【关键字】方法
目 录
前 言 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1堆积物重金属污染评价方法简介 ------------------------------------------------------------------------- 1 1.1 地质累积指数法 ----------------------------------------------------------------------------------------- 1 1.2 综合污染指数法 ----------------------------------------------------------------------------------------- 2 1.3 尼梅罗综合污染指数法 ------------------------------------------------------------------------------- 3 1.4 潜在生态危害指数法 ---------------------------------------------------------------------------------- 4 1.5 脸谱图法 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.6 污染负荷指数法 ----------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.7 堆积物富集系数法-------------------------------------------------------------------------------------- 6 1.8 次生相与原生相分布比法和次生相富集系数法------------------------------------------------- 7 2堆积物重金属污染评价方法评述 ------------------------------------------------------------------------- 8 2.1各评价方法优缺点比较 -------------------------------------------------------------------------------- 8 2.2举例分析 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 2.3方法改进 --------------------------------------------------------------------------------------------------10 2.4研究展望 --------------------------------------------------------------------------------------------------10 结 语 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 参考文献 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------12 致 谢 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------14
摘 要
本文综述了当前国内外常用的各类水体堆积物中重金属污染评价的方法和最新进展；对各种评价方法进行了比较和研究，分析了不同方法的优缺点、适用条件和适用范围；并就近年来国内外关于堆积物中重金属污染评价方法和模型的应用进行了比较总结，列举了一些改进方法，对以后堆积物中重金属污染评价方法和模型的发展进行了展望。
关键词：重金属；污染评价方法；评述
Abstract
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This paper reviews the major assessment methods of heavy metal contamination in sediments which are used currently and the latest progress; It also makes all sorts of evaluation methods for comparison and research, analyzes the advantages and disadvantages of different methods, the suitable condition and the applicable scope. And about sediments in recent years, domestic and foreign heavy metal pollution evaluation methods and models are summarized, some of the improved methods in sediments are enumerated, and the development of the methods and models of the evaluation is prospected.
