基于Monte Carlo模拟的潜在生态危害评价

曲春风+李保华+葛长字

摘要：将Monte Carlo模拟引入到Hakanson潜在生态危害指数评价中，可以有效地解决由于评价区域重金属浓度随机性和不确定性造成的评价风险，将其应用于后湖农场土壤中重金属Mn、Cu、Pb、Zn、Cd的潜在生态危害评估。结果表明，评价区域总体处于中等潜在生态危害等级；Cd处于较高的风险等级，处于较高潜在生态危害及以上的风险概率达到了84.87%。通过敏感性分析，Cd含量的敏感性系数达到了99.1%，对于该区域的潜在生态危害起主导作用。

关键词：Monte Carlo模拟；Hakanson潜在生态危害指数；敏感性分析

中图分类号： X825文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0320-03

收稿日期：2013-09-10

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2011BAD13B02）。

作者简介：曲春风（1981—），男，山东牟平人，硕士，实验师，研究方向为环境生态学。Tel：（0631）5688551；Email：qcf_81@163.com。

通信作者：葛长字，博士，副教授。E-mail：changzige@ouc.edu.cn。由于人类的工农业生产活动，使得大量的重金属进入到土壤中，其赋存形态因生物活动而发生改变但不能降解，致使土壤中的重金属得以积聚[1]。土壤中的重金属除污染水质外，还通过食物链对人类健康造成危害[2]。土壤中重金属的环境监测、生态危害评价等成为国内外环境、生态等领域科学工作者关注的热点[3-4]。随着“镉大米事件”的曝光[5]，我国土壤重金属污染问题更加受到重视。目前，普遍采用的土壤重金属污染的评价方法有单因子指数法、地质累计指数法、内梅罗污染指数法、污染负荷指数法和潜在生态危害指数法等[6]。Hakanson提出的潜在生态危害指数法[7]综合考虑了重金属的生态毒性及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异影响，在国内外土壤、沉积物评价中得到广泛的应用[8-9]。该评价方法不仅受制于监测样品数量的有限性、区域污染物分布的时空不均匀性以及实测数据的误差性，而且对于重金属生态毒性的权重赋予具有一定的主观性。潜在生态危害指数法不能有效解决土壤中重金属污染评价的不确定性，即评价的风险性难以体现，而评价的风险性是决策的重要依据之一。将风险评价系统的不确定性引入到潜在生态危害指数中，将能更科学地评估土壤重金属污染的现状。本研究将Monte Carlo模拟引入到潜在生态危害指数法中，对土壤中的Mn、Cu、Pb、Zn、Cd等5种重金属的潜在生态危害及其风险性进行评估，并对各种重金属浓度的参数敏感性进行了分析。

1材料与方法

1.1基于Monte Carlo模拟的潜在生态危害评价方法

1.1.1Hakanson潜在生态危害指数法该方法由Hakanson于1980年提出，包含环境化学、生物毒理学、生态学等方面内容，常应用于沉积物及土壤的生态危害评价。基本公式为：

Cif=Ci/Cin

Cd=∑mi=1Cif

Eir=Tir·Cif

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

式中：Cif为金属i污染系数，Ci为金属i的实测浓度，Cin为金属i的背景值；Cd为多种金属综合污染程度；Tir为金属i的生物毒性响应因子；Eir为金属i潜在生态风险因子；RI为多种金属潜在生态危害指数。

1.1.2Monte Carlo模拟Monte Carlo模拟因著名的摩洛哥赌城而得名，又称为随机模拟，基本思想是根据待求随机问题的变化规律，根据物理现象本身的统计规律，或者人为的构造一个合适的概率模型，依照该模型进行大量的统计试验，使它的某些统计参量正好是待求问题的解[10]。随着计算机技术的快速发展，使得快速进行Monte Carlo模拟成了可能，通过计算机模拟随机过程，进行大量模拟试验，并统计计算结果。

1.1.3基于Monte Carlo模拟的潜在生态危害指数评价利用Monte Carlo方法进行土壤中重金属潜在生态危害评估：（1）通过实测重金属浓度确定各种重金属在土壤中分布的概率密度函数；（2）通过Monte Carlo方法对概率密度函数进行随机抽样，获得重金属在土壤中的分布浓度，通过Hakanson潜在生态危害指数的方法，对土壤重金属潜在生态危害进行评估。随机模拟过程及评价结果的计算由Crystal Ball 11.1软件进行。对于不同金属的生物毒性响应因子Tir值，本研究参考经典的Hakanson指数以及国内研究成果[11-13]，设定5种重金属Tir的顺序为：Cd=30>Cu=Pb=5>Zn=Mn=1。

1.2评价区域

后湖农场位于湖北省潜江市的中部，北倚汉水、南近长江，处于江汉平原腹地；四湖主干渠和东干渠在这里交汇，并有沟通长江、汉水间的内河航运。318国道、宜黄高速公路、襄岳公路在这里立体交汇，使后湖成为江汉平原乃至整个湖北中部一个新兴的水陆交通枢纽。后湖农场包括张家窑、天新、关庙、前湖、皇装烷、流塘6个分场，拥有耕地 3 000 hm2、林地900 hm2、水面1 300 hm2；重点发展粮、棉、油、渔、猪、果六大类产品，是湖北省粮棉油高产区[14]。后湖农场作为湖北省重要的粮食产区之一，对该地区土壤中的重金属进行潜在生态危害评价，对于促进生态农业，维护人体健康都有重要的现实意义。评价区域的重金属监测数据来自于聂燕博士学位论文[14]，土壤重金属浓度背景值选取湖北省土壤元素背景值[15]。

