基于動態(tài)聚類模型的重金屬水環(huán)境健康指標(biāo)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(qiáng)的隱蔽性和不可降解性，對河流水環(huán)境狀況影響較大。重金屬一般通過工業(yè)排污、生活污水、雨水徑流的途徑進(jìn)入河流水體，在河流聚集到一定程度后，對河流水環(huán)境健康產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。為保護(hù)河流水環(huán)境健康，需要對河流重金屬污染可能造成的水環(huán)境影響進(jìn)行定量評價。當(dāng)前，國內(nèi)許多學(xué)者基于美國環(huán)?？偸鹧邪l(fā)的水環(huán)境健康風(fēng)險評價指標(biāo)對區(qū)域河流重金屬污染進(jìn)行風(fēng)險評價研究[1- 6]，但不同區(qū)域水體重金屬污染類型不同，需要進(jìn)行聚類劃分，識別區(qū)域河流主要重金屬污染源，從而有針對性的進(jìn)行河流重金屬污染治理。當(dāng)前污染因子識別較為成熟的方法為動態(tài)聚類模型，該模型可對識別因子進(jìn)行動態(tài)識別聚類分析，在許多影響因素識別領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[7- 10]，為此本文引入動態(tài)聚類模型和水環(huán)境健康指標(biāo)評價方法，對遼寧北部河流的重金屬水環(huán)境健康進(jìn)行指標(biāo)評價。

1 研究方法

1.1 動態(tài)聚類模型

動態(tài)聚類模型對每一個狀態(tài)變量進(jìn)行動態(tài)聚類識別，其各因子的動態(tài)聚類方程為：

(1)

(2)

式中，Skij—多個狀態(tài)要素對應(yīng)變量；Ski—單一狀態(tài)要素對象變量；i—狀態(tài)要素個數(shù)；k—變量的不同狀態(tài)；j—次影響狀態(tài)要素。動態(tài)聚類模型結(jié)合貝葉斯方程對聚類指標(biāo)進(jìn)行估算，估算方程為：

(3)

式中，akij—貝葉斯估算參數(shù)。動態(tài)聚類模型采用以下方程對該參數(shù)進(jìn)行估計，參數(shù)估計方程為：

(4)

式中，n—狀態(tài)要素總的數(shù)目；β—估算參數(shù)，一般設(shè)定為常數(shù)。

1.2 水環(huán)境健康指標(biāo)評價方法

水環(huán)境健康指標(biāo)評價方法為美國環(huán)?？偸鹧邪l(fā)，該風(fēng)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(huán)境健康風(fēng)險評價

2.1 區(qū)域水環(huán)境概況

本文以遼寧北部6條河流為研究區(qū)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(jìn)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(qū)域河流水環(huán)境影響較為嚴(yán)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(qū)域河流介于輕度～中度重金屬污染。

2.2 河流重金屬水環(huán)境健康指標(biāo)評價結(jié)果

結(jié)合區(qū)域2000～2009年及2010～2016年觀測的重金屬污染物濃度，結(jié)合動態(tài)聚類以及水環(huán)境健康風(fēng)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(huán)境健康風(fēng)險進(jìn)行評價，評價結(jié)果見表3、4。