Key words: heavy metal; assessment methods of contamination; assessment
堆积物中重金属污染评价方法
与模型的应用
前 言
众所周知，重金属是具有潜在危害的重要污染物，它会被湖泊或海洋等水体中的堆积物或悬浮物所吸附，并在生物体内富集，成为持久污染物，对环境造成严重的污染。大量研究表明，在受纳水体中，重金属污染物不易溶解，绝大部分均迅速地由水相转入固相，即迅速地结合到悬浮物和堆积物中。结合到悬浮物中的重金属在被水流搬运过程中，当其负荷超过搬运能力时，便最终也转入堆积物中。此外，大量研究也表明，在受重金属污染的水体中，水相中重金属的含量很小，而且随机性很大，常随排放状况与水力学条件的变化而变化，其含量分布往往规律性较差；相反，堆积物中重金属的含量比相应水相中的重金属含量高很多倍，常常得到积累，并表现出较明显的含量分布规律性[1] ，因此，对堆积物中重金属污染的评价是很有必要的，也很有价值。
国内外评价堆积物中重金属污染的方法很多，包括地质累积指数法、潜在生态危害指数法、生物效应浓度法、脸谱图法、元素相关图法、回归过量分析法、综合指数法、尼梅罗综合指数法、污染负荷指数法、堆积物富集系数法和次生相富集系数法等。目前普遍采用的方法主要有地质累积指数法、潜在生态危害指数法、综合指数法、尼梅罗综合指数法。
本文对现行的主要评价方法进行比较和研究，分析不同方法的优缺点、适用条件和适用范围，并就近年来国内外关于堆积物中重金属污染评价方法和模型的应用进行了比
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较总结，旨在为正在发展的重金属污染风险评价提供一些借鉴。
1堆积物重金属污染评价方法简介
1.1地质累积指数法
地质累积指数法是研究水体堆积物中重金属污染的一种定量指标，被广泛用于研究现代堆积物中重金属污染评价[2]。污染评价过程中，除考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值外，还考虑到了由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，弥补了其他方法的不足[3]。其计算公式为：
式中：Igeo——地质累积指数；
Ci——元素i在堆积物中的浓度； Bi——堆积物中该元素的背景值；
k——考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数（一般取值为
1.5）。
地质累积指数表示的污染程度共分为7级，其值与污染程度之间的关系如表1。
表1 地质累积指数与污染程度之间的关系
污染程度 级别 Igeo
无 0 <0
轻度 1 0-1
偏中度 2 1-2
中度 3 2-3
偏重 4 3-4
重 5 4-5
严重 6 >5
1.2综合污染指数法
该种方法包含三个步骤： （1）单因子评价
单因子评价依据质量分指数模式进行，计算公式为： 式中:Pi ——i污染因子的质量分指数；
Ci——i污染因子的实测浓度；
Si——i污染因子的评价标准，一般选用国家标准。 （2）多因子评价
多因子评价采用加权评价模式,即把各污染因子的质量分指数乘以各因子的权重值，再综合成堆积物的环境质量总指数，然后进行评价。其计算式为：
式中:Isoj——底质的环境质量总指数；
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文档从网络中收集，已重新整理排版.word版本可编辑.欢迎下载支持. Wi——i污染因子的权重值，ΣWi = 1； Pi ——i污染因子的质量分指数。
（3）权重值计算
权重值代表着各个污染因子对环境质量影响程度的比重分配。权重值可以根据污染因子的环境可容纳量来确定，其计算式为：
Wi = (1/ Ki ) /Σ(1/ Ki )
式中: Ki——i 污染因子的环境可容纳量，可由评价标准( Si ) 和背景值
Coi确定,其计算式为：Ki = ( Si - Coi ) / Coi
综合污染指数法的评价分级标准如表2 所示:
表2 底质环境质量分级标准
综合污染指数Pi 底质环境质量分级
<0.5 清洁
0.5-1 有影响
1-1.5 轻污染
1.5-2 污染
>2 重污染
1.3 尼梅罗综合污染指数法 尼梅罗综合指数法也是一种多因子综合评价方法[4]，其计算公式为： 式中：P ——综合污染指数；
Pimax——沉积物重金属元素中污染指数最大值； Piavr ——沉积物污染系数的平均值。 上式中单因子污染指数Pi 的计算公式如下：
式中: ρi——沉积物中i污染物的实测浓度值，单位mg/ kg ； Si——沉积物中i污染物的评价标准，单位mg/ kg。
