基于Monte Carlo模擬的潛在生態(tài)危害評價

曲春風(fēng)+李保華+葛長字

摘要：將Monte Carlo模擬引入到Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)評價中，可以有效地解決由于評價區(qū)域重金屬濃度隨機性和不確定性造成的評價風(fēng)險，將其應(yīng)用于后湖農(nóng)場土壤中重金屬Mn、Cu、Pb、Zn、Cd的潛在生態(tài)危害評估。結(jié)果表明，評價區(qū)域總體處于中等潛在生態(tài)危害等級；Cd處于較高的風(fēng)險等級，處于較高潛在生態(tài)危害及以上的風(fēng)險概率達到了84.87%。通過敏感性分析，Cd含量的敏感性系數(shù)達到了99.1%，對于該區(qū)域的潛在生態(tài)危害起主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：Monte Carlo模擬；Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)；敏感性分析

中圖分類號： X825文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0320-03

收稿日期：2013-09-10

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2011BAD13B02）。

作者簡介：曲春風(fēng)（1981—），男，山東牟平人，碩士，實驗師，研究方向為環(huán)境生態(tài)學(xué)。Tel：（0631）5688551；Email：qcf_81@163.com。

通信作者：葛長字，博士，副教授。E-mail：changzige@ouc.edu.cn。由于人類的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，使得大量的重金屬進入到土壤中，其賦存形態(tài)因生物活動而發(fā)生改變但不能降解，致使土壤中的重金屬得以積聚[1]。土壤中的重金屬除污染水質(zhì)外，還通過食物鏈對人類健康造成危害[2]。土壤中重金屬的環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)危害評價等成為國內(nèi)外環(huán)境、生態(tài)等領(lǐng)域科學(xué)工作者關(guān)注的熱點[3-4]。隨著“鎘大米事件”的曝光[5]，我國土壤重金屬污染問題更加受到重視。目前，普遍采用的土壤重金屬污染的評價方法有單因子指數(shù)法、地質(zhì)累計指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法等[6]。Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[7]綜合考慮了重金屬的生態(tài)毒性及重金屬區(qū)域背景值的差異，消除了區(qū)域差異影響，在國內(nèi)外土壤、沉積物評價中得到廣泛的應(yīng)用[8-9]。該評價方法不僅受制于監(jiān)測樣品數(shù)量的有限性、區(qū)域污染物分布的時空不均勻性以及實測數(shù)據(jù)的誤差性，而且對于重金屬生態(tài)毒性的權(quán)重賦予具有一定的主觀性。潛在生態(tài)危害指數(shù)法不能有效解決土壤中重金屬污染評價的不確定性，即評價的風(fēng)險性難以體現(xiàn)，而評價的風(fēng)險性是決策的重要依據(jù)之一。將風(fēng)險評價系統(tǒng)的不確定性引入到潛在生態(tài)危害指數(shù)中，將能更科學(xué)地評估土壤重金屬污染的現(xiàn)狀。本研究將Monte Carlo模擬引入到潛在生態(tài)危害指數(shù)法中，對土壤中的Mn、Cu、Pb、Zn、Cd等5種重金屬的潛在生態(tài)危害及其風(fēng)險性進行評估，并對各種重金屬濃度的參數(shù)敏感性進行了分析。

1材料與方法

1.1基于Monte Carlo模擬的潛在生態(tài)危害評價方法

1.1.1Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法該方法由Hakanson于1980年提出，包含環(huán)境化學(xué)、生物毒理學(xué)、生態(tài)學(xué)等方面內(nèi)容，常應(yīng)用于沉積物及土壤的生態(tài)危害評價。基本公式為：

Cif=Ci/Cin

Cd=∑mi=1Cif

Eir=Tir·Cif

RI=∑mi=1Eir=∑mi=1Tir·Cif=∑mi=1Tir·Ci/Cin

式中：Cif為金屬i污染系數(shù)，Ci為金屬i的實測濃度，Cin為金屬i的背景值；Cd為多種金屬綜合污染程度；Tir為金屬i的生物毒性響應(yīng)因子；Eir為金屬i潛在生態(tài)風(fēng)險因子；RI為多種金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)。

1.1.2Monte Carlo模擬Monte Carlo模擬因著名的摩洛哥賭城而得名，又稱為隨機模擬，基本思想是根據(jù)待求隨機問題的變化規(guī)律，根據(jù)物理現(xiàn)象本身的統(tǒng)計規(guī)律，或者人為的構(gòu)造一個合適的概率模型，依照該模型進行大量的統(tǒng)計試驗，使它的某些統(tǒng)計參量正好是待求問題的解[10]。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使得快速進行Monte Carlo模擬成了可能，通過計算機模擬隨機過程，進行大量模擬試驗，并統(tǒng)計計算結(jié)果。

