河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201410074703.9	申请日：	2014.03.03
公开号：	CN103793620A	公开日：	2014.05.14
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	专利权的转移IPC(主分类):G06F 19/00登记生效日:20161221变更事项:专利权人变更前权利人:黑龙江省环境科学研究院变更后权利人:黑龙江省环境科学研究院变更事项:地址变更前权利人:150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路356号变更后权利人:150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路356号变更事项:专利权人变更前权利人:肇庆学院变更后权利人:肇庆学院东北农业大学\|\|\|著录事项变更IPC(主分类):G06F 19/00变更事项:发明人变更前:周军张宝杰马彪倪艳芳张力变更后:周军张宝杰高凤杰马彪倪艳芳张力\|\|\|授权\|\|\|专利申请权的转移IPC(主分类):G06F 19/00登记生效日:20160620变更事项:申请人变更前权利人:黑龙江省环境科学研究院变更后权利人:黑龙江省环境科学研究院变更事项:地址变更前权利人:150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路356号变更后权利人:150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路356号变更事项:申请人变更后权利人:肇庆学院\|\|\|著录事项变更IPC(主分类):G06F 19/00变更事项:申请人变更前:黑龙江省环境保护科学研究院变更后:黑龙江省环境科学研究院变更事项:地址变更前:150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路356号变更后:150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路356号\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G06F 19/00申请日:20140303\|\|\|公开
IPC分类号：	G06F19/00(2011.01)I	主分类号：	G06F19/00
申请人：	黑龙江省环境保护科学研究院
发明人：	周军; 张宝杰; 马彪; 倪艳芳; 张力
地址：	150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路356号
优先权：
专利代理机构：	哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109	代理人：	杨立超
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内容摘要

河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法，涉及生态风险评估技术领域。为了解决现有技术中对重金属污染对河流生态系统造成的危害大多关注单一介质中重金属的风险评价，考虑因素单一，无法有效地为河流重金属污染防治提供技术支持。选取重金属毒性系数、污染指数和检出率3个指标分别计算水相、生物相和固相生态风险指数，构建了河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型。本方法应用于松花江5种有毒重金属污染综合效应评价，结果表明5种有毒重金属在单一介质中生态风险指数均表现为水相>生物相>固相，三相空间综合生态风险指数由高到低排序为Cd>Hg>As>Pb>Cr，结论与其他学者关于松花江的相关研究结果吻合。应用于河流的重金属污染防治。

权利要求书

权利要求书
1.  一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法，其特征在于，所述方法的具体实现过程为：
步骤一、河流三相空间重金属污染评价模型构建：
步骤一（一）、评价指标体系构建：
选取重金属的毒性系数、污染指数、检出率3个指标构建河流重金属污染综合生态风险评价模型；
重金属毒性系数用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度，
重金属污染指数表征单一重金属的富集和污染程度，由公式1表示：
Cfi=Ci/Cni]]>    公式1
式中：Ci为单一重金属实测值，单位为mg/kg；Cni为单一重金属环境背景参比值，单位为mg/kg；
重金属检出率Fsii表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式2表示：
Fsi=Si/Sti]]>    公式2
式中：Si为单一重金属检出断面个数，为单一重金属监测断面总数；
步骤一（二）、河流三相空间重金属污染综合生态风险指数的确定：
根据步骤一（一）确定的评价指标，构建了重金属在水相、生物相和固相中的生态风险指数，分别用W、F和S表示，如公式3；基于不同相中重金属对人体可能造成伤害的几率和危害程度不同，分配给三相空间重金属污染生态风险指数不同的权重，最终得到每种重金属的综合生态风险指数R，如公式4：
W(ForS)=Tri×Cfi×Fsi]]>    公式3
R=ζW+ηF+θS    公式4
式中，ζ、η和θ分别为河流水相、生物相和固相三相空间重金属权重值；
步骤一（三）河流三相空间重金属权重ζ、η和θ的确定方法如下：
（1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数x、y和z；
x、y、z是采用层次分析法确定的，是计算ζ、η和θ的一个过程参数；
（2）根据地表水环境质量功能区划分，按水质类别Ⅰ-Ⅴ类，采用层次分析法依次判定其权重系数α、β、γ、δ和ε；
（3）三相空间中重金属污染权重系数x、y和z分别与不同水质类别下重金属权重系数α、β、γ、δ和ε相乘，分别得到三相空间每一水质类别下各相中重金属权重系数αi、βi、γi、δi和εi；
由于是三相空间，i的取值范围是1～3，分别代表三相空间，i=1代表水相，i=2代表生物相，i=3代表固相；i与x、y和z是对应的；
（4）确定河流研究区间不同水质类别个数A、B、C、D和E；
（5）计算出河流三相空间中不同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值a、b和c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值ζ、η和θ，如公式5；
a=α1A+β1B+γ1C+δ1D+ϵ1EA+B+C+D+E]]>
b=α2A+β2B+γ2C+δ2D+ϵ2EA+B+C+D+E]]>
c=α3A+β3B+γ3C+δ3D+ϵ3EA+B+C+D+E]]>
ξ=aa+b+c;η=ba+b+c;θ=ca+b+c]]>    公式5
求得ζ、η和θ，从而得到河流三相空间中重金属权重分配；
步骤二、R=ζW+ηF+θS作为河流三相空间重金属污染评价模型，根据上述模型求得待评价河流中每种重金属的综合生态风险指数R，根据R值评价河流重金属污染程度。