当某种污染因子的污染指数大于1时,说明该污染因子的重金属含量超标。尼梅罗综合污染指数和污染程度的关系如表3所示：
表3 尼梅罗综合指数和沉积物重金属污染程度分级标准 尼梅罗综合污染指数
P＜1 1≤P＜2.5 2.5≤P＜7 P≥7
污染等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
污染程度 无 轻 中 重
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1.4潜在生态危害指数法
潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson于1980年提出的一套应用沉积学原理评价重金属污染及生态危害的方法[5]。从环境学意义而言，重金属污染主要表现在对人体健康、生物生长等方面，而不同的重金属毒性各异。潜在生态危害指数法引人重金属的毒性响应系数，更具实际意义[2]。其计算公式如下：
式中：Cfi——重金属i的污染系数；
Ci——重金属i的实测浓度； Ci——重金属i的背景值；
Eri——重金属i的潜在生态危害系数；
ERI——多种重金属的潜在生态污染指数；
Tri——重金属i的毒性响应系数。
重金属污染评价指标及其与污染程度和潜在生态风险程度的关系如表4所示。
表4 评价指标与污染程度和潜在生态危害程度的关系 单因子污染
Cfi
物污染程度
＜1 1～3 3～6 ＞6
低 中等 重 严重
＜40 40～80 80～160 160～320 ＞320 Er
生态危害程度
低 中 较重 重 严重
＜150 150～300 300～600 ＞600
i
单因子污染物
ERI
总的潜在生 态风险程度
低 中等 重 严重
1.5脸谱图法
脸谱图是美国统计学家Chernoff提出的一种多变量图表示方法[6,7]，利用设计的脸谱将对应的多变量样本可视化，通过脸谱各部位(如眉毛、眼睛、耳朵、鼻子等) 的形状或大小对变量加以直观描述，该方法常与地质累积指数法联合使用，在沉积物重金属污染评价的研究中已得到成功应用[8,9]。绘制脸谱图一般需要18至20个变量，若变量数少于标准变量数，则将脸谱某些部位设定为默认值或固定值。在该方法中，用原始数据直接作图通常没有实际
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意义，在作图前需将各变量原始数据变换至预定区间[ aj , bj ]内。对第i个样本第j个变量Yij 变换公式为：
Xij = aj + ( bj - aj ) [ (log2 Yij -log2 Y jmin ) / (log2 Y jmax - log2 Y jmin ) ] ， i = 1，2，…，n； j = 1，2 …，p
式中: Xij——变换后的作图数据；
Yij ——第i个样本第j个变量的原始浓度；
Yjmin和Yjmax——所有样本中第j个变量的最小与最大值；
aj和bj——作图区间的上下限。脸谱图中各变量的意义见文献[8]。
1. 6污染负荷指数法
污染负荷指数法(Pollution Load Index)是Tomlinson等在从事重金属污染水平的分级研究中提出来的一种评价方法。该指数由评价区域所包含多种重金属成份共同构成，它能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度，以及重金属在时间、空间上的变化趋势，应用比较方便。其评价公式如下：
首先根据某一点的实测重金属含量,进行最高污染系数( Fi) 的计算：
Fi = Ci / C0i
式中：Fi——元素i 的最高污染系数；
Ci——元素i的实测含量；
C0i——元素i的评价标准，即背景值，一般选用全球页岩平均值作为重金属的评价标准。
某一点的污染负荷指数(IPL)为： 式中: IPL——某一点的污染负荷指数； n ——评价元素的个数。
某一区域(流域) 的污染负荷指数(IPLzone)为： 式中: IPLzone——流域污染负荷指数；
n ——评价点的个数(即采样点的个数)。 污染负荷指数一般分为4个等级见表5。
表5 污染负荷指数与污染程度之间的关系
IPL值 污染等级
<1 0
1-2 1
2-3 2
>3 3
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污染程度
无污染
中等污染
强污染
极强污染
1.7沉积物富集系数法
沉积物富集系数法(sediments enrichment factor ,SEF)是Buat-Menard P和Chesselet R于1979 年提出的，用于评价沉积物重金属污染程度的方法[10]，其计算式为：
KSEF = ( Sn / Sref ) / ( an / aref )
式中: KSEF——沉积物中重金属富集系数；
Sn——沉积物中重金属含量； Sref——沉积物中参比元素的含量；
an——未受污染沉积物中重金属含量,即重金属的背景值； aref ——未受污染沉积物中参比元素的含量,即参比元素的背景值，
参比元素一般选择在迁移过程中性质比较稳定的元素，如Al。
