1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金项目()江苏省自然科学基金项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.刘静刘仁志张瀚文邹长新张志娇.东江下游流域突发性重金属复合污染生态风险评价.生态学报():.():.东江下游流域突发性重金属复合污染生态风险评价刘 静刘仁志张瀚文邹长新张志娇 生态环境部南京环境科学研究所南京 北京师范大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室北京 生态环境部环境规划院战略规划所北京 广东省环境科学研究院环境风险与损害鉴定评估研究所广州 摘要:流域突发性重金属污染事件发生不确定性较高难以预测和防控严重威胁流域生态安全、人群健康乃
2、至社会稳定 本研究以东江下游流域为研究区开展生态风险评价基于“多风险源(危险性)多胁迫因子(联合暴露)多风险受体(脆弱性)生态风险”的风险传递框架运用贝叶斯网络计算东江下游流域突发性 复合污染生态风险概率化表征风险不确定性进而提出流域风险防控与管理措施 结果表明:()东江下游深莞惠地区 家涉重金属风险源均会对其子流域造成生态风险惠州市的生态风险明显高于深圳市和东莞市()东江下游西枝江子流域的生态风险最为显著其次是东江下游干流子流域和东江下游河网区子流域()基于敏感性分析“河流水体脆弱性”是造成东江下游流域生态风险的主导因子 研究结果可为东江下游流域生态风险防控与管理提供理论支持关键词:东江下游
3、突发性重金属复合污染贝叶斯网络生态风险 :.“”.()().()().()“”.:/.:流域生态风险评价是流域风险防控与管理决策的科学依据和主要技术支撑 生态风险评价大多基于已有经验或证据预测风险源对生态系统造成有害影响的可能性通常存在较高的不确定性 因此明确风险传递过程中不确定性的来源及大小是流域生态风险评价的关键 目前流域突发性水污染的风险评价多在河流、湖泊或水库等微观尺度水体进行明确了“多风险源多风险受体”的风险传递链通过定性的风险评估方法如风险矩阵法、模糊评价法、多属性决策分析法、相对风险评估法等对不同区域间的风险水平进行比较和评估 但流域水文环境复杂风险源与风险受体众多多因素叠加与耦
4、合使得流域系统风险不确定性显著增高 已有研究较少能反映风险源对风险受体的生态风险传递机制在一定程度上削弱了生态风险评价的科学性与准确性 近年来贝叶斯网络()作为概率论和图形论相结合的概率风险评价方法在图形化表征风险要素传递关系的同时亦可实现风险的概率化推理与不确定性的定量化表达 目前贝叶斯网络在流域累积性生态风险和人体健康风险的评价与表征中已有所应用为流域突发性重金属复合污染的生态风险评价研究提供了新思路东江流域是我国华南地区最重要的饮用水水源地之一为惠州、东莞、深圳、香港等地区提供生产、生活和生态用水 东江下游(观音阁到石龙)及其河网地区(石龙到泗胜围)作为珠江三角洲区域的典型电镀区涉重金属
5、企业繁多 重金属元素具有易积累、难降解、迁移性强、生物毒性显著且难以修复 突发性重金属污染一旦发生大量重金属污染物迅速涌入东江下游造成河流水质恶化将极大威胁人口密集且经济发达的惠州、东莞、深圳乃至香港地区造成难以估量的损失 因此东江下游流域作为广东省突发环境污染事件发生几率最高和风险重点防控区域亟需进行科学、定量的流域突发性重金属污染的生态风险评价提出合理且准确的风险防控措施保障经济社会的可持续发展本文基于贝叶斯网络对东江下游流域突发性 复合污染生态风险传递过程进行概率分析与因果推理构建了流域“多风险源(危险性)多胁迫因子(联合暴露)多风险受体(脆弱性)生态风险”的风险传递网络实现生态风险不确