2.  根据权利要求1所述的一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法，其特征在于，在步骤一（三）的指标权重的确定过程中，河流三相空间中重金属权重分配方式见下表：
河流三相空间中重金属权重分配

说明书

说明书河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法
技术领域
本发明涉及一种河流重金属污染综合生态风险评价方法，涉及生态风险评估技术领域。
背景技术
随着工业生产规模的不断扩大和城市化的快速发展，大量进入环境中的重金属对生物个体、种群产生影响，进而对生态系统产生不良的生态效应。如果重金属超过人体所能耐受的限度，就会造成人体急性或慢性中毒，导致致癌、致畸及致突变现象，对人体造成很大危害（Wang & Zhang,2012）。重金属污染现已成为水环境污染评价的重要内容（Liu et al.,2006），一直备受国内外学者的高度关注，但当前针对重金属污染对河流生态系统造成的危害大多关注单一介质中重金属的风险评价，如沉积物（Burton,2010；Wu et at.,2013；Azmat et al.,2014）、鱼体（Tuzen M,2009；Liu et al.,2013）或水体（Tao et al.,2013；Wang et al.,2010）等，而有关重金属在河流三相空间综合污染效应的研究尚未见报道。
发明内容
本发明为了解决现有技术中关于重金属污染对河流生态系统造成的危害大多关注单一介质中（例如只关注水相、生物相或固相）重金属的风险评价，考虑因素单一，评价结果不够全面，无法有效地为河流重金属污染防治提供技术支持，进而提出一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法，所述方法的具体实现过程为：
步骤一、河流三相空间重金属污染评价模型构建：
步骤一（一）、评价指标体系构建：
选取重金属的毒性系数、污染指数、检出率3个指标构建河流重金属污染综合生态风险评价模型；
重金属毒性系数Tri用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度，
重金属污染指数Cfi表征单一重金属的富集和污染程度，由公式1表示：
Cfi=Ci/Cni]]>    公式1
式中：Ci为单一重金属实测值，单位为mg/kg；Cni为单一重金属环境背景参比值，单位为mg/kg；
重金属检出率Fsii表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式2表示：
Fsi=Si/Sti]]>    公式2
式中：Si为单一重金属检出断面个数，Sti为单一重金属监测断面总数；
步骤一（二）、河流三相空间重金属污染综合生态风险指数的确定：
根据步骤一（一）确定的评价指标，构建了重金属在水相、生物相和固相中的生态风险指数，分别用W、F和S表示，如公式3；基于不同相中重金属对人体可能造成伤害的几率和危害程度不同，分配给三相空间重金属污染生态风险指数不同的权重，最终得到每种重金属的综合生态风险指数R，如公式4：
W(ForS)=Tri×Cfi×Fsi]]>    公式3
R=ζW+ηF+θS    公式4
式中，ζ、η和θ分别为河流水相、生物相和固相三相空间重金属权重值；
步骤一（三）河流三相空间重金属权重ζ、η和θ的确定方法如下：
（1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数x、y和z；
x、y、z是采用层次分析法确定的，是计算ζ、η和θ的一个过程参数；
（2）根据地表水环境质量功能区划分，按水质类别Ⅰ-Ⅴ类，采用层次分析法依次判定其权重系数α、β、γ、δ和ε；
（3）三相空间中重金属污染权重系数x、y和z分别与不同水质类别下重金属权重系数α、β、γ、δ和ε相乘，分别得到三相空间每一水质类别下各相中重金属权重系数αi、βi、γi、δi和εi；
由于是三相空间，i的取值范围是1～3，分别代表三相空间，i=1代表水相，i=2代表生物相，i=3代表固相；i与x、y和z是对应的；
（4）确定河流研究区间不同水质类别个数A、B、C、D和E；
（5）计算出河流三相空间中不同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值a、b和c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值ζ、η和θ，如公式5；
a=α1A+β1B+γ1C+δ1D+ϵ1EA+B+C+D+E]]>
b=α2A+β2B+γ2C+δ2D+ϵ2EA+B+C+D+E]]>
c=α3A+β3B+γ3C+δ3D+ϵ3EA+B+C+D+E]]>
ξ=aa+b+c;η=ba+b+c;θ=ca+b+c]]>    公式5
求得ζ、η和θ，从而得到河流三相空间中重金属权重分配；
步骤二、R=ζW+ηF+θS作为河流三相空间重金属污染评价模型，根据上述模型求得待评价河流中每种重金属的综合生态风险指数R，根据R值评价河流重金属污染程度。
在步骤一（三）的指标权重的确定过程中，河流三相空间中重金属权重分配方式见下表：
河流三相空间中重金属权重分配