沉积物中重金属富集系数越大，表示沉积物被重金属污染程度越高[11]。按富集系数的大小，可相应地把污染程度分成5个等级，如表6 所示：
表6 富集系数与污染程度的关系
KSEF 污染程度
<2 无-轻
2～5 中等
5～20 较强
20～40 强
>40 极强
1.8次生相与原生相分布比法和次生相富集系数法
Thomas和Meybeck指出，在未受污染的条件下，大部分重金属分布于矿物晶格中和存在于颗粒物包裹膜的Fe 、Mn氧化物中，而在污染条件下，人为源的重金属主要以被吸附的形态存在于颗粒物表面或与颗粒物中的有机质结合。[12]因此，陈静生根据水体颗粒物各地球化学相自身的起源和其中重金属的来源，按传统地球化学观念，把颗粒物中的原生矿物称为原生地球化学相(简称原生相)，把原生矿物的风化产物(如碳酸盐和铁锰氧化物等)和外来的次生物质(如有机质等)统称为次生地球化学相(简称次生相)，并提出用存在于各次生相中重金属的总百分含量与存在于原生相中重金属的百分含量的比值来反映评价沉积物中重金属的来源和污染水平，即次生相与原生相分布比法，应用于鄱阳湖沉积物Cu污染的评价研究中，获得理想效果[13]。贾振邦、霍文毅等在此基础上提出了次生相富集系数法(Secondary Phase
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Enrichment Factor ,SPEF)，计算公式为：
KSPEF = [ Msec (a) / Mprim(a) ]/ [ Msec (b) / Mprim(b) ]
式中: KSPEF——重金属在次生相中的富集系数；
Msec (a)——某沉积物样品次生相中重金属的含量； Mprim(a)——某沉积物样品原生相中重金属的含量；
Msec (b)——未受污染参照点沉积物样品次生相中重金属的含量； Mprim(b)——未受污染参照点沉积物原生相中重金属的含量。 当KSPEF≤1时，表示沉积物未受污染；当KSPEF＞1时，说明有人为造成的重金属污染，其污染程度可由数值大小直接表示出来。
2 沉积物重金属污染评价方法评述
2.1各评价方法优缺点比较
纵观上述每种评价方法均有其优点与不足之处。污染负荷指数法优点是该指数由评价区域所包含的多种重金属成份共同构成，并使用了求积的统计法，能避免污染指数加和关系造成对评价结果歪曲的现象，并且对任意给定的区域进行定量的判断，但该方法没能考虑不同污染物源所引起的背景差别；地质累积指数法综合考虑了人为活动对环境的影响，而且还考虑到由于自然成岩作用可能会引起背景值变动的因素，即常数k，但该方法并未考虑不同金属的毒性效应的差别；潜在生态危害指数法综合考虑了重金属的毒性、在沉积物中的普遍的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异和异源污染的影响，可以综合反映沉积物中重金属对生态环境的影响潜力，适合于大区域范围不同源沉积物之间进行评价比较[14]，成为国内外沉积物质量评价中应用最为广泛的方法之一[15,16]；脸谱图法能同时在一张图上直观地反映出各元素的量值和受人类活动影响的程度，但该方法的表达较为繁琐。
上述方法均未考虑沉积物粒度效应，而沉积物富集系数法(SEF)有效地进行了有关沉积物粒度的校正，回避了由于黏土含量的不同造成沉积物重金属浓度的差别，但它不能反映重金属来源、化学活性和生物可利用性。次生相与原生相分布比法还扣除了母岩对重金属浓度的控制，能较为客观地反映
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人类活动对沉积物环境的影响程度，以上方法均能对研究区是否受到人类活动的影响做出判，但并未给出人类对污染的接受程度的评价，亦即是它并未用国家标准来度量，回答污染程度是否超出人类所能接受的浓度水平。考虑到人类的接受程度，在评价实践中形成了综合指数法，它能对受污染的沉积物做出简捷快速的评价，方法也较为简便。尼梅罗指数法同时兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值，可以突出污染较重的污染物的作用，给较严重的污染物以较大的权值，能较全面地反映沉积物的总体质量。但这些方法不足的是未能考虑金属的毒性差别，评价中也未能识别其污染机理，未能考虑重金属毒性和不同母岩中金属浓度的差别。 2.2举例分析
有关重金属污染评价的文献大部分采用了潜在生态指数法，本节主要就潜在生态指数法的应用进行分析，举例研究，提出一些应用该方法时所需要注意的相关问题。
（1）地累积指数法可算出各重金属的污染状况，但它忽略了不同重金属的生态毒性是有差别的。而潜在生态指数法，则考虑了重金属毒性与污染程度之间的关联，如其算式中的重金属毒性响应指数Tri就很好的体现了这一点，此外，该方法可算单个因子的生态风险指数Eri，又可以算多种重金属综合污染生态风险指数ERI，进而可知那种因子的污染贡献率更大一些。如张菊等人的《东平湖湖心区沉积物组成及重金属污染评价》得出如下结论：采用地积累指数法和潜在生态危害指数法对东平湖湖心区表层沉积物中重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn 的污染程度及其生物毒性风险进行了评价。东平湖湖心区表层沉积物中Cd 为中－强污染水平，Cu、Ni 和Zn污染程度较轻，而Cr和Pb处于清洁水平。从6种重金属元素的潜在生态危害指数来看，东平湖湖心区表层沉积物中的重金属对水体具有较强的潜在生态风险，其中Cd 的贡献率为91%。
