區(qū)土壤重金屬含量空間差異性顯著，即均勻程度較低。Cr、As、Pb、Cu、Zn 的分布函數(shù)分別為Beta 分布、Beta 分布、最大極值分布、邏輯分布、最大極值分布，沒有明顯地呈現(xiàn)出正態(tài)分布的形式。

2.2 不確定性生態(tài)風(fēng)險評估

參比值和毒性響應(yīng)系數(shù)都是不確定性變量，但由于缺乏相應(yīng)的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，給這兩個隨機變量分布函數(shù)的確定帶來了困難。國內(nèi)外對此多有研究，如Hakanson 制定的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)的標準化參數(shù)就被廣泛應(yīng)用。周開勝等[22]在用Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法評價蚌埠市重金屬的生態(tài)風(fēng)險時，采用了Hakanson 標準化參數(shù)，并使用土壤背景值作為參比值。綜合考慮，本研究參比值選取安徽省土壤重金屬背景值，Cr、As、Pb、Cu、Zn 的毒性響應(yīng)系數(shù)采用Hakanson標準化參數(shù)，分別為2、10、5、5、1。

表2 土壤重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of soil heavy metal mass fraction

表3 土壤重金屬處于不同污染程度等級的概率（%）Table 3 Different probability distribution of heavy metal contamination degree（%）

由式（2）計算各重金屬的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)，將毒性響應(yīng)系數(shù)按照確定值處理，由Crystal Ball 軟件對重金屬含量進行Monte Carlo 抽樣，將抽樣產(chǎn)生的可靠預(yù)測值代入式（2），由模擬結(jié)果得到的統(tǒng)計值視圖可知，Cr、As、Pb、Cu、Zn 5 種重金屬的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)平均值分別為4.39、45.42、169.03、25.61、1.93。利用平均值并結(jié)合表1 的風(fēng)險等級分級標準得到以上5種重金屬的生態(tài)風(fēng)險等級分別為低、中、高、低、低。由Crystal Ball 軟件計算分析得到各重金屬在不同生態(tài)風(fēng)險等級下的概率分布以及不同概率條件下重金屬的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)，具體見表4和表5。

表4 各重金屬生態(tài)風(fēng)險系數(shù)處于不同風(fēng)險等級的概率（%）Table 4 The probability distribution of ecological risk index factor at different risk levels for each metals（%）

表5 各重金屬在不同概率條件下的生態(tài)風(fēng)險系數(shù)分布Table 5 Distribution of ecological risk factor underdifferent probabilities

由表4 可知各重金屬隸屬于各風(fēng)險等級的可信度，其中Cr、As、Zn 3 種重金屬生態(tài)風(fēng)險等級集中隸屬于輕微風(fēng)險等級，說明這3 種重金屬對廠區(qū)土壤產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險很小，且空間分布相對集中；Cu 的風(fēng)險等級隸屬于輕微和中等兩個等級，且隸屬輕微風(fēng)險等級的概率達到了78.07%，說明Cu 為輕微污染，且存在一定的空間分布特征；Pb的風(fēng)險等級跨越了5個等級，存在明顯的空間分布特征，并且隸屬高風(fēng)險和極高風(fēng)險兩個風(fēng)險等級的概率分別為35.29% 和47.67%，故很難判定Pb隸屬哪個風(fēng)險等級，但也說明Pb 風(fēng)險等級處于高風(fēng)險等級以上。該結(jié)果與用平均值分析風(fēng)險等級的情況基本一致。

由模擬結(jié)果得到生態(tài)危害指數(shù)RI呈對數(shù)正態(tài)分布（圖2），其預(yù)測平均值為239.3，參照表1 中的分級標準得到RI在低、中、較高、高生態(tài)風(fēng)險等級的概率分別為7.56%、28.97%、49.44%、14.03%，較高風(fēng)險的概率占優(yōu)勢，根據(jù)最大隸屬度原則可以判定為場地土壤處于較高生態(tài)風(fēng)險，并且有向高生態(tài)風(fēng)險過渡的趨勢，應(yīng)該引起有關(guān)部門的關(guān)注。

2.3 污染特征分析

圖2 生態(tài)危害指數(shù)分布Figure 2 Distribution of ecological hazard index

圖3 重金屬生態(tài)危害指數(shù)敏感性分析Figure 3 Sensitivity analysis of heavy metal ecological hazard index