本发明的有益效果是：
本发明依据应用广泛的重金属污染评价模型（Müller,1969；Hakanson,1980；Hilton et al.,1985）和环境优控污染物筛选方法（Pei et al.,2013；ATSDR,2013；EC,2013）的科学建模思想，选取相关参数构建河流水相、生物相和固相立体空间重金属污染综合生态风险评价模型，以期为河流重金属污染防治提供技术支持。
当前，有关重金属在河流水相、生物相和固相三相空间的综合污染效应研究尚未见报道。本发明在参考国内外河流单一介质中重金属污染生态风险评价模型基础上，借鉴环境优控污染物筛选方法，选取重金属毒性系数、污染指数和检出率3个指标分别计算水相、生物相和固相生态风险指数，经加权求和，构建了河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型。本发明构建的模型应用于松花江5种有毒重金属污染综合效应评价，结果表明5种有毒重金属在单一介质中生态风险指数均表现为水相>生物相>固相，三相空间综合生态风险指数由高到低排序为Cd>Hg>As>Pb>Cr，利用本发明方法得出的结论与其他学者关于松花江的相关研究结果吻合。本发明方法为河流三相空间重金属污染综合效应评价进行了一次创新尝试。
附图说明
图1是重金属在河流生态系统中的迁移转化过程模拟图，图2是利用本发明方法的采样断面分布图，图3是利用本发明方法评价的松花江三相空间重金属生态风险指数柱状图。
具体实施方式
结合图1至图3，本实施方式对本发明方法进行详尽描述：
1、河流三相空间重金属迁移转化
重金属释放至环境中后易于通过食物链传递和累积（Li et al.,2007；Lü et al.,2008），因而进入水体中的重金属可最终通过鱼类等水产品的消费进入人体（Jia,2005），在对鱼类产生毒性作用（Zhang et al.,2006）的同时，也对人类健康构成严重威胁。此外，水体中的重金属易与有机高分子生成配合物或螯合物，吸附在黏土矿物等表面，进入沉积物中并积累，吸附重金属的沉积物通过一系列物理、化学和生物过程，又会重新释放出重金属，造成水环境的二次污染（Zheng et al.,2011）。河流生态系统中重金属的迁移转化过程模拟见图1。
2、河流三相空间重金属污染评价模型构建
2.1指标体系构建
当前，国内外评价重金属污染效应的主要模型见表1。
表1 国内外主要重金属污染效应评价模型

由表1可以看出：河流中重金属的污染效应主要与重金属的生理毒性、浓度、污染范围、暴露等因素有关。因此，借鉴以上模型的建模思想，本文选取重金属的毒性系数、污染指数、检出率3个指标构建河流重金属污染综合生态风险评价模型。
2.1.1重金属毒性系数（Tri）
重金属的毒性系数Tri用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度，常见重金属的毒性系数见表2。
表2 重金属毒性系数

2.1.2重金属污染指数（Cfi）
重金属污染指数Cfi表征单一重金属的富集和污染程度，由公式1表示：
Cfi=Ci/Cni]]>    公式1
式中：Ci为单一重金属实测值（mg/kg）；Cni为单一重金属环境背景参比值（mg/kg）。
2.1.3重金属检出率（Fsi）
重金属检出率Fsi表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式2表示：
Fsi=Si/Sti]]>    公式2
式中：Si为单一重金属检出断面个数，Sti为单一重金属监测断面总数。
2.2河流三相空间重金属污染综合生态风险指数
根据前文确定的评价指标，本文构建了重金属在水相、生物相和固相中的生态风险指数（分别用W、F和S表示，公式3）；不同相中重金属对人体可能造成伤害的几率和危害程度不同，需要分配给三相空间重金属污染生态风险指数不同的权重（ζ、η、θ），最终得到每种重金属的综合生态风险指数R（公式4）。
W(ForS)=Tri×Cfi×Fsi]]>    公式3
R=ζW+ηF+θS    公式4
式中，ζ、η和θ分别为河流水相、生物相和固相三相空间重金属权重值；
2.3指标权重
2.3.1赋权方法：河流三相空间重金属权重ζ、η和θ的确定方法如下：
（1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数x、y和z；x、y、z是采用层次分析法确定的，它们是计算ζ、η和θ的一个过程参数；
（2）根据地表水环境质量功能区划分，按水质类别Ⅰ-Ⅴ类，采用层次分析法依次判定其权重系数α、β、γ、δ和ε；
（3）三相空间中重金属污染权重系数x、y和z分别与不同水质类别下重金属权重系数α、β、γ、δ和ε相乘，分别得到三相空间每一水质类别下各相中重金属权重系数αi、βi、γi、δi和εi；
由于只是三相空间，故i的取值范围是1～3，分别代表三相空间，按表格所列顺序，i=1代表水相，i=2代表生物相，以此类推；i与x、y和z是对应的，可见表3，就是每一相空间重金属权重系数分别单独计算，得到a、b、c，再经归一化处理，最终得出每相空间重金属的权重值；
（4）确定河流研究区间不同水质类别个数A、B、C、D和E；
（5）计算出河流三相空间中不同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值a、b和c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值ζ、η和θ（公式5）；
河流三相空间中重金属权重分配见表3；
a=α1A+β1B+γ1C+δ1D+ϵ1EA+B+C+D+E]]>
b=α2A+β2B+γ2C+δ2D+ϵ2EA+B+C+D+E]]>
c=α3A+β3B+γ3C+δ3D+ϵ3EA+B+C+D+E]]>
ξ=aa+b+c;η=ba+b+c;θ=ca+b+c]]>    公式5
表3给出三相空间的权重系数、不同水质类别的权重系数，最终计算出来的值作为每相空间的权重值；为了区别开，将ζ、η和θ叫做权重值，其它的称为权重系数；
表3 河流三相空间中重金属权重分配

2.3.2权重系数的确定过程为：
为了计算出最终的权重值ζ、η和θ，先要确定很多的权重系数，包括立体空间和不同水质类别（各项权重系数包括α、β、γ、δ、ε以及x、y、z）；
采用层次分析法确定各项权重系数，在构造判断矩阵过程（判断矩阵是层次分析法的一个计算过程，为现有技术范畴）中，参考了《地表水环境质量标准》GB3838-2002中不同水质类别间同一重金属浓度标准的对比关系，并请6位专家分别以水相、生物相和固相以及Ⅰ-Ⅴ类水质类别构造判断矩阵，取其均值作为最终判断矩阵，进而得到各项权重系数（各项权重系数包括α、β、γ、δ、ε以及x、y、z，只有确定出它们，才能最终求得ζ、η和θ），见表4：
表4 各项权重系数