（2）Tri是一个影响比较大的指标。比如沉积物重金属污染评价中Cd、Pb、Cu、Cr、Zn的Tri相应分别取30、5、5、2、1，我们知道Eri的算式中Tri是一个乘法因子，它们的取值之间的倍数相差是很大的，这也就决定了相应因子的影响效应是不同的。下面我们看一下王胜强等人的《海河沉积物重金属污染及潜在生态风险评价》的结论：采用单因子指数法和Hakanson生态风
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险指数法，通过分析海河5个断面沉积物中典型重金属污染物Cu、Pb、Zn、Cd、Cr的含量，定量确定海河重金属污染物的污染指数Cfi和综合污染指数Cd的范围，得出海河沉积物为较高污染和很高污染。潜在生态风险指数ERI范围: 38.67～179.9，其平均值为82.73，海河大部分断面具有低潜在生态风险，但是个别断面处于中等潜在生态风险。从上述结论可看到即使大部分金属处于较高污染和很高污染，但生态风险仍处低级，这是由于沉积物中含量较大的重金属元素Zn的毒性响应参数Tri较低，Cu、Pb的含量和毒性响应参数不是很高，而毒性较高的Cd含量较低，Cr的含量和毒性响应参数Tri都较低，从而使得潜在生态风险指数ERI的计算结果较小，潜在生态风险较低。 2.3方法改进
比较上述评价方法都有其优势和自身的不足之处，在评价沉积物中重金属污染时应按不同的目的和要求合理选择评价方法，也可采取多种评价方法相结合，取长补短，达到更好的效果。地质累积指数法与多变量脸谱图法、次生相富集系数法或潜在生态危害指数法结合适合于大多数沉积物中重金属污染的评价。
（1）地质累积指数法与多变量脸谱图法结合
用地质累积指数法对沉积物中重金属污染作总体上的评价，划分出污染等级，再根据多变量脸谱图法用statistica软件绘出脸谱图，则可以具体了解每种重金属的污染程度,以及每种重金属在区域内的污染浓度递变规律。
（2）地质累积指数法与次生相富集系数法结合
由于地质累积指数法是按重金属的总含量进行评价的，难以区分重金属的自然来源和人为来源,因此在具有异源沉积物分布的较大范围区域内，与次生相富集系数法相结合，可以消除区域条件差异的影响，达到综合评价沉积物中重金属污染的目的。
（3）地质累积指数法与潜在生态危害指数法结合
地质累积指数法可算出各重金属的污染状况，但它忽略了不同重金属的生态毒性是有差别的。而潜在生态危害指数法，则考虑了重金属毒性与污染程度之间的关联，这样两者结合，后者可以弥补前者不足，可以得到更科学，准确和全面的信息。
除此之外，在污染评价过程当中，可以联用多种方法，如污染综合指数
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法、地质累积指数法以及潜在生态危害指数法一起应用[17]等。 2.4研究展望
沉积物重金属的迁移转化过程有待进一步研究；沉积物再悬浮及其底栖
生物对沉积物-水界面的重金属迁移转化的影响过程、影响程度的研究较少；关于建立沉积物中重金属质量基准的方法已有大量的文献报道，但还没有一个统一的标准，评价基准需要建立。在沉积物中重金属污染评价方法改进工作当中，很多科研工作者也做了大量大胆的尝试，而且获得了不错的效果，如基于三角模数的改进模型，源解析受体模型等，虽然有了一定进展，但都应用尚不成熟，所以仍要继续加强评价方法改进和探究工作。
结语
上述各种评价方法各有其自身的特点、适用条件和应用价值，但也存在某些局限性。为了更可靠地评价水系沉积物中重金属的潜在危害，需要遵循点面结合、综合评价原则，充分考虑具体水体(包括间隙水)的特殊性，包括污染来源、沉积物的物质成分、相对含量比值、粒度分布、重金属的价态、环境行为、生态效应和在沉积物中的赋存状态等。对于水体污染必须综合考虑污染的放大效应以及水体沉积物的氧化速率，热力学计算需要的重金属与配位体的络合常数、分配系数、生物指标及控制生物毒性的络合关系等。同时可对一些评价方法进行改进和系数修正，结合计算机技术扩大评价领域，提高评价的科学性。
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致 谢
首先衷心感谢我的指导老师张菊老师，在论文的准备过程中，张老师耐心指导写作思路，时常敦促，经常在我面对困难时，提供帮助，使我及时完成论文的写作。
感谢我的室友和同学，在写论文过程中，我遇到了很多问题，经常问到他们，比如word文档的一些处理问题，他们总是耐心的给我演示，直到我学会为止，真是谢谢他们。
还有很多我无法一一列举姓名的师长和友人给了我指导和帮助，在此衷心的表示感谢，他们的名字我将一直铭记在心！
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