6、定性的定量化表征从而推动流域突发性重金属污染风险评价的概率化进程 研究方法.研究区概况东江下游(观音阁至石龙)及其河网地区(石龙至入海)行政区隶属于广东省的惠州市、东莞市和深圳市其主要支流包括增江、西枝江、淡水河、石马河等如图 所示 东江下游及河网区的电子电镀等产业发展迅速基于广东省工业企业污染排放及处理利用情况(年)和东江流域优先控制污染物清单本文共筛选出电镀风险源企业 家包括:深圳市 家()、东莞市 家()和惠州市 家()东江下游流域作为广东省重金属污染防治“十三五”规划的国家重防控区工业类型以电子、电镀为主流域内重金属浓度水平较高重金属离子(、等)在下游及河网区广泛检出支流西枝江污染尤为
7、严重枯水期较丰水期浓度稍高 其中工业废水的排放即电子电镀的行业排放废水为东江下游水体中重金属复合污染的主要来源.数据来源与处理()电镀风险源数据:广东省工业企业污染排放及处理利用情况(年)、广东省环境统计数据(年)、广东省生产化学品环境调查技术报告(年)、广东省统计年鉴(年、年)、东江流域优先控制污染物清单部分涉重金属企业风险评估报告与应急预案(如东莞市麻涌镇豪丰电镀、印染生 态 学 报 卷:/.图 研究区范围.基地风险评估报告与应急预案)等()风险传递数据:东江下游河道地形图(惠州水位站东江口 年)、东江下游水文站(博罗、淡水和惠阳)的逐日水位、流量数据(年)、潮位站(石龙(二)、石龙(樊屋
8、)和新家埔)逐日潮位数据(年)、东江下游干流、支流(西枝江)及河网区重金属在地表水及沉积物中的本底浓度分布情况()风险受体数据:在实地调研与资料收集的基础上基于广东省 土地利用现状数据图(年)、珠三角地区 数据提取东江下游水系空间分布图采用 的 水文分析模型将东江下游划分为 个子流域如图 所示 而后基于东江下游水库分布情况、广东省断面监测数据、广东省饮用水源保护区及地表水环境功能区划情况、广东省禁止开发名录等数据获得各子流域饮用水水源地、自然保护区和森林公园等风险受体的分布情况如图 所示.基于贝叶斯网络的生态风险评价方法.贝叶斯网络结构本文基于“多风险源(危险性)多胁迫因子(联合暴露)多风险受
9、体(脆弱性)生态风险”的风险传递机制构造的贝叶斯网络如图 所示 首先从风险要素入手在每个子流域(风险评价单元)中将风险源危险性、胁迫因子联合暴露、风险受体脆弱性等随机变量定义为贝叶斯网络中的节点 其次将风险传递过程概化为地理空间实体属性之间的关系构建贝叶斯网络的拓扑结构 而后将风险源危险性评价结果、突发性重金属急性暴露的迁移归趋模拟结果、基于 函数的重金属急性联合暴露概率分布结果及风险受体脆弱性评价结果以条件概率表的形式在贝叶斯网络中整合与汇总基于贝叶斯网络的因果推理自动计算东江下游突发性重金属复合污染的生态风险概率分布.节点参数化在贝叶斯网络中节点参数化是将随机变量的状态定义为离散化的数值从
10、而规范风险评价中的评价条件与标准实现“多风险源多风险受体”风险传递的定量化计算与比较为后续风险管理提供数据支撑 图 所示的风险节点参数化过程阐述如下:期 刘静 等:东江下游流域突发性重金属复合污染生态风险评价:/.图 流域突发性重金属复合污染生态风险的贝叶斯网络结构.()风险源危险性“风险源危险性(存在/不存在)”是指风险源(涉重金属企业)发生突发性重金属污染的可能性大小取决于父节点“风险物质危险熵(危险/不危险)”和“风险控制水平(存在/不存在)”的风险源危险性评价结果其中基于企业突发环境事件风险分级方法()“风险物危险熵()”的计算方法为:()式中为每一种胁迫因子(重金属离子)的储存量为风
11、险物质的临界量“风险控制水平”则是指企业是否存在突发水环境事件发生情况及相应的水环境风险应急防控措施细分为事故废水收集、生产废水排放与处理、风险物质储存与管理、近 年内突发性水污染事件发生情况等评价要素如表 所示()胁迫因子联合暴露风险源发生突发性重金属污染时风险源对风险受体的急性暴露不仅会因多胁迫因子的共同暴露程度的不同而不同还会随河流水体迁移而造成其暴露范围的不同 因此本文构造了“联合暴露程度(零暴露/低暴露/中暴露/高暴露)”、“急性暴露范围(零暴露/低暴露/中暴露/高暴露)”和“急性生态暴露(零暴露/低暴露/中暴露/高暴露)”三个节点定量化表征胁迫因子的联合暴露 其中“联合暴露程度”是