R=ζW+ηF+θS作为河流三相空间重金属污染评价模型，根据上述模型求得待评价河流中每种重金属的综合生态风险指数R，根据R值评价河流重金属污染程度。
3模型应用与验证
3.1模型应用
3.1.1研究区选取及数据采集
本文选取松花江进行模型应用研究。松花江是中国第三大江河，其北源嫩江，南源第二松花江，两源在三岔河汇合后始称松花江干流，于同江市汇入中俄界河黑龙江，对界河黑龙江的水质影响很大。为此，本文选取5种重点防控污染物Hg、Cd、Cr、As、Pb为研究因子，样品数据采集于第二松花江和松花江干流（2011年5月-2012年5月）。其中：水样数据来源于10个监测断面，采集8次；鱼样数据来源于5个监测断面鲶鱼（代表底层肉食性鱼）、鲤鱼和鲫鱼（代表中层杂食性鱼）、鲢鱼（代表上层草食性鱼）共88条鱼样，采集1次；沉积物数据来源于8个监测断面，采集1次。样品背景值数据中，鱼样数据参考中国科学院长春分院编著的《松花江流域环境问题研究》（1992），水样及沉积物数据来源于2011年5月课题组采集的6条天然河流源头区的16个水样样品、23个沉积物样品（图2）。采用ICP-MS进行样品测定。
3.1.2模型计算与结果分析
依据《吉林省地表水功能区》DB22/388-2004和《黑龙江省地面水环境质量功能区划分和水环境质量补充标准》DB23/485-1998进行水质类别划分。本文研究区间为哨口-同江，共划分11个水环境功能区，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水质类别个数分别为1、7和3。根据公式1-公式5及表4各项权重系数，得到松花江单一介质中重金属污染生态风险指数和三相空间综合生态风险指数（表5和图3）。
表5 松花江重金属污染综合生态风险评价

由表5和图3可以看出：（1）松花江中5种有毒重金属自身的生理毒性差异较大，毒性系数Tri由高到低顺序为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cr；污染指数Cfi表明重金属在三相空间中的富集比均为水相＞生物相＞固相；检出率Fsi表明整体上重金属检出率较高；（2）Hg、Cr和Pb在水相中的检出率均小于1，但污染指数却分别达到1.40、5.11和3.37，表明3种重金属在空间上分布不均匀，在水相中有较高的富集比；Hg和Pb在沉积物中污染指数小于1，但检出率都达到100%，这种结果可能与其背景值含量高有关。（3）Hg在生物相的生态风险指数最高（52），且大于生物相与固相生态风险指数之和（49）；Cd在三相空间中的生态风险没有明显差异；其它3种重金属中As的生态风险指数最高，Pb次之，Cr最低。（4）5种有毒重金属在三相空间综合生态风险指数R由高到低的排序为：Cd（37.64）>Hg（28.48）>As（19.14）>Pb（7.41）>Cr（5.67）。
毒性系数和重金属浓度是大多数模型构建的主要参数（表1）。本文河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型应用结果表明，毒性系数高的重金属其综合生态风险指数 R也高，即R值与Tr有很大的相关性。但由于污染物浓度、背景值和检出率等因素影响，R与Tr并非是一一对应关系，如Tr（Cd）<Tr（Hg），但R（Cd）>R（Hg）。由于Hg在水相中的检出率低，从而导致其水相中生态风险指数低于生物相和固相，进而导致其综合生态风险指数小于Cd。因此，对于三相空间重金属污染综合效应而言，检出率是一重要影响因素。
3.2模型验证
陆继龙等（Lu et al.,2009）研究表明，第二松花江中下游各样点重金属的单项潜在生态风险系数排在前两位的是Hg和Cd；孙静雯等（Sun et al.,2013）研究表明，Cd在第二松花江和松花江干流鱼体中的含量较高，Hg在松花江干流鱼体中的含量较高；朱青青和王中良（Zhu&Wang,2012）曾搜集正式发表的不同时期中国七大水系干流沉积物重金属文献51篇共34478个采样点数据，对比分析各水系重金属污染特征，得出结论为松花江的重金属生态风险指数位于珠江、海河之后排第三位，Hg的生态风险等级为极强，Cd的生态风险等级为强。以上研究表明，松花江流域水体、鱼体、沉积物中，Cd和Hg均具有较大的生态危害，这与本文的研究结论是一致的，进而证实本文所建模型具有一定的科学合理性。
参考当前国内外构建单一介质中重金属污染生态风险评价模型选取的重要参数，结合环境优控污染物的筛选方法，本发明选取重金属毒性系数、污染指数和检出率3个指标分别计算河流水相、生物相和固相中重金属的生态风险指数，经加权求和，最终构建了河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型。模型应用于松花江重金属污染效应研究，结果表明5种有毒重金属在三相空间中的生态风险指数均表现为水相＞生物相＞固相，综合生态风险指数R由高到低的排序为Cd>Hg>As>Pb>Cr，这与其他学者关于松花江的研究结论相吻合。由于篇幅、数据、精力、经费等各方面限制，本发明只选取松花江作为模型应用与验证实例。

