一种基于同位素的地表水污染源解析方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于同位素的地表水污染源解析方法，步骤为：1)采样，布设采样点，依行业标准采样；2)同位素检测，指标为：氢、氧、碳、氮同位素D、18O、13C、15N；采用同位素比率质谱仪检测样品中氢、氧、碳、氮同位素D、18O、13C、15N的比率，并与国际标准物比对，算出样品的同位素比率值；3)数据分析，依源、汇样品中的氢、氧同位素D、18O的比率值绘制氢氧同位素比率值示图；选择分析节点，通过节点的源汇同位素比率值计算污染源贡献率，通过流出节点的源、汇同位素比率值是否平衡，确定新污染源；再利用碳、氮同位素13C、15N的分析验证上述结果准确性。本发明的优点：提高准确性，提高效率。
【专利说明】一种基于同位素的地表水污染源解析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及环境污染防治领域中污染源的解析方法，尤其涉及一种基于同位素的地表水污染源解析方法。
【背景技术】
[0002]随着城市化、工业化进程的加快，城市废水、工业污水的产生量和排放量越来越大，地表水环境污染问题日益严重。对此，国家及地方制定了一系列法规和标准以对废(污)水排放实行控制，并通过检测和分析地表水污染成分来获得污染源的污染贡献率，并发现和定位新污染源。
[0003]目前，关于地表水环境污染源解析的研究较少，常规的方法和模型主要有主成分分析 / 因子分析法(Principal Component Analysis, PCA/FactorAna lysis, FA)、化学质量平衡模型(Chemical-mass-balance, CMB)、成分和比值分析法等。由于污染物自身性质和各地区环境条件差异的影响，使这些常规方法在实际应用中表现出不同程度的局限性，如PCA/FA方法主要针对数值偏差进行分析，如果某重要排放源比较恒定，而其他非重要源具有较大的排放强度变异，结果可能会忽略排放强度较大的排放源，同时对样品数量要求较高，一般超过50个；CMB模型要求要经常监测源样品和受体样品，列出排放清单，不断更新研究区排放源成分谱，不仅工作量大，而且技术难度高，除此之外要求污染源成分谱从源到受体这段距离没有显著变化；成分和比值分析法则主要用于定性地描述PAHs (持久性有机污染物)的来源种类。由于水中污染物在迁移过程中易受温度、光照及其他氧化物的影响，使其某些化学组分发生降解等变化，导致传统的源解析方法不能满足来源解析的精度要求。
[0004]而稳定同位素是指半衰期大于1015年的元素的同位素，在环境中的成分很稳定，不会受上述温度、光照等因素的影响，因此基于稳定同位素检测进行地表水的污染源解析可以获得较高解析精度。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种比现有污染源解析方法解析结果更准确的基于同位素的地表水污染源解析方法，通过该方法获得污染源的污染贡献率，以对污染源实行重点治理；并发现和定位新污染源，以实施控制和管理。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]一种基于同位素的地表水污染源解析方法，其特征在于是依据不同环境条件下物质中氢、氧、碳、氮的同位素组成不同，通过分析取自检测的污水水域的多个水样品中溶解态氢、氧、碳、氮同位素的组成比率，获得污染贡献率，并发现和定位新污染源。具体步骤如下:
[0008]I).采样
[0009](I).布设采样点[0010]根据检测水域类型布设采样点:
[0011](1.1).对河流首先确定特征点，在特征点处布设采样断面，特征点包括定义为源的汇入河流干流的支流采样点及排污源采样点，定义为汇的河流干流采样点；
[0012](1.2).对湖泊、水库采取平均布设采样点与确定特征点结合布设采样断面，包括定义为源的汇入湖泊、水库中的排污源采样点及定义为汇的湖泊、水库水域内采样点；
[0013](2).依据国家水质采样行业标准规定的方法进行采样；
[0014]2).同位素检测
[0015](I).检测指标为:氢、氧、碳、氮同位素D、180、13C、15N;