12、指两种重金属急性联合暴露发生的可能性大小由重金属联合暴露概率分布模型(详见.节)计算而来“急性暴露范围”则是指突发性重金属复合污染对整个子流域的影响范围即在突发性重金属复合污染发生的过程中重金属在水体中超过某一急性浓度标准时的最大暴露范围计算方法为:()()生 态 学 报 卷:/.式中()为“急性暴露范围”的状态(零暴露/低暴露/中暴露/高暴露)为突发性重金属污染在某一状态下的最大暴露距离 为暴露子流域内的河流长度表 企业环境风险控制水平()的评价要素与评价依据 ()评价要素 评价依据 事故废水收集 是否设有应急事故水池、事故存液池、清净废水排放缓冲池等 是否存在足够的缓冲容量在事故情景下确保
13、泄漏物和消防水顺利收集 是否能将事故废水运输至污水处理设备中处理污水截流 是否设置防腐蚀、防渗漏、防流失、防淋溶措施 是否存在排水切换阀并确保雨水系统的阀门处于关闭状态而事故废水应急设备与污水处理设备的阀门处于开放状态 是否设置自动阀门切换系统或专人负责雨水排水系统风险防控 是否存在雨水收集设备 是否存在雨水在线监控系统 若设有排洪沟是否存在阻断污染物进入排洪沟的应急方案生产废水排放与处理 是否存在生产废水产生或外排 生产废水若存在则是否进入工业企业废水集中处理厂、城镇污水处理厂等 生产废水若外排则是否设有:生产废水排放监控系统、事故废水缓冲系统、雨水、消防水、受污染的循环冷却水等处理系统 若
14、未依法取得污水排入管网许可是否直接外排进入地表水体中或进入蒸发地、灌溉农田中风险物质储存与管理 是否存在风险物质分区储存、运输与处置的防控与应急措施近 年突发性水污染发生情况 是否发生一般、较大、重大及特别重大等级的突发性水污染事件()风险受体脆弱性基于生态实体功能的不同本文将风险受体设定为河流水体、饮用水水源地和敏感生态受体(森林公园和自然保护区)其脆弱性以生态实体暴露范围的大小来衡量 其中“饮用水水源地脆弱性(零脆弱性/低脆弱性/中脆弱性/高脆弱性)”重点关注“饮用水水源地范围”及其“服务人口密度”“河流水体脆弱性”、“敏感生态受体脆弱性”和“饮用水水源地范围”的概率分布计算方法为:()(
15、)式中()为“河流水体脆弱性”、“敏感生态受体脆弱性”和“饮用水水源地范围”的状态为暴露于突发性重金属污染的面积 为整个子流域的面积“服务人口密度(零密度/低密度 人/)”的概率分布基于隶属度函数计算得出 服务人口密度越大则脆弱性越高对生态风险起增强作用为负向型要素本文采用降半梯形分布隶属函数进行隶属度计算基于 软件(:/./)编程实现计算方法为:()()式中、为评价指标端点值()生态风险风险节点“生态风险”作为贝叶斯网络的评价终点其概率分布由风险源危险性、胁迫因子联合暴露、风险受体脆弱性共同推理得出离散为:零风险、低风险、中风险和高风险四种状态 期 刘静 等:东江下游流域突发性重金属复合污染
16、生态风险评价:/.条件概率表在贝叶斯网络中条件概率表是指在两个或多个输入节点不同状态的组合情景下输出节点不同状态的条件概率分布 基于条件概率表流域突发性重金属复合污染的生态风险传递网络可以实现概率化的推理与定量化的表征 基于数据的可得性本文主要采取模型模拟和专家判断计算风险节点之间的条件概率具体阐述如下:()重金属联合暴露概率分布模型重金属污染物在水体中通常以溶解态或吸附态存在 本文基于东江下游重点风险源企业名单、流域优先控制污染物清单、风险源企业基本排放信息等风险源数据选取电镀废水中浓度最高且最常见的 组合为优先模拟重金属离子确定其最大泄漏量及其在东江下游干流、支流及河网区的地表水和沉积物中
