王亚杰

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

重金属具有极强的隐蔽性和不可降解性，对河流水环境状况影响较大。重金属一般通过工业排污、生活污水、雨水径流的途径进入河流水体，在河流聚集到一定程度后，对河流水环境健康产生较为严重的影响。为保护河流水环境健康，需要对河流重金属污染可能造成的水环境影响进行定量评价。当前，国内许多学者基于美国环保总署研发的水环境健康风险评价指标对区域河流重金属污染进行风险评价研究[1- 6]，但不同区域水体重金属污染类型不同，需要进行聚类划分，识别区域河流主要重金属污染源，从而有针对性的进行河流重金属污染治理。当前污染因子识别较为成熟的方法为动态聚类模型，该模型可对识别因子进行动态识别聚类分析，在许多影响因素识别领域得到较为广泛的应用[7- 10]，为此本文引入动态聚类模型和水环境健康指标评价方法，对辽宁北部河流的重金属水环境健康进行指标评价。

1 研究方法

1.1 动态聚类模型

动态聚类模型对每一个状态变量进行动态聚类识别，其各因子的动态聚类方程为：

(1)

(2)

式中，Skij—多个状态要素对应变量；Ski—单一状态要素对象变量；i—状态要素个数；k—变量的不同状态；j—次影响状态要素。动态聚类模型结合贝叶斯方程对聚类指标进行估算，估算方程为：

(3)

式中，akij—贝叶斯估算参数。动态聚类模型采用以下方程对该参数进行估计，参数估计方程为：

(4)

式中，n—状态要素总的数目；β—估算参数，一般设定为常数。

1.2 水环境健康指标评价方法

水环境健康指标评价方法为美国环保总署研发，该风险评价方法主要针对河流重金属对人体健康的危害程度，包括重金属对基因毒性和非基因毒性的危害，两项的计算方程为：

RC=∑Rci=∑[1-exp(-DiQi)]/70

(5)

Rn=∑Rni=∑(Di/RFDi)×10-6/70

(6)

Di=2.2ρi/70

(7)

式中，2.2—人均饮用水量，L/d；ρi—实测重金属的浓度，mg/L。

2 河流重金属水环境健康风险评价

2.1 区域水环境概况

本文以辽宁北部6条河流为研究区域，6条河流从2000年丰水期和枯水期均对河流中的重金属浓度进行试验观测，2000～2009年及2010～2016年不同水期各河流重金属试验观测浓度见表1、2。区域河流水环境影响较为严重的4种重金属为：Cu、Zn、Hg、Cd，各重金属的污染物浓度均值在0.11～1.24ug/L，区域河流介于轻度～中度重金属污染。

2.2 河流重金属水环境健康指标评价结果

结合区域2000～2009年及2010～2016年观测的重金属污染物浓度，结合动态聚类以及水环境健康风险评价方法对辽宁北部河流2000～2009年及2010～2016年的重金属水环境健康风险进行评价，评价结果见表3、4。

表1 2000～2009年观测试验监测浓度均值 单位：ug/L

表2 2010～2016年观测试验监测浓度均值 单位：ug/L

表3 2000～2009年重金属水环境健康风险评价结果

表4 2010～2016年重金属水环境健康风险评价结果

从表3中可以看出，2000～2009年区域各河流Cu的水环境健康风险水平在2.98×10-6～6.33×10-6之间，水环境健康风险均值达到4.64×10-6，未超过水环境健康风险最大值1.0×10-4，达到中度风险。Zn在各个河流水环境健康风险值处于2.48×10-7～5.47×10-7之间，水环境健康风险均值达到4.08×10-7，达到轻度风险水平。Hg在各河流水环境健康风险值处于2.22×10-8～5.19×10-8之间，达到轻度风险水平。Cd在各河流水环境健康风险值在2.01×10-9～5.11×10-9之间，也为轻度的水环境健康风险。从R总分析可以看出各河流水环境健康风险均值为2.22×10-5，未超过水环境健康风险最大值1.0×10-4。

从表4中可以看出，在2000年以后，河流重金属水环境健康风险值总体呈现增长的趋势，其中Cu的水环境健康风险均值有所增长，达到5.04×10-6，但仍然处于中度健康风险水平。而Zn水环境健康风险均值达到4.32×10-7，较2010年以前，有所增长。Hg的水环境健康风险均值为3.94×10-8，也相比于2010年以前有所增长。Cd在2010年以后其在各河流的重金属水环境健康风险均值达到2.29×10-9，其相比于2010年，水环境健康风险均值有所减少。从表3、4中还可看出，Cu为辽宁北部河流主要重金属风险污染源，风险值最高，各重金属污染风险值大小顺序依次为：Cu、Zn、Hg、Cd。

2.3 不同水期河流重金属水环境健康指标计算结果

在辽宁北部河流年尺度重金属水环境健康风险评价基础上，对不同水期(丰水期和枯水期)各河流水环境健康风险时间分布进行分析，分析结果见表5、6，不同年份各水期河流健康指标计算值如图1所示。

表5 2000～2009年不同水期河流重金属水环境健康指标计算结果

表6 2010～2016年不同水期河流重金属水环境健康指标计算结果

图1 不同年份各水期河流健康指标计算值

从表5、表6中可以看出，在2000～2009年，其丰水期重金属水环境健康风险均值在0.96×10-5～2.54×10-5之间，均值为1.39×10-5，在枯水期金属水环境健康风险均值在0.52×10-5～1.24，均值为0.82×10-5，丰水期重金属水环境健康风险值偏高。而从2010年以后，各河流在不同水期的水环境健康风险值总体呈现增加趋势，但2#和5#河流在丰水期水环境健康风险值有所减小，这主要是因为这两条河流在进入2010年以后，丰水期受上游水库生态调蓄作用影响，其水环境健康风险值有所减小。从图1中可以看出，从2000以后，各河流在不同水期水环境健康风险总体呈现增加趋势，但部分河流受上游水库生态放水影响，使得其下游河流重金属污染风险有所减小。

3 结论

本文结合动态聚类模型及水环境健康风险评价方法对辽宁北部6条河流的重金属水环境健康风险进行评价分析，分析取得以下结论：

(1)自2000以后，受到工业化发展影响，辽宁北部河流在不同水期水环境健康风险总体呈现增加趋势，但部分河流在丰水期受上游水库生态放水影响，使得其下游河流重金属污染风险有所减小，丰水期应加大水库生态调蓄量，保障河流水环境健康。

(2)Cu为辽宁北部河流主要重金属风险污染源，应加大对Cu污染排放源的控制，减少对河流水环境健康的影响，降低重金属水污染风险。

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