2结果与分析

2.1潜在生态危害评价指数

5种重金属中平均值只有Mn、Pb稍低于湖北省的土壤元素背景值，Cu、Zn、Cd的平均值都超标，超标倍数为Cd为6.86>Zn为1.29>Cu为1.28；测定的重金属Mn、Cu、Zn、Pb的变异系数都不高，在土壤中分布相对比较均匀，Cd的变异系数较大，为58.63%，即土壤中的Cd分布不均匀，可能存在某些点源性的污染，统计结果见表1。表1后湖农场5种土壤重金属元素质量分数统计特征值

统计值含量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

根据Monte Carlo 模拟获得的5种重金属的概率密度分布函数，在Excel软件中，利用Crystal Ball软件将5种重金属Ci定义为假设变量，将5种重金属的生物毒性响应因子Tir定义为决策变量，将5种重金属的潜在生态风险因子Eir和多种金属潜在生态危害指数RI定义为预测值。利用Crystal Ball软件，在95%置信度的条件下，对Ci进行20 000次随机取样的Monte Carlo模拟，获得Eir和RI的预测值概率密度分布（图1）。5种重金属Eir预测值的概率分布函数与5种重金属浓度的概率分布函数类型相同（表1）中的概率分布模型，而多种金属潜在生态危害指数RI的预测值服从Beta分布。

对于重金属潜在生态危害的评价，经典的Hakanson指数评价了8种污染物[7]，本研究仅评价了5种重金属的潜在生

态危害，由于评价的重金属数量上的调整，评价指标Cif保持不变的情况下Cd需要做相应的调整。根据国内外学者风险评价指标体系的研究[16-18]，本研究采用的潜在生态危害指数评价分级标准如表2所示。表2Hakanson潜在生态危害指数评价分级标准

CfCd污染程度EirRI风险程度Cif<1Cd<8轻度污染Eir<40RI<150低潜在生态危害1≤Cif<38≤Cd<16中度污染40≤Eir<80150≤RI<300中等潜在生态危害3≤Cif<616≤Cd<32重度污染80≤Eir<160300≤RI<600较高潜在生态危害Cif≥6Cd≥32非常重污染160≤Eir<320-高潜在生态危害[4]Eir≥320RI≥600极高潜在生态危害

利用Crystal Ball软件对Eir和RI的预测结果进行统计分析，得到Mn、Cu、Zn、Pb、Cd等5种重金属的Eir平均值分别为0.79、6.47、1.29、4.85和206.2；由Crystal Ball软件计算出不同概率条件下各重金属Eir和多种金属潜在生态危害指数RI（表3），通过与潜在生态危害指数评价分级标准进行比较，得到不同概率条件下的污染程度和潜在生态危害等级（表4）。在评价区域内，Mn、Cu、Zn、Pb的污染程度很低，100%处于低潜在生态危害程度以内。Cd的潜在生态危害等级较高，处于低潜在生态危害、中等潜在生态危害、较高潜在生态危害、高潜在生态危害、极高潜在生态危害的概率分别为6.33%、880%、2403%、42.74%、18.10%，因此，对于评价区域Cd的污染应该给予足够重视。通过对评价区域多种金属潜在生态危害指数RI分析得出，该区域农田土壤重金属处于低潜在生态危害、中等潜在生态危害、较高潜在生态危害、极高潜在生态危害的概率分别为31.35%、43.92%、24.63%、0.10%，判断评价区域处于中等潜在生态危害等级。

污染等级概率（%）MnCuZnPbCd RI低生态危害1001001001006.3331.35中等生态危害00008.8043.92较高生态危害000024.0324.63高生态危害000042.74-极高生态危害000018.100.10

2.2重金属浓度的参数敏感性分析

敏感性分析就是令模型的每个参数在可能取值的变化范围内变动，预测这些参数的变动对模型输出值的影响程度，将影响程度的大小称为参数的敏感性系数，实质就是研究参数变化所引起的模型响应[19-20]。通过考察Mn、Cu、Zn、Pb、Cd 5个参数在取值范围内的变化对RI的影响程度，确定各参数的敏感性系数，通过对敏感性系数大小的分析，来判断各参数对评价结果的影响程度，重点考虑敏感性系数较大的参数。利用Crystal Ball软件对评价区域的Hakanson潜在生态危害评价的5种重金属Ci进行参数敏感性分析（图2）。 评价区域对RI起主导作用的是Cd，敏感性系数达99.1%，Mn、Cu、Zn、Pb对RI影响很小，这主要是由于评价区域Mn、Cu、Zn、Pb数值较低，在评价区域都处于低生态危害程度，多金属潜在生态危害指数RI对于这4种重金属浓度的敏感性非常低。

3结论

将Monte Carlo模拟技术应用于Hakanson潜在生态危害评估中，可以很好规避由于所评价区域重金属含量的不确定性所造成的风险评估误差，对需要考虑不确定性因素的评估有一定指导意义。

从评价结果可以看出，评价区域总体处于中等潜在生态危害等级。江汉平原后湖地区作为粮棉油的中高产区，Cd处于较高的风险等级，处于较高潜在生态危害及以上的风险概率达84.87%，对于该地区土壤中的Cd污染应该引起重视。

对评价区域Hakanson潜在生态危害指数的敏感性分析表明，评价区域对多种金属潜在生态危害指数RI起主导作用的是Cd，敏感性系数达到了99.1%。

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