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1、(10)申请公布号 CN 103793620 A (43)申请公布日 2014.05.14 CN 103793620 A (21)申请号 201410074703.9 (22)申请日 2014.03.03 G06F 19/00(2011.01) (71)申请人黑龙江省环境保护科学研究院地址 150056 黑龙江省哈尔滨市道外区南直路 356 号 (72)发明人周军张宝杰马彪倪艳芳张力 (74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109 代理人杨立超 (54) 发明名称河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法 (57) 摘要河流三相空间重金属污染综合生态风。

2、险评价方法，涉及生态风险评估技术领域。为了解决现有技术中对重金属污染对河流生态系统造成的危害大多关注单一介质中重金属的风险评价，考虑因素单一，无法有效地为河流重金属污染防治提供技术支持。选取重金属毒性系数、污染指数和检出率 3 个指标分别计算水相、生物相和固相生态风险指数，构建了河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型。本方法应用于松花江 5 种有毒重金属污染综合效应评价，结果表明 5 种有毒重金属在单一介质中生态风险指数均表现为水相生物相固相，三相空间综合生态风险指数由高到低排序为 CdHgAsPbCr，结论与其他学者关于松花江的相关研究结果吻。

3、合。应用于河流的重金属污染防治。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页说明书 10 页附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书2页说明书10页附图2页 (10)申请公布号 CN 103793620 A CN 103793620 A 1/2 页 2 1. 一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法，其特征在于，所述方法的具体实现过程为：步骤一、河流三相空间重金属污染评价模型构建：步骤一（一）、评价指标体系构建：选取重金属的毒性系数、污染指数、检出率 3 个指标构建河流重金属污染综合生态风险评价模型；。

4、重金属毒性系数用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度，重金属污染指数表征单一重金属的富集和污染程度，由公式 1 表示：公式 1 式中： Ci为单一重金属实测值，单位为 mg/kg ； Cni为单一重金属环境背景参比值，单位为 mg/kg ；重金属检出率 Fsii表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式 2 表示：公式 2 式中： Si为单一重金属检出断面个数，为单一重金属监测断面总数；步骤一（二）、河流三相空间重金属污染综合生态风险指数的确定：根据步骤一（一）确定的评价指标，构建了重金属在水相、生物相和固相中的生态风险指数，。

5、分别用 W、 F 和 S 表示，如公式 3 ；基于不同相中重金属对人体可能造成伤害的几率和危害程度不同，分配给三相空间重金属污染生态风险指数不同的权重，最终得到每种重金属的综合生态风险指数 R，如公式 4 ：公式 3 R=W+F+S 公式 4 式中，、和分别为河流水相、生物相和固相三相空间重金属权重值；步骤一（三）河流三相空间重金属权重、和的确定方法如下：（1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数 x、 y 和 z ； x、 y、 z 是采用层次分析法确定的，是计算、和的一个过程参数；（2）根据地表水环境质量功能区划分，。

6、按水质类别 - 类，采用层次分析法依次判定其权重系数、、、和；（3）三相空间中重金属污染权重系数 x、 y 和 z 分别与不同水质类别下重金属权重系数、、、和相乘，分别得到三相空间每一水质类别下各相中重金属权重系数 i、 i、 i、 i和 i；由于是三相空间， i 的取值范围是 1 3，分别代表三相空间， i=1 代表水相， i=2 代表生物相， i=3 代表固相； i 与 x、 y 和 z 是对应的；（4）确定河流研究区间不同水质类别个数 A、 B、 C、 D 和 E ；（5）计算出河流三相空间中不同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值 a。

7、、 b 和 c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值、和，如公式 5 ；权利要求书 CN 103793620 A 2 2/2 页 3 公式 5 求得、和，从而得到河流三相空间中重金属权重分配；步骤二、 R=W+F+S 作为河流三相空间重金属污染评价模型，根据上述模型求得待评价河流中每种重金属的综合生态风险指数 R，根据 R 值评价河流重金属污染程度。 2. 根据权利要求 1 所述的一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法，其特征在于，在步骤一（三）的指标权重的确定过程中，河流三相空间中重金属权重分配方式见下表：。

8、河流三相空间中重金属权重分配权利要求书 CN 103793620 A 3 1/10 页 4 河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法技术领域 0001 本发明涉及一种河流重金属污染综合生态风险评价方法，涉及生态风险评估技术领域。背景技术 0002 随着工业生产规模的不断扩大和城市化的快速发展，大量进入环境中的重金属对生物个体、种群产生影响，进而对生态系统产生不良的生态效应。如果重金属超过人体所能耐受的限度，就会造成人体急性或慢性中毒，导致致癌、致畸及致突变现象，对人体造成很大危害（Wang & Zhang,2012）。重金属污染现已成为水环境污染。

9、评价的重要内容（Liu et al.,2006），一直备受国内外学者的高度关注，但当前针对重金属污染对河流生态系统造成的危害大多关注单一介质中重金属的风险评价，如沉积物（Burton,2010 ； Wu et at.,2013 ； Azmat et al.,2014）、鱼体（Tuzen M,2009 ； Liu et al.,2013）或水体（Tao et al.,2013 ； Wang et al.,2010）等，而有关重金属在河流三相空间综合污染效应的研究尚未见报道。发明内容 0003 本发明为了解决现有技术中关于重金属污染对河流生态系统造成的危害大多关注单。