1.1.3基于Monte Carlo模擬的潛在生態(tài)危害指數(shù)評價利用Monte Carlo方法進行土壤中重金屬潛在生態(tài)危害評估：（1）通過實測重金屬濃度確定各種重金屬在土壤中分布的概率密度函數(shù)；（2）通過Monte Carlo方法對概率密度函數(shù)進行隨機抽樣，獲得重金屬在土壤中的分布濃度，通過Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)的方法，對土壤重金屬潛在生態(tài)危害進行評估。隨機模擬過程及評價結(jié)果的計算由Crystal Ball 11.1軟件進行。對于不同金屬的生物毒性響應(yīng)因子Tir值，本研究參考經(jīng)典的Hakanson指數(shù)以及國內(nèi)研究成果[11-13]，設(shè)定5種重金屬Tir的順序為：Cd=30>Cu=Pb=5>Zn=Mn=1。

1.2評價區(qū)域

后湖農(nóng)場位于湖北省潛江市的中部，北倚漢水、南近長江，處于江漢平原腹地；四湖主干渠和東干渠在這里交匯，并有溝通長江、漢水間的內(nèi)河航運。318國道、宜黃高速公路、襄岳公路在這里立體交匯，使后湖成為江漢平原乃至整個湖北中部一個新興的水陸交通樞紐。后湖農(nóng)場包括張家窯、天新、關(guān)廟、前湖、皇裝烷、流塘6個分場，擁有耕地 3 000 hm2、林地900 hm2、水面1 300 hm2；重點發(fā)展糧、棉、油、漁、豬、果六大類產(chǎn)品，是湖北省糧棉油高產(chǎn)區(qū)[14]。后湖農(nóng)場作為湖北省重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，對該地區(qū)土壤中的重金屬進行潛在生態(tài)危害評價，對于促進生態(tài)農(nóng)業(yè)，維護人體健康都有重要的現(xiàn)實意義。評價區(qū)域的重金屬監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于聶燕博士學(xué)位論文[14]，土壤重金屬濃度背景值選取湖北省土壤元素背景值[15]。

2結(jié)果與分析

2.1潛在生態(tài)危害評價指數(shù)

5種重金屬中平均值只有Mn、Pb稍低于湖北省的土壤元素背景值，Cu、Zn、Cd的平均值都超標，超標倍數(shù)為Cd為6.86>Zn為1.29>Cu為1.28；測定的重金屬Mn、Cu、Zn、Pb的變異系數(shù)都不高，在土壤中分布相對比較均勻，Cd的變異系數(shù)較大，為58.63%，即土壤中的Cd分布不均勻，可能存在某些點源性的污染，統(tǒng)計結(jié)果見表1。表1后湖農(nóng)場5種土壤重金屬元素質(zhì)量分數(shù)統(tǒng)計特征值

統(tǒng)計值含量MnCuZnPbCd最大值（mg/kg）539.46753.186193.35536.092.821最小值（mg/kg）480.20822.93048.55015.4900.030中值（mg/kg）506.03039.370104.33025.8201.160平均值（mg/kg）504.91039.590108.15025.8601.180CV（%）3.75020.90027.21019.87058.630概率分布模型

Weibull

（452.8，59.1，3.05）Beta

（20.64，55.17，1.88，1.54）Lognormal

（108.2，29.3，-43.7）Logistic

（25.92，2.93）Beta

（-0.27，4.36，2.79，6.11）湖北土壤背景值（mg/kg）642.030.783.626.70.172

根據(jù)Monte Carlo 模擬獲得的5種重金屬的概率密度分布函數(shù)，在Excel軟件中，利用Crystal Ball軟件將5種重金屬Ci定義為假設(shè)變量，將5種重金屬的生物毒性響應(yīng)因子Tir定義為決策變量，將5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險因子Eir和多種金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI定義為預(yù)測值。利用Crystal Ball軟件，在95%置信度的條件下，對Ci進行20 000次隨機取樣的Monte Carlo模擬，獲得Eir和RI的預(yù)測值概率密度分布（圖1）。5種重金屬Eir預(yù)測值的概率分布函數(shù)與5種重金屬濃度的概率分布函數(shù)類型相同（表1）中的概率分布模型，而多種金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI的預(yù)測值服從Beta分布。

對于重金屬潛在生態(tài)危害的評價，經(jīng)典的Hakanson指數(shù)評價了8種污染物[7]，本研究僅評價了5種重金屬的潛在生

態(tài)危害，由于評價的重金屬數(shù)量上的調(diào)整，評價指標Cif保持不變的情況下Cd需要做相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者風(fēng)險評價指標體系的研究[16-18]，本研究采用的潛在生態(tài)危害指數(shù)評價分級標準如表2所示。表2Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)評價分級標準