17、溶解态及吸附态/的本底浓度值 基于河流边界、河道地形、地表径流等水文数据借助 和 模块构建流域突发性重金属污染迁移归趋模型 基于最大可信事故理论假设每家电镀风险源中的电镀废水以泄漏发生时的瞬时流量(每一家风险源的数值有所不同)直排入东江下游流域持续排放 模拟研究区内 家风险源发生突发性水污染的迁移归趋过程预测单一重金属急性暴露的时空浓度分布规律 在此基础上计算单一重金属离子超出急性暴露浓度标准的累积概率分布函数而后利用 函数建立风险胁迫因子联合暴露的二元 分布定量化表征风险源与风险受体间的急性暴露水平 函数又称连接函数在构建任意边缘分布的随机变量的联合分布函数的同时又能准确反映随机变量的相关性
18、结构包含随机变量的所有信息具有较高的灵活性与适应性 函数的通用表达式为:()()()()式中、为边缘分布函数 为参数 若边缘分布 ()和 ()是连续的 则()是唯一的 本文选取阿基米德 函数中的、和 函数分别构建突发性 复合污染的联合概率分布函数而后基于平方欧式距离 开展 函数的拟合度检验选取最优二元 函数分布模型开展联合暴露概率计算()专家判断专家判断作为生态风险评价中应用较为广泛的方法之一是贝叶斯网络中先验概率分布的重要来源将其引入流域生态风险评价的最大优势在于在数据缺乏的复杂环境系统中定性化的经验知识可以与定量化的模拟预测结果在贝叶斯网络中汇总、概率推理与计算 本文采用专家判断与线性插值
19、相组合的方法构建部分节点(如“风险源危险性”“风险受体脆弱性”“生态风险”)的条件概率表 首先将完全不可能发生状态的条件概率设置为 完全可能发生状态的条件概率设置为 其次选择需要进行专家判断的随机变量之间的不同状态的组合情景邀请风险专家、利益相关者(企业负责人)、风险管理者等完成其他情景下的条件概率表 而后计算插值系数完成其余情境下的条件概率表的内插与构建.风险计算与表征本文选取贝叶斯网络计算软件.(:/./)实现流域突发性重金属复合污染生态风险传递网络的构建与概率推理(如图 所示)在单一风险源生态风险分布结果的基础上基于等间隔分类法将目标节点“生态风险”的四种状态在区间之间等间隔离散:.“零
20、风险”、.“低风险”、.“中风险”和.“高风险”计算每个子流域在不同风险源暴露时的叠加风险得到子流域的风险分布结果的排序 最后利用 空间分析软件(:/./)将生态风险计算结果在流域尺度上进行空间汇总与综合表征实现流域突发性重金属复合污染生态风险分布的空间化表达.敏感性分析敏感性分析是量化贝叶斯网络中随机变量敏感程度的方法可以诊断出哪些输入节点对目标节点的影响生 态 学 报 卷:/.最大从而实现风险管理目标的筛选与优化 本文采用离散型随机变量的敏感性分析方法 交叉熵法对目标节点“生态风险”开展敏感性分析比较分析不同风险要素(“风险源危险性”“急性暴露”“风险受体脆弱性”)的交叉熵大小 交叉熵越大
21、风险节点对目标节点的影响程度和贡献水平越高 本文利用.软件进行生态风险的敏感性分析 结果分析.单一风险源生态风险评价结果基于东江下游不同子流域之间的空间差异性本文以东江下游支流西枝江子流域、河网区子流域及干流子流域 中三家典型电镀风险源(重大风险源)、(较大风险源)和(一般风险源)为例(如图 所示)具体结果分析如下:期 刘静 等:东江下游流域突发性重金属复合污染生态风险评价:/.图 单一风险源在其暴露子流域的贝叶斯网络.、基于“风险物质危险熵”和“风险控制水平”的电镀风险源危险性评价结果风险源、和 的危险性“存在”的可能性分别为:、.和.分别为重大风险源、较大风险源和一般风险源 上述三家风险源
22、发生突发性重金属复合污染时基于突发性重金属污染迁移归趋模拟结果和 函数的急性联合暴露概率分布模拟结果风险源、和 风险节点“急性生态暴露”的“高暴露”的概率依次为:.、.和.与“风险源危险性”的排序一致即电镀风险源危险性水平越高则发生急性生态暴露的可能性越大基于重金属离子、在河流水体中的迁移转化特性及其在各子流域内的暴露范围西枝江子流域、河网区子流域及干流子流域 的“河流水体脆弱性”、“敏感生态受体脆弱性”及“饮用水水源地脆弱性”的“影响”/“高脆弱性”的概率分别为:.、.、.、.、.、.、.基于概率推理在上述三个节点的共同影响下三个子流域节点“风险受体脆弱性”的“高脆弱性”的概率分布依次为:.