10、一介质中（例如只关注水相、生物相或固相）重金属的风险评价，考虑因素单一，评价结果不够全面，无法有效地为河流重金属污染防治提供技术支持，进而提出一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法。 0004 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是： 0005 一种河流三相空间重金属污染综合生态风险评价方法，所述方法的具体实现过程为： 0006 步骤一、河流三相空间重金属污染评价模型构建： 0007 步骤一（一）、评价指标体系构建： 0008 选取重金属的毒性系数、污染指数、检出率 3 个指标构建河流重金属污染综合生态风险评价模型； 0009 重金属毒性。

11、系数 Tri用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度， 0010 重金属污染指数 Cfi表征单一重金属的富集和污染程度，由公式 1 表示： 0011 公式 1 0012 式中： Ci为单一重金属实测值，单位为 mg/kg ； Cni为单一重金属环境背景参比值，单位为 mg/kg ； 0013 重金属检出率 Fsii表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式 2 表示： 0014 公式 2 0015 式中： Si为单一重金属检出断面个数， Sti为单一重金属监测断面总数；说明书 CN 103793620 A 4 2/10 页 5 0016 步骤一（二）、。

12、河流三相空间重金属污染综合生态风险指数的确定： 0017 根据步骤一（一）确定的评价指标，构建了重金属在水相、生物相和固相中的生态风险指数，分别用 W、 F 和 S 表示，如公式 3 ；基于不同相中重金属对人体可能造成伤害的几率和危害程度不同，分配给三相空间重金属污染生态风险指数不同的权重，最终得到每种重金属的综合生态风险指数 R，如公式 4 ： 0018 公式 3 0019 R=W+F+S 公式 4 0020 式中，、和分别为河流水相、生物相和固相三相空间重金属权重值； 0021 步骤一（三）河流三相空间重金属权重、和的确定方法如下： 00。

13、22 （1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数 x、 y 和 z ； 0023 x、 y、 z 是采用层次分析法确定的，是计算、和的一个过程参数； 0024 （2）根据地表水环境质量功能区划分，按水质类别 - 类，采用层次分析法依次判定其权重系数、、、和； 0025 （3）三相空间中重金属污染权重系数 x、 y 和 z 分别与不同水质类别下重金属权重系数、、、和相乘，分别得到三相空间每一水质类别下各相中重金属权重系数 i、 i、 i、 i和 i； 0026 由于是三相空间， i 的取值范围是 1 3，分别代表三相空间， i=1 代表。

14、水相， i=2 代表生物相， i=3 代表固相； i 与 x、 y 和 z 是对应的； 0027 （4）确定河流研究区间不同水质类别个数 A、 B、 C、 D 和 E ； 0028 （5）计算出河流三相空间中不同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值 a、 b 和 c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值、和，如公式 5 ； 0029 0030 0031 0032 公式 5 0033 求得、和，从而得到河流三相空间中重金属权重分配； 0034 步骤二、 R=W+F+S 作为河流三相空间重金属污染评价模型，根据上述模型求得待评价河流中每。

15、种重金属的综合生态风险指数 R，根据 R 值评价河流重金属污染程度。 0035 在步骤一（三）的指标权重的确定过程中，河流三相空间中重金属权重分配方式见下表： 0036 河流三相空间中重金属权重分配 0037 说明书 CN 103793620 A 5 3/10 页 6 0038 本发明的有益效果是： 0039 本发明依据应用广泛的重金属污染评价模型（Mller,1969 ； Hakanson,1980 ； Hilton et al.,1985）和环境优控污染物筛选方法（Pei et al.,2013 ； ATSDR,2013 ； EC,2013）的科学建模思想，选取相。

16、关参数构建河流水相、生物相和固相立体空间重金属污染综合生态风险评价模型，以期为河流重金属污染防治提供技术支持。 0040 当前，有关重金属在河流水相、生物相和固相三相空间的综合污染效应研究尚未见报道。本发明在参考国内外河流单一介质中重金属污染生态风险评价模型基础上，借鉴环境优控污染物筛选方法，选取重金属毒性系数、污染指数和检出率 3 个指标分别计算水相、生物相和固相生态风险指数，经加权求和，构建了河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型。本发明构建的模型应用于松花江 5 种有毒重金属污染综合效应评价，结果表明 5 种有毒重金属在单一介质中生态风险指数均表现为。

17、水相生物相固相，三相空间综合生态风险指数由高到低排序为 CdHgAsPbCr，利用本发明方法得出的结论与其他学者关于松花江的相关研究结果吻合。本发明方法为河流三相空间重金属污染综合效应评价进行了一次创新尝试。附图说明 0041 图 1 是重金属在河流生态系统中的迁移转化过程模拟图，图 2 是利用本发明方法的采样断面分布图，图 3 是利用本发明方法评价的松花江三相空间重金属生态风险指数柱状图。具体实施方式 0042 结合图 1 至图 3，本实施方式对本发明方法进行详尽描述： 0043 1、河流三相空间重金属迁移转化 0044 重金属释放至环境中后易于通过食物链传。

18、递和累积（Li et al.,2007 ； L et al.,2008），因而进入水体中的重金属可最终通过鱼类等水产品的消费进入人体（Jia,2005），在对鱼类产生毒性作用（Zhang et al.,2006）的同时，也对人类健康构成严重威胁。此外，水体中的重金属易与有机高分子生成配合物或螯合物，吸附在黏土矿物等表说明书 CN 103793620 A 6 4/10 页 7 面，进入沉积物中并积累，吸附重金属的沉积物通过一系列物理、化学和生物过程，又会重新释放出重金属，造成水环境的二次污染（Zheng et al.,2011）。河流生态系统中重金。