生態(tài)危害指數(shù)是反映重金屬生態(tài)風(fēng)險的指標，但每種重金屬對生態(tài)危害指數(shù)的貢獻值不一樣，利用Crystal Ball 軟件中的敏感性分析模塊對生態(tài)危害指數(shù)進行分析，直觀地反映了不同重金屬對污染情況的貢獻，得到敏感性分析圖如圖3。由圖3 可知，Pb 對于生態(tài)危害指數(shù)的方差貢獻值占絕對優(yōu)勢，這反映出Pb 是該場地重金屬污染的主要因子。Pb 是主要污染因子與該場區(qū)的性質(zhì)密不可分，該場地為搬遷鉛蓄電池廠，電池加工生產(chǎn)的鉛煙、鉛塵造成了場地Pb 污染，場地的后續(xù)修復(fù)治理要特別關(guān)注Pb 的污染問題。

3 討論

目前Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法是以確定性模型定量刻畫風(fēng)險水平，對風(fēng)險評價系統(tǒng)具有的不確定性重視不夠，對不確定性未能做出有效表征。本文將Monte Carlo 模擬引入Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法中，并利用構(gòu)建的Monte Carlo-Hakanson 模型對實測的離散數(shù)據(jù)進行模擬仿真，使得離散數(shù)據(jù)向連續(xù)數(shù)據(jù)空間擴展，充分地挖掘了數(shù)據(jù)背后的內(nèi)涵信息，由此使得后續(xù)基于風(fēng)險評估基礎(chǔ)上的決策行為更加科學(xué)化。研究所構(gòu)建的模型基礎(chǔ)還是Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法，其存在的固有缺陷無法完全克服，重金屬的毒性效應(yīng)沒有考慮重金屬之間的拮抗作用和協(xié)同作用，而僅是將各種重金屬的毒性效應(yīng)進行簡單加合，這也是以后需要研究的重點。

鉛蓄電池行業(yè)作為傳統(tǒng)的高污染行業(yè)，在我國數(shù)量眾多，由其引發(fā)的環(huán)境污染事件屢有發(fā)生。本研究區(qū)選擇的是某典型的搬遷鉛蓄電池場地，該類場地涉及Pb、Cr、As 等有毒有害重金屬污染問題，如若對該類場地的重視不夠，很可能引發(fā)巨大的生態(tài)風(fēng)險，因此對于該類場地的重金屬生態(tài)風(fēng)險評估也顯得尤為重要。本研究構(gòu)建的Monte Carlo-Hakanson 模型，為該類場地的風(fēng)險評估，探明風(fēng)險等級以及污染的不確定性提供了良好的思路。

4 結(jié)論

（1）將Monte Carlo 模擬引入到Hakanson 生態(tài)危害指數(shù)法中，構(gòu)建了Monte Carlo-Hakanson 模型，運用計算機對重金屬含量在已知的分布內(nèi)進行隨機抽樣，產(chǎn)生大量的重金屬含量可靠預(yù)測值，代入Hakanson 指數(shù)重復(fù)計算得到大量函數(shù)值，并根據(jù)這些函數(shù)值繪制分布圖，結(jié)合生態(tài)風(fēng)險評級標準確定生態(tài)風(fēng)險等級及各生態(tài)風(fēng)險等級可能出現(xiàn)的概率，以此來降低生態(tài)風(fēng)險評估系統(tǒng)中的不確定性，整個操作程序簡單、可行性強。

（2）將構(gòu)建的模型用于某搬遷鉛蓄電池場地土壤的重金屬生態(tài)風(fēng)險評估中，模型不僅提供了研究區(qū)土壤重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險等級，還提供了處于各風(fēng)險等級相應(yīng)的概率，這有效降低了生態(tài)風(fēng)險評估中的不確定性，因此使風(fēng)險決策更具科學(xué)性和合理性。

（3）研究場地屬較高生態(tài)風(fēng)險等級且相應(yīng)概率為49.44%，而高生態(tài)風(fēng)險等級的概率也達到了14.03%，因此該場地的重金屬污染應(yīng)給予重視。重金屬Pb是場地土壤的主要污染因子，對生態(tài)危害指數(shù)的敏感度達到了99.7%，應(yīng)該重點關(guān)注該鉛蓄電池場地土壤Pb污染的問題。