23、、.和.将上述所有风险节点的概率分布在图 所示的贝叶斯网络中汇总基于贝叶斯定理和自上而下的因果推理风险源 在西枝江子流域、风险源 在河网区子流域、在干流子流域 均会造成生态风险发生“高风险”的概率依次为:.、.和.由此可见风险源危险性越高、胁迫因子联合暴露越高、风险受体脆弱性越高则生态风险越高.多风险源生态风险评价结果如图 所示东江下游 家电镀风险源均会对其暴露子流域造成生态风险 按行政区统计深圳市生态风险最高的 家电镀风险源为:(.)、(.)和(.)均位于西枝江子流域 惠州市生态风险最高的 家电镀风险源为:(.)、(.)和(.)均位于增江子流域但均对东江干流子流域 和河网区干流子流域造成威胁
24、东莞市生态风险最高的 家电镀风险源为:(.)、(.)和(.)均位于河网区干流子流域 综合来看惠州市电镀风险源风险值超过.的有 家(、位于西枝江子流域、位于干流子流域同时对河网区子流域产生生态风险)、深圳市 家(位于西枝江子流域)、东莞市 家 惠州市的生 态 学 报 卷:/.生态风险明显高于深圳市和东莞市图 东江下游电镀风险源生态风险分布.流域生态风险空间特征东江下游突发性 复合污染的生态风险评估结果如图 所示 生态风险分布由高至低分别为:西枝江子流域(.)、三角洲河网子流域(.)、干流子流域(.)、增江子流域(.)和公庄水子流域(.)这主要是由于电镀风险源企业主要集中于上述子流域且突发性污染一
25、旦发生重金属 期 刘静 等:东江下游流域突发性重金属复合污染生态风险评价:/.污染物随河流水体而迁移积累 其中西枝江子流域 突发性重金属复合污染生态风险最高受到深圳市 家电镀风险源()和惠州市 家电镀风险源()的共同威胁 河网区子流域生态风险次之主要受东莞市 家电镀风险源()及其上流东江干流的惠州市 家电镀风险源(、和)的影响 干流子流域 则由于惠州市 家电镀风险源()的威胁为东江下游干流中生态风险最高的子流域图 东江下游突发性重金属复合污染生态风险分区图.敏感性分析东江下游典型风险源、和 的评价终点“生态风险”的敏感性分析结果如图 所示 计算结果表明 家风险源交叉熵最大的均为“风险受体脆弱性
26、”和“河流水体脆弱性”即风险受体的脆弱程度尤其是河流水体的脆弱性程度对评价终点“生态风险”的概率分布贡献最大“急性生态暴露”是仅次于风险受体脆弱性的敏感因子对评价终点“生态风险”的概率分布贡献次之 对于东江下游河网区子流域风险源 和干流子流域“风险源危险性”也同样值得关注 因而在东江下游流域突发性重金属复合污染的风险防控中应优先考虑保护风险受体和切断急性暴露途径对于东江下游干流流域和河网区流域除上述风险管理措施外同时应兼顾风险源的防控与管理 讨论流域突发性重金属污染生态风险评价不仅要明确风险要素之间的风险传递关系还应预测风险传递的可能性及后果 可变性和不确定性是风险最突出的特性而鉴于定量化概率
27、分析的复杂与困难大多数生态风险评价仍以潜在生态风险指数、生态风险比值等定性或半定量的非概率方法开展研究由此造成了风险预防不足或预防过度的局面 本文回归风险的本质 概率借助贝叶斯网络的定量化、概率化和网络化的优势构建了“多风险源(危险性)多胁迫因子(联合暴露)多风险受体(脆弱性)生态风险”的流生 态 学 报 卷:/.图 典型风险源、和 生态风险的敏感性分析图.域突发污染生态风险评价方法 以典型风险源 为例基于贝叶斯网络的拓扑结构其发生突发性重金属污染的风险传递关系可以图形化表征为风险源危险性与胁迫因子联合暴露间的因果关联以及胁迫因子联合暴露与风险受体脆弱性之间的耦合关系如图 所示 基于条件概率表