[0016](2).同位素检测方法:采用同位素比率质谱仪检测各样品中氢、氧、碳、氮同位素D、180、13C、15N的比率，并与国际标准物比对，计算出样品的同位素比率值。测定精度为:H同位素 d2H(dD):±<1%0 ;0 同位素 d180: ±<0.2%。;C 同位素 d13C: ±<0.1%。;N 同位素 d15N:
±〈0.2%o ;
[0017]3).数据分析
[0018]3.1).根据步骤2)计算的各源、汇样品中的氢、氧同位素D、180的比率值绘制氢氧同位素比率值示图；在测量水域选择分析的节点，通过分析流入节点的源、汇同位素比率值计算污染源贡献率，并通过流出节点的源、汇同位素比率值是否平衡，发现和定位新污染源；
[0019]3.2).根据步骤2)计算的各源、汇样品中的碳、氮同位素13C、15N的比率值绘制碳氮同位素比率值示图；在检测水域选择分析的节点，通过分析流入节点的源、汇同位素比率值计算污染源贡献率，并与步骤3.1)计算结果进行比较，验证其准确性；通过流出节点的“源” “汇”同位素比率值是否平衡，发现和定位新污染源。
[0020]所述河流特征点包括:a.排污口的上游和下游；b.靠近支流汇入口上游的干流及汇入后干流下游区域；c.行政区交界处；d河流上游或源头。
[0021]所述所述湖泊、水库河流特征点包括:a.排污口附近区域；b.靠近支流汇入口区域；c.行政区交界处；d湖泊、水库内平均布设的采样点。
[0022]本发明的有益效果是:与现有地表水污染源解析方法相比，地表水源解析同位素分析法基于同位素在地表水环境中的稳定性，大大提高地表水污染源解析结果的准确性；同时鉴于稳定同位素组成分析的原理，不需要频繁更新检测区域排放源成分谱，从而减小了工作量、缩短测试周期，提高工作效率并节省了大量的人力、物力资源。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是北塘排污河的源、汇分布及氢同位素D比率值示图；
[0024]图2是北塘排污河的源、汇分布及氧同位素18O比率值示图；
[0025]图3是h2节点氢氧同位素关系图；
[0026]图4是h5节点氢氧同位素关系图；
[0027]图5是h5节点污染源示图；
[0028]图6是北塘排污河的碳、氮同位素13C、15N的比率值示图；
[0029]图7是北塘排污河出河口节点R的碳氮同位素关系图。
[0030]图中:rl-r6为源,hl_h5为汇，xl_x2为未知源，yl_y4为源，R为北塘排污河出河口节点。
[0031]以下结合附图和实施例对本发明详细说明。
【具体实施方式】
[0032]本实施例是以天津市北塘排污河为研究区域，该排污河全长32.7公里，宽30-45米，为天津市市政排污河。
[0033]本发明提供了一种基于同位素的地表水污染源解析方法，其特征在于是依据不同环境条件下物质中氢、氧、碳、氮的同位素组成不同，通过分析取自检测的污水水域的多个水样品中溶解态氢、氧、碳、氮同位素的组成比率，获得污染贡献率，并发现和定位新污染源。具体步骤如下:
[0034]I).采样，
[0035]1.1).对该排污河首先确定特征点，在特征点处布设采样断面，特征点包括定义为源的汇入河流干流的支流采样点及排污源采样点；以及定义为汇的河流干流采样点；这里河流特征点包括:a.排污口的上游和下游；b.靠近支流汇入口上游的干流及汇入后干流下游区域；c.行政区交界处；d河流上游或源头。
[0036]参照图1，本例中，在月牙河、西碱河、东碱河、袁家河、中心河干区与北塘排污河交界处附近布设采样点源rl-r6，并根据源的分布随机布设采样点汇hl-h5，确定汇始点为hl，终点为h5，并在图1-2上标出；
[0037]1.2).采样深度:根据河流深度确定采样深度为0.5米，一般一个采样点采集三个样品；
[0038]1.3).采样季节和时间:春季下午；
[0039]1.4).样品编号和档案纪录:做好采样记录，包括水样编号、采样地点及经纬度、水样名称、采样深度、采样人；
[0040]采样中，依据国家行业标准《水质采样技术规程》(SL187-96)进行。
[0041]2).同位素检测
[0042]2.1).检测指标为:氢、氧、碳、氮同位素D、180、13C、15N;