19、属的迁移转化过程模拟见图 1。 0045 2、河流三相空间重金属污染评价模型构建 0046 2.1 指标体系构建 0047 当前，国内外评价重金属污染效应的主要模型见表 1。 0048 表 1 国内外主要重金属污染效应评价模型 0049 0050 说明书 CN 103793620 A 7 5/10 页 8 0051 由表 1 可以看出：河流中重金属的污染效应主要与重金属的生理毒性、浓度、污染范围、暴露等因素有关。因此，借鉴以上模型的建模思想，本文选取重金属的毒性系数、污染指数、检出率 3 个指标构建河流重金属污染综合生态风险评价模型。 0052 2.1.1 重。

20、金属毒性系数（Tri） 0053 重金属的毒性系数 Tri用于反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度，常见重金属的毒性系数见表 2。 0054 表 2 重金属毒性系数 0055 0056 2.1.2 重金属污染指数（Cfi） 0057 重金属污染指数 Cfi表征单一重金属的富集和污染程度，由公式 1 表示：说明书 CN 103793620 A 8 6/10 页 9 0058 公式 1 0059 式中： Ci为单一重金属实测值（mg/kg）； Cni为单一重金属环境背景参比值（mg/ kg）。 0060 2.1.3 重金属检出率（Fsi） 0061 重金属。

21、检出率 Fsi表征单一重金属的污染范围和检出频次，由公式 2 表示： 0062 公式 2 0063 式中： Si为单一重金属检出断面个数， Sti为单一重金属监测断面总数。 0064 2.2 河流三相空间重金属污染综合生态风险指数 0065 根据前文确定的评价指标，本文构建了重金属在水相、生物相和固相中的生态风险指数（分别用 W、 F 和 S 表示，公式 3）；不同相中重金属对人体可能造成伤害的几率和危害程度不同，需要分配给三相空间重金属污染生态风险指数不同的权重（、、），最终得到每种重金属的综合生态风险指数 R（公式 4）。 0066 公式 3 0067。

22、 R=W+F+S 公式 4 0068 式中，、和分别为河流水相、生物相和固相三相空间重金属权重值； 0069 2.3 指标权重 0070 2.3.1 赋权方法：河流三相空间重金属权重、和的确定方法如下： 0071 （1）分别判定水相、生物相和固相中重金属污染权重系数 x、 y 和 z ； x、 y、 z 是采用层次分析法确定的，它们是计算、和的一个过程参数； 0072 （2）根据地表水环境质量功能区划分，按水质类别 - 类，采用层次分析法依次判定其权重系数、、、和； 0073 （3）三相空间中重金属污染权重系数 x、 y 和 z 分别与。

23、不同水质类别下重金属权重系数、、、和相乘，分别得到三相空间每一水质类别下各相中重金属权重系数 i、 i、 i、 i和 i； 0074 由于只是三相空间，故 i 的取值范围是 1 3，分别代表三相空间，按表格所列顺序， i=1 代表水相， i=2 代表生物相，以此类推； i 与 x、 y 和 z 是对应的，可见表 3，就是每一相空间重金属权重系数分别单独计算，得到 a、 b、 c，再经归一化处理，最终得出每相空间重金属的权重值； 0075 （4）确定河流研究区间不同水质类别个数 A、 B、 C、 D 和 E ； 0076 （5）计算出河流三相空间中不。

24、同水质类别下重金属权重系数的加权算术平均值 a、 b 和 c，进行归一化处理，从而得到水相、生物相和固相的重金属权重值、和（公式 5）； 0077 河流三相空间中重金属权重分配见表 3 ； 0078 0079 说明书 CN 103793620 A 9 7/10 页 10 0080 0081 公式 5 0082 表 3 给出三相空间的权重系数、不同水质类别的权重系数，最终计算出来的值作为每相空间的权重值；为了区别开，将、和叫做权重值，其它的称为权重系数； 0083 表 3 河流三相空间中重金属权重分配 0084 0085 2.3.2 权重系数的确定过程为。

25、： 0086 为了计算出最终的权重值、和，先要确定很多的权重系数，包括立体空间和不同水质类别（各项权重系数包括、、、、以及 x、 y、 z）； 0087 采用层次分析法确定各项权重系数，在构造判断矩阵过程（判断矩阵是层次分析法的一个计算过程，为现有技术范畴）中，参考了地表水环境质量标准 GB3838-2002 中不同水质类别间同一重金属浓度标准的对比关系，并请 6 位专家分别以水相、生物相和固相以及 - 类水质类别构造判断矩阵，取其均值作为最终判断矩阵，进而得到各项权重系数（各项权重系数包括、、、、以及 x、 y、 z，只有确。

26、定出它们，才能最终求得、和），见表 4 ： 0088 表 4 各项权重系数 0089 0090 R=W+F+S 作为河流三相空间重金属污染评价模型，根据上述模型求得待评价河流中每种重金属的综合生态风险指数 R，根据 R 值评价河流重金属污染程度。说明书 CN 103793620 A 10 8/10 页 11 0091 3 模型应用与验证 0092 3.1 模型应用 0093 3.1.1 研究区选取及数据采集 0094 本文选取松花江进行模型应用研究。松花江是中国第三大江河，其北源嫩江，南源第二松花江，两源在三岔河汇合后始称松花江干流，于同江市汇入中俄界河黑龙。