表1 2000～2009年觀測試驗監(jiān)測濃度均值 單位：ug/L

表2 2010～2016年觀測試驗監(jiān)測濃度均值 單位：ug/L

表3 2000～2009年重金屬水環(huán)境健康風(fēng)險評價結(jié)果

表4 2010～2016年重金屬水環(huán)境健康風(fēng)險評價結(jié)果

從表3中可以看出，2000～2009年區(qū)域各河流Cu的水環(huán)境健康風(fēng)險水平在2.98×10-6～6.33×10-6之間，水環(huán)境健康風(fēng)險均值達(dá)到4.64×10-6，未超過水環(huán)境健康風(fēng)險最大值1.0×10-4，達(dá)到中度風(fēng)險。Zn在各個河流水環(huán)境健康風(fēng)險值處于2.48×10-7～5.47×10-7之間，水環(huán)境健康風(fēng)險均值達(dá)到4.08×10-7，達(dá)到輕度風(fēng)險水平。Hg在各河流水環(huán)境健康風(fēng)險值處于2.22×10-8～5.19×10-8之間，達(dá)到輕度風(fēng)險水平。Cd在各河流水環(huán)境健康風(fēng)險值在2.01×10-9～5.11×10-9之間，也為輕度的水環(huán)境健康風(fēng)險。從R總分析可以看出各河流水環(huán)境健康風(fēng)險均值為2.22×10-5，未超過水環(huán)境健康風(fēng)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(huán)境健康風(fēng)險值總體呈現(xiàn)增長的趨勢，其中Cu的水環(huán)境健康風(fēng)險均值有所增長，達(dá)到5.04×10-6，但仍然處于中度健康風(fēng)險水平。而Zn水環(huán)境健康風(fēng)險均值達(dá)到4.32×10-7，較2010年以前，有所增長。Hg的水環(huán)境健康風(fēng)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(huán)境健康風(fēng)險均值達(dá)到2.29×10-9，其相比于2010年，水環(huán)境健康風(fēng)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(fēng)險污染源，風(fēng)險值最高，各重金屬污染風(fēng)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(huán)境健康指標(biāo)計算結(jié)果

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

表5 2000～2009年不同水期河流重金屬水環(huán)境健康指標(biāo)計算結(jié)果

表6 2010～2016年不同水期河流重金屬水環(huán)境健康指標(biāo)計算結(jié)果

圖1 不同年份各水期河流健康指標(biāo)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(huán)境健康風(fēng)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(huán)境健康風(fēng)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(huán)境健康風(fēng)險值偏高。而從2010年以后，各河流在不同水期的水環(huán)境健康風(fēng)險值總體呈現(xiàn)增加趨勢，但2#和5#河流在豐水期水環(huán)境健康風(fēng)險值有所減小，這主要是因為這兩條河流在進(jìn)入2010年以后，豐水期受上游水庫生態(tài)調(diào)蓄作用影響，其水環(huán)境健康風(fēng)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(huán)境健康風(fēng)險總體呈現(xiàn)增加趨勢，但部分河流受上游水庫生態(tài)放水影響，使得其下游河流重金屬污染風(fēng)險有所減小。

3 結(jié)論

本文結(jié)合動態(tài)聚類模型及水環(huán)境健康風(fēng)險評價方法對遼寧北部6條河流的重金屬水環(huán)境健康風(fēng)險進(jìn)行評價分析，分析取得以下結(jié)論：

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

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

[1] 張清華, 韋永著, 曹建華, 等. 柳江流域飲用水源地重金屬污染與健康風(fēng)險評價[J]. 環(huán)境科學(xué), 2018(04): 1- 14.

[2] 耿雅妮. 河流重金屬污染研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2012, 28(11): 262- 265.

[3] 佟艷輝. 水庫遷建區(qū)土壤重金屬污染識別與評價[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2017(06): 84- 86+162.

[4] 吳攀, 劉叢強(qiáng), 張國平, 等. 黔西北煉鋅地區(qū)河流重金屬污染特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 2002(05): 443- 446.

[5] 米熱古麗·麥麥提. 地下水污染現(xiàn)狀調(diào)查及處理[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2013(11): 35- 37.

[6] 黃歲樑, 萬兆惠. 河流重金屬遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型研究綜述[J]. 泥沙研究, 1995(04): 42- 49.

[7] 康明, 王麗萍, 趙璧奎, 等. 基于投影尋蹤動態(tài)聚類法的水庫水質(zhì)評價模型[J]. 水力發(fā)電, 2013, 39(01): 16- 19.

[8] 王卓, 倪長健. 投影尋蹤動態(tài)聚類模型研究及其在洪災(zāi)評定中的應(yīng)用[J]. 四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008(05): 635- 638.

[9] 倪長健, 王順久, 崔鵬. 投影尋蹤動態(tài)聚類模型及其在地下水分類中的應(yīng)用[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2006(06): 29- 33.

[10] 倪長健, 崔鵬. 區(qū)域泥石流危險度評價的投影尋蹤動態(tài)聚類方法[J]. 山地學(xué)報, 2006(04): 442- 445.