[0043]2.2).同位素检测方法:采用同位素比率质谱仪检测各样品中氢、氧、碳、氮同位素D、180、13C、15N的比率，并与国际标准物(SMOW)比对，计算出样品的同位素比率值。本例中采用了型号为DELTA V Advantage同位素比率质谱仪(Isotope Ratio MassSpectrometer),外部设备为 Flash EAl112HT 兀素分析仪(Elemental Analyzer)。
[0044]检测原理为:
[0045]氢同位素比率值:样品在元素分析仪中高温裂解后生成H2，质谱仪通过检测H2的2H (D)与IH比率，并与国际标准物(SMOW)比对后计算出样品的d2H(dD)比率值。
[0046]氧同位素比率值:样品在元素分析仪中高温裂解后生成CO，质谱仪通过检测CO的180与160比率，并与国际标准物(SMOW)比对后计算出样品的dl80比率值。
[0047]碳同位素比率值:样品在元素分析仪中高温裂解后生成CO2，质谱仪通过检测CO2的13C与12C比率，并与国际标准物(SMOW)比对后计算出样品的dl3C比率值。
[0048]氮同位素比率值:样品在元素分析仪中高温裂解后生成N2，质谱仪通过检测N2的15N与14N比率，并与国际标准物(SMOW)比对后计算出样品的dl5N比率值。测定精度为:[0049]H同位素比率值d2H(dD):±〈1%。; O同位素比率值d180: ±〈0.2%。; C同位素比率值 d13C:±〈0.1%ο ;N 同位素比率值 d15N:±〈0.2%0。
[0050]表1示出氢氧同位素比率值检测结果。表2示出碳氮同位素比率值检测结果。
[0051]表1氢氧同位素比率值检测结果
[0052]
【权利要求】
1.一种基于同位素的地表水污染源解析方法，其特征在于是依据不同环境条件下物质中氢、氧、碳、氮的同位素组成不同，通过分析取自检测的污水水域的多个水样品中溶解态氢、氧、碳、氮同位素的组成比率，获得污染贡献率，并发现和定位新污染源。具体步骤如下: 1).采样 ⑴.布设采样点 根据检测水域类型布设采样点: (1.1).对河流首先确定特征点，在特征点处布设采样断面，特征点包括定义为源的汇入河流干流的支流采样点及排污源采样点，定义为汇的河流干流采样点； (1.2).对湖泊、水库采取平均布设采样点与确定特征点结合布设采样断面，包括定义为源的汇入湖泊、水库中的排污源采样点及定义为汇的湖泊、水库水域内采样点； ⑵.依据国家水质采样行业标准规定的方法进行采样； 2).同位素检测 (1).检测指标为:氢、氧、碳、氮同位素d、18o、13c、15n; ⑵.同位素检测方法:采用同位素比率质谱仪检测各样品中氢、氧、碳、氮同位素D、180、13C、15N的比率，并与国际标准物比对，计算出样品的同位素比率值。测定精度为:H同位素 d2H(dD):±<l%o ;0 同位素 d180:±〈0.2%。；C 同位素 d13C:±〈0.1%。;N 同位素 d15N:±〈0.2%o ; 3).数据分析 3.1).根据步骤2)计算的各源、汇样品中的氢、氧同位素D、180的比率值绘制氢氧同位素比率值示图；在测量水域选择分析的节点，通过分析流入节点的源、汇同位素比率值计算污染源贡献率，并通过流出节点的源、汇同位素比率值是否平衡，发现和定位新污染源； 3.2).根据步骤2)计算的各源、汇样品中的碳、氮同位素13C、15N的比率值绘制碳氮同位素比率值示图；在检测水域选择分析的节点，通过分析流入节点的源、汇同位素比率值计算污染源贡献率，并与步骤3.1)计算结果进行比较，验证其准确性；通过流出节点的“源” “汇”同位素比率值是否平衡，发现和定位新污染源。
2.根据权利要求1所述的一种基于同位素的地表水污染源解析方法，其特征在于所述河流特征点包括:a.排污口的上游和下游；b.靠近支流汇入口上游的干流及汇入后干流下游区域；c.行政区交界处；d河流上游或源头。
3.根据权利要求1所述的一种基于同位素的地表水污染源解析方法，其特征在于所述所述湖泊、水库河流特征点包括:a.排污口附近区域；b.靠近支流汇入口区域；c.行政区交界处；d湖泊、水库内平均布设的采样点。
【文档编号】G01N27/62GK103808790SQ201210446951
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】袁雪竹, 卢学强, 邓小文, 马建立, 焦永杰, 陈红, 张良运, 张晓惠 申请人:天津市环境保护科学研究院