CfCd污染程度EirRI風(fēng)險程度Cif<1Cd<8輕度污染Eir<40RI<150低潛在生態(tài)危害1≤Cif<38≤Cd<16中度污染40≤Eir<80150≤RI<300中等潛在生態(tài)危害3≤Cif<616≤Cd<32重度污染80≤Eir<160300≤RI<600較高潛在生態(tài)危害Cif≥6Cd≥32非常重污染160≤Eir<320-高潛在生態(tài)危害[4]Eir≥320RI≥600極高潛在生態(tài)危害

利用Crystal Ball軟件對Eir和RI的預(yù)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到Mn、Cu、Zn、Pb、Cd等5種重金屬的Eir平均值分別為0.79、6.47、1.29、4.85和206.2；由Crystal Ball軟件計算出不同概率條件下各重金屬Eir和多種金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI（表3），通過與潛在生態(tài)危害指數(shù)評價分級標準進行比較，得到不同概率條件下的污染程度和潛在生態(tài)危害等級（表4）。在評價區(qū)域內(nèi)，Mn、Cu、Zn、Pb的污染程度很低，100%處于低潛在生態(tài)危害程度以內(nèi)。Cd的潛在生態(tài)危害等級較高，處于低潛在生態(tài)危害、中等潛在生態(tài)危害、較高潛在生態(tài)危害、高潛在生態(tài)危害、極高潛在生態(tài)危害的概率分別為6.33%、880%、2403%、42.74%、18.10%，因此，對于評價區(qū)域Cd的污染應(yīng)該給予足夠重視。通過對評價區(qū)域多種金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI分析得出，該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬處于低潛在生態(tài)危害、中等潛在生態(tài)危害、較高潛在生態(tài)危害、極高潛在生態(tài)危害的概率分別為31.35%、43.92%、24.63%、0.10%，判斷評價區(qū)域處于中等潛在生態(tài)危害等級。

污染等級概率（%）MnCuZnPbCd RI低生態(tài)危害1001001001006.3331.35中等生態(tài)危害00008.8043.92較高生態(tài)危害000024.0324.63高生態(tài)危害000042.74-極高生態(tài)危害000018.100.10

2.2重金屬濃度的參數(shù)敏感性分析

敏感性分析就是令模型的每個參數(shù)在可能取值的變化范圍內(nèi)變動，預(yù)測這些參數(shù)的變動對模型輸出值的影響程度，將影響程度的大小稱為參數(shù)的敏感性系數(shù)，實質(zhì)就是研究參數(shù)變化所引起的模型響應(yīng)[19-20]。通過考察Mn、Cu、Zn、Pb、Cd 5個參數(shù)在取值范圍內(nèi)的變化對RI的影響程度，確定各參數(shù)的敏感性系數(shù)，通過對敏感性系數(shù)大小的分析，來判斷各參數(shù)對評價結(jié)果的影響程度，重點考慮敏感性系數(shù)較大的參數(shù)。利用Crystal Ball軟件對評價區(qū)域的Hakanson潛在生態(tài)危害評價的5種重金屬Ci進行參數(shù)敏感性分析（圖2）。 評價區(qū)域?qū)I起主導(dǎo)作用的是Cd，敏感性系數(shù)達99.1%，Mn、Cu、Zn、Pb對RI影響很小，這主要是由于評價區(qū)域Mn、Cu、Zn、Pb數(shù)值較低，在評價區(qū)域都處于低生態(tài)危害程度，多金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI對于這4種重金屬濃度的敏感性非常低。

3結(jié)論

將Monte Carlo模擬技術(shù)應(yīng)用于Hakanson潛在生態(tài)危害評估中，可以很好規(guī)避由于所評價區(qū)域重金屬含量的不確定性所造成的風(fēng)險評估誤差，對需要考慮不確定性因素的評估有一定指導(dǎo)意義。

從評價結(jié)果可以看出，評價區(qū)域總體處于中等潛在生態(tài)危害等級。江漢平原后湖地區(qū)作為糧棉油的中高產(chǎn)區(qū)，Cd處于較高的風(fēng)險等級，處于較高潛在生態(tài)危害及以上的風(fēng)險概率達84.87%，對于該地區(qū)土壤中的Cd污染應(yīng)該引起重視。

對評價區(qū)域Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)的敏感性分析表明，評價區(qū)域?qū)Χ喾N金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI起主導(dǎo)作用的是Cd，敏感性系數(shù)達到了99.1%。

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