28、风险源 危险性(“存在”)、急性生态暴露(.“高暴露”)、风险受体脆弱性(.“高脆弱性”)的不确定性均可以在贝叶斯网络中进行整合汇总与概率计算推理出其生态风险的概率分布暨风险源 一旦发生重金属泄漏有.概率造成流域生态环境“低风险”、.概率为“中风险”以及.造成“高风险”实现流域突发性重金属污染生态风险的定量化评估与比较(如图 所示)从而有望推动流域生态风险表征的概率化进程生态风险分布结果表明突发性 复合污染将会对东江下游流域造成较为严重的生态风险 东江下游西枝江子流域、三角洲河网区子流域和干流子流域 的生态风险最为显著其余子流域则生态风险较小或不存在 流域生态风险水平受风险源的数量和危险性水平
29、、风险受体的数量和脆弱性水平以及胁迫因子(重金属离子、)的暴露程度与暴露范围等所有风险要素的共同影响 其中西枝江子流域 重大/较大电镀风险源数目最多(家相较于总数 家)、胁迫因子联合暴露可能性最高、风险受体(饮用水水源地和敏感风险受体)分布最为密集因而生态风险最为显著 此外东江下游生态风险最敏感的因子为“风险受体脆弱性”的父节点“河流水体脆弱性”敏感性分析的结果表明在东江下游突发性重金属复合污染生态风险防控中要优先考虑保护风险受体切断暴露途径和风险源防控次之 可以为流域风险管理与决策的制定提供理论依据本文研究方法也存在一些局限性包括:()基于贝叶斯网络的流域生态风险评价中部分风险节点如涉重金属
30、风险源危险性、风险受体脆弱性等离散化过程以专家判断为主存在一定的主观性可能会造成计算过程中信息的缺失()鉴于流域突发性重金属污染事件大多尚未发生本研究构建的流域突发性重金属污染迁移归趋模型的水质模拟部分无法进一步校验与率定 未来将继续开展实地调研与统计研究开展验证性实验细化风险源危险性和风险受体脆弱性的评估准则进一步完善流域生态风险评价的方法和手段为风险管理与决策分析提供更全面的理论支持 期 刘静 等:东江下游流域突发性重金属复合污染生态风险评价:/.结论本文基于贝叶斯网络构建了流域“多风险源(危险性)多胁迫因子(联合暴露)多风险受体(脆弱性)生态风险”风险传递网络开展了东江下游流域突发性 复
31、合污染生态风险评价获得了如下主要结论:()东江下游 家风险源均会对其影响的子流域造成生态风险()东江下游 个子流域中 个子流域存在生态风险 突发性重金属复合污染生态风险分布最高的三个子流域依次为:西枝江子流域、河网三角洲子流域和干流子流域()敏感性分析结果表明风险要素“风险受体脆弱性”的父节点“河流水体脆弱性”是造成东江下游生态风险的主导因子()基于贝叶斯网络的流域突发性重金属复合污染生态风险评价方法可以将风险传递要素(风险源危险性、胁迫因子联合暴露、风险受体脆弱性)及其计算结果在贝叶斯网络中表征和汇总实现流域生态风险传递的因果推理与概率计算定量化表征生态风险的不确定性参考文献():周婷 蒙吉
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