基于多变量和PMF模型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多变量和PMF模型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法，包括以下步骤：S1样品采集；S2样品检测；S3重金属污染程度评价；S4潜在生态危害评价；S5重金属溯源分析：S5

【技术实现步骤摘要】
基于多变量和PMF模型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法


[0001]本专利技术涉及黑臭水体治理
，具体是涉及一种基于多变量和PMF模 型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法。

技术介绍

[0002]城市河流是城市生态环境的重要载体，对城市防洪排涝、水路运输和景观 美化等方面起到了重要作用。但由于其相对封闭，自净能力及水体更新速度不 及大江大河，因而易受沿岸排放的污染物影响较为严重。由于大量污染物的排 放入水体，水体中化学需氧量(COD)、氮(N)、磷(P)等污染物浓度超标， 河流水体污染严重，水体出现季节性或终年黑臭。而底泥通常是河流中污染物 的最终归宿，通过各种途径进入水体的污染物，在一系列物理、化学、生物作 用下沉积到底泥中。同时，当固液界面的性质发生变化时，“储蓄库”——底 泥中的污染物可能将再次释放出来从而对水生生态系统产生危害。
[0003]黑臭水体中的污染物不仅是氮磷营养盐、还包括重金属以及其他持久性有 机污染物。由于重金属具有较强的生物毒性，且在环境中能够持久稳定保持， 以及生物放大效应强，底泥中的重金属污染日益受到关注。国内外学者对城市 河道底泥中重金属的累积程度及潜在生态环境风险都开展了评价和研究。不同 城市河道底泥中重金属的生态风险表现不同，例如，在杭州市区的河道底泥中 重金属的潜在生态风险顺序为Hg>Cd>Pb>Cu>As>Zn>Ni>Cr，其中Hg和Cd是 主要的潜在生态风险因子；在江苏省的重金属防控区域内河道底泥中重金属的 潜在生态风险依次为Cd>Hg≈Pb>As；南通市区河道底泥中重金属的潜在生态 风险则表现为Hg>Cu>Zn>Cr>Pb；合肥市区河道底泥中重金属的生态危害顺序 为Hg>Cd>Cu>As>Zn>Pb>Cr。
[0004]底泥重金属治理也是黑臭河道水体整治的重要内容，是保障河道生态系统 恢复健康的重要保障，而对底泥重金属开展溯源分析对于黑臭水体治理及其区 域性环境管理政策的提出具有重要意义。底泥中的重金属主要来自自然源和人 为源。基岩的化学淋溶作用、流域的排水作用、河岸的地表径流等属于自然源。 城市和工业废水的排放、矿物燃料的燃烧、采矿和冶炼、加工制造业以及包括 倾倒在内的废物处理等属于人为源。尤其是城市环境基质(如大气、土壤和水体) 中的重金属多数来自人为源。
[0005]目前，同位素示踪是重金属污染源解析较为有效的方法之一，但是由于其 测定条件的限制，难以大规模广泛应用。因此需要提出更为有效地重金属污染 源解析方法。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的问题，本专利技术提供了一种基于多变量和PMF模型对黑臭水 体底泥重金属源的分析方法。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]基于多变量和PMF模型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法，包括以下步 骤：
[0009]S1样品采集：取若干河道断面作为采样点，在每个河道断面的两端和中间 分别通
过取样器对河道底泥进行采样，将采集到的底泥样品风干研磨并过2mm 筛网筛分，得到待测底泥颗粒；
[0010]S2样品检测：将待测底泥颗粒中的Hg、As、Cu、Ni、Cr、Zn、Cd和Pb 含量通过HCl
‑
HNO3‑
HF
‑
HClO4电热板消解原子吸收分光光度计进行测定，待测 底泥颗粒中的Hg和As元素采用王水水浴消解提取，随后通过原子荧光光谱仪 测定；
[0011]S3重金属污染程度评价：通过地累积指数法作为评价底泥中重金属污染程 度的指标；
[0012]S4潜在生态危害评价：通过潜在生态危害指数评价底泥污染程度及其潜在 生态危害；
[0013]S5重金属溯源分析：
[0014]S5
‑
1多变量统计分析：通过Pearson相关系数矩阵分析底泥中重金属含量 之间的相关性，说明不同重金属来源的一致性，利用主成分分析法PCA通过降 维的思维，从原始变量集中提取一部分称为主成分的潜在因素，分析底泥中重 金属的一级来源；
[0015]S5
‑
2正定矩阵因子分析：利用正定矩阵因子分析底泥中重金属的二级来源， 正定矩阵因子分析PMF的基本方程如下：