27、江，对界河黑龙江的水质影响很大。为此，本文选取 5 种重点防控污染物 Hg、 Cd、 Cr、 As、 Pb 为研究因子，样品数据采集于第二松花江和松花江干流（2011年5月-2012年5月）。其中：水样数据来源于 10 个监测断面，采集8次；鱼样数据来源于5个监测断面鲶鱼（代表底层肉食性鱼）、鲤鱼和鲫鱼（代表中层杂食性鱼）、鲢鱼（代表上层草食性鱼）共88条鱼样，采集1次；沉积物数据来源于 8 个监测断面，采集 1 次。样品背景值数据中，鱼样数据参考中国科学院长春分院编著的松花江流域环境问题研究（1992），水样及沉积物数据来源于。

28、 2011 年 5 月课题组采集的 6 条天然河流源头区的 16 个水样样品、 23 个沉积物样品（图 2）。采用 ICP-MS 进行样品测定。 0095 3.1.2 模型计算与结果分析 0096 依据吉林省地表水功能区 DB22/388-2004 和黑龙江省地面水环境质量功能区划分和水环境质量补充标准 DB23/485-1998进行水质类别划分。本文研究区间为哨口-同江，共划分 11 个水环境功能区，其中、、类水质类别个数分别为 1、 7 和 3。根据公式 1- 公式 5 及表 4 各项权重系数，得到松花江单一介质中重金属污染生态风险指数和三相空间综合生态风险指。

29、数（表 5 和图 3）。 0097 表 5 松花江重金属污染综合生态风险评价 0098 说明书 CN 103793620 A 11 9/10 页 12 0099 由表 5 和图 3 可以看出：（1）松花江中 5 种有毒重金属自身的生理毒性差异较大，毒性系数 Tri由高到低顺序为 Hg Cd As Pb Cr ；污染指数 Cfi表明重金属在三相空间中的富集比均为水相生物相固相；检出率Fsi表明整体上重金属检出率较高；（2） Hg、 Cr 和 Pb 在水相中的检出率均小于 1，但污染指数却分别达到 1.40、 5.11 和 3.37，表明 3 种重金属在空间上分布不均。

30、匀，在水相中有较高的富集比； Hg 和 Pb 在沉积物中污染指数小于 1，但检出率都达到 100%，这种结果可能与其背景值含量高有关。（3） Hg 在生物相的生态风险指数最高（52），且大于生物相与固相生态风险指数之和（49）； Cd 在三相空间中的生态风险没有明显差异；其它 3 种重金属中 As 的生态风险指数最高， Pb 次之， Cr 最低。（4） 5 种有毒重金属在三相空间综合生态风险指数 R 由高到低的排序为： Cd（37.64） Hg（28.48） As（19.14） Pb（7.41） Cr（5.67）。 0100 毒性系数和重金属浓度是大多数模型。

31、构建的主要参数（表 1）。本文河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型应用结果表明，毒性系数高的重金属其综合生态风险指数 R 也高，即 R 值与 Tr有很大的相关性。但由于污染物浓度、背景值和检出率等因素影响， R 与 Tr并非是一一对应关系，如 Tr（Cd） R（Hg）。由于 Hg 在水相中的检出率低，从而导致其水相中生态风险指数低于生物相和固相，进而导致其综合生态风险指数小于 Cd。因此，对于三相空间重金属污染综合效应而言，检出率是一重要影响因素。 0101 3.2 模型验证 0102 陆继龙等（Lu et al.,2009）研究表明，第二松花江中下游。

32、各样点重金属的单项潜说明书 CN 103793620 A 12 10/10 页 13 在生态风险系数排在前两位的是 Hg 和 Cd ；孙静雯等（Sun et al.,2013）研究表明， Cd 在第二松花江和松花江干流鱼体中的含量较高， Hg 在松花江干流鱼体中的含量较高；朱青青和王中良（Zhu&Wang,2012）曾搜集正式发表的不同时期中国七大水系干流沉积物重金属文献 51 篇共 34478 个采样点数据，对比分析各水系重金属污染特征，得出结论为松花江的重金属生态风险指数位于珠江、海河之后排第三位， Hg 的生态风险等级为极强， Cd 的生态风险等级为强。。

33、以上研究表明，松花江流域水体、鱼体、沉积物中， Cd 和 Hg 均具有较大的生态危害，这与本文的研究结论是一致的，进而证实本文所建模型具有一定的科学合理性。 0103 参考当前国内外构建单一介质中重金属污染生态风险评价模型选取的重要参数，结合环境优控污染物的筛选方法，本发明选取重金属毒性系数、污染指数和检出率 3 个指标分别计算河流水相、生物相和固相中重金属的生态风险指数，经加权求和，最终构建了河流三相空间重金属污染综合生态风险评价模型。模型应用于松花江重金属污染效应研究，结果表明 5 种有毒重金属在三相空间中的生态风险指数均表现为水相生物相固相，综合生态风险指数 R 由高到低的排序为 CdHgAsPbCr，这与其他学者关于松花江的研究结论相吻合。由于篇幅、数据、精力、经费等各方面限制，本发明只选取松花江作为模型应用与验证实例。说明书 CN 103793620 A 13 1/2 页 14 图 1 图 2 说明书附图 CN 103793620 A 14 2/2 页 15 图 3 说明书附图 CN 103793620 A 15 。

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