[0016][0017][0018]其中，X
ij
为第i个样品中第j种元素的含量，G
ik
为第k个因子对第i个样 品的贡献率，F
kj
为第k个因子中第j种元素的含量，E
ij
为第i个样品中第j种元 素的残差，p为因子个数，PMF模型运用样品含量及不确定度u
ij
进行迭代计算 得到较小的Q值，用于评价选定的因子数量是否合理，以得到最优的因子贡献 矩阵G和因子成分矩阵F的解。
[0019]进一步地，所述步骤S3中地累积指数法的计算公式为：
[0020][0021]其中，I
geo
为重金属地累积指数，C
i
为实测底泥中重金属质量分数，B
i
为普 通页岩中重金属元素的地球化学平均背景值，k为考虑当地岩石差异可能引起 的背景值的变动而取的变异系数取1.5；依据I
geo
值将底泥中重金属污染状况分 级，广泛用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标。
[0022]进一步地，所述步骤S4中潜在生态危害指数的计算公式为：
[0023]E
ri
＝T
ri
×
C
di
/C
ri
[0024]R
I
＝∑E
ri
[0025]其中，E
ri
为单个重金属的潜在生态危害系数，T
ri
为Hg、As、Cu、Ni、Cr、 Zn、Cd和Pb的毒性响应系数，分别为40、10、5、5、2、1、30和5，C
di
为样 品浓度实测值，C
ri
为计算所需的参照值，R
I
为多重金属潜在生态危害指数，潜 在生态危害指数是用于评价底泥污染程度及其潜在生态危害的一种相对快速、 简便和标准的方法。
[0026]更进一步地，所述C
ri
参照值采用工业化以前底泥中重金属的最高背景值， 以
GB15618
‑
1995自然背景值作为参比，具有良好的对比性。
[0027]进一步地，所述步骤S5
‑
1中PCA的有效性是用Kaiser
‑
Meyer
‑
Olkin和 Bartlett球度p进行检验，其中KMO>0.5，p&am本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多变量和PMF模型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1样品采集：取若干河道断面作为采样点，在每个河道断面的两端和中间分别通过取样器对河道底泥进行采样，将采集到的底泥样品风干研磨并过2mm筛网筛分，得到待测底泥颗粒；S2样品检测：将待测底泥颗粒中的Hg、As、Cu、Ni、Cr、Zn、Cd和Pb含量通过HCl
‑
HNO3‑
HF
‑
HClO4电热板消解原子吸收分光光度计进行测定，待测底泥颗粒中的Hg和As元素采用王水水浴消解提取，随后通过原子荧光光谱仪测定；S3重金属污染程度评价：通过地累积指数法作为评价底泥中重金属污染程度的指标；S4潜在生态危害评价：通过潜在生态危害指数评价底泥污染程度及其潜在生态危害；S5重金属溯源分析：S5
‑
1多变量统计分析：通过Pearson相关系数矩阵分析底泥中重金属含量之间的相关性，说明不同重金属来源的一致性，利用主成分分析法PCA通过降维的思维，从原始变量集中提取一部分称为主成分的潜在因素，分析底泥中重金属的一级来源；S5
‑
2正定矩阵因子分析：利用正定矩阵因子分析底泥中重金属的二级来源，正定矩阵因子分析PMF的基本方程如下：因子分析PMF的基本方程如下：其中，X
ij
为第i个样品中第j种元素的含量，G
ik
为第k个因子对第i个样品的贡献率，F
kj
为第k个因子中第j种元素的含量，E
ij
为第i个样品中第j种元素的残差，p为因子个数，PMF模型运用样品含量及不确定度u
ij
进行迭代计算得到较小的Q值，用于评价选定的因子数量是否合理，以得到最优的因子贡献矩阵G和因子成分矩阵F的解。2.根据权利要求1所述的基于多变量和PMF模型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法，其特征在于，所述步骤S3中地累积指数法的计算公式为：其中，I
geo
为重金属地累积指数，C
i
为实测底泥中重金属质量分数，B
i
为普通页岩中重金属元素的地球化学平均背景值，k为考虑当地岩石差异可能引起的背景值的变动而取的变异系数取1.5；依据I
geo
值将底泥中重金属污染状况分级。3.根据权利要求1所述的基于多变量和PMF模型对黑臭水体底泥重金属源的分析方法，其特征在于，所述步骤S4中潜在生态危害指数的计算公式为：E
ri
＝T
ri
×
C
di
/C
ri
R
I
＝∑E
ri
其中，E
ri
为单个重金属的潜在生态危害系数，T
ri
为Hg、As、Cu、Ni、Cr、Zn、Cd...

【专利技术属性】
技术研发人员：范婷婷，邓绍坡，杨敏，孔令雅，彭立，姜登登，李旭伟，
申请(专利权)人：生态环境部南京环境科学研究所，
类型：发明
国别省市：