一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法与流程

本发明涉及底泥生态修复领域，特别是涉及一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法。
背景技术：
：重金属具有累积性、难降解性、持续性以及毒害性，对生态环境及生物构成较大的危害。水体沉积物是流域内人为和自然风化物质的一个储备库,可直接对底栖生物造成影响，沉积物中富集的重金属等污染物质在适宜的环境条件下又可通过再活化等作用重新释放进入水体，产生“二次污染”，对水生态系统产生不良影响，进而导致生态灾难。所以需要对沉积物进行有效的治理。在对重金属污染的沉积物采取污染治理措施之前，必须对沉积物重金属的污染类型进行科学的判断，否则极易发生“过保护”和“欠保护”的问题。所以现有技术中，常采用单项污染指数法、内梅罗指数法、地累积指数法、富集因子法、潜在生态危害指数法、灰色聚类法等对沉积物的污染类型进行判断。但是，发明人在发明创造的过程中发现，现有技术存在一定缺陷：采用上述的判断方法进行沉积物的污染类型判断时，均需通过测定的某种重金属含量与质量标准、背景值或者参比值相比较，进而确定沉积物中重金属的超标倍数或者生态风险，但现有方法对沉积物重金属污染程度判断尚无统一评估标准，且沉积物重金属背景值难以获得，仅能获得沉积物是否存在重金属污染的信息，不能准确判别重金属污染的类型，进而不能为后期的底泥疏浚工程具体部署提供准确有益的信息。技术实现要素：本发明的主要目的在于，提供一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法，使其能够有效的判断沉积物是何种类型的重金属污染。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法，其包括：建立表层沉积物样品重金属含量的样本库和柱状沉积物样品重金属含量的样本库；根据样本库的数据计算表层沉积物样品重金属含量的基线值，以及计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值；根据上述基线值判别表层沉积物重金属面源污染状况，以及判别表层沉积物重金属点源污染状况；计算重金属点源污染和面源污染的相对比例，并判断沉积物重金属污染类型。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。可选的，前述的方法，其中所述建立表层沉积物重金属含量样本库和柱状沉积物样品重金属含量样本库的方法包括：通过历史检测样品获得研究区表层沉积物重金属含量样本库和柱状沉积物样品重金属含量样本库。可选的，前述的方法，其中所述建立表层沉积物重金属含量样本库和柱状沉积物样品重金属含量样本库的方法包括：采集研究区表层沉积物样品及柱状沉积物样品，测定表层沉积物样品中重金属的含量和柱状沉积物样品中重金属含量；获得所述表层沉积物样品重金属含量的样本库和所述柱状沉积物样品重金属含量的样本库。可选的，前述的方法，对所述表层沉积物样品重金属含量的样本库和柱状沉积物样品重金属含量的样本库进行筛选；获得计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库，并计算出所述表层沉积物样品重金属含量的基线值；以及，获得计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库,并计算出所述柱状沉积物样品重金属含量的基线值。可选的，前述的方法，其采用统计筛选法获得所述计算表层沉积物样品重金属含量基线值的样本库，以及获得所述计算柱状沉积物样品重金属含量基线值的样本库。可选的，前述的方法，其中所述表层沉积物样品重金属含量的基线值为所述计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库的平均值；所述柱状沉积物样品重金属含量的基线值为所述计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库的平均值。可选的，前述的方法，采用独立样本t检验，并在在显著性水平p＝0.05时，对比表层沉积物样品重金属含量基线值的样本库与柱状沉积物样品重金属含量基线值的样本库，若所述表层沉积物样品重金属含量的基线值显著大于所述柱状沉积物样品重金属含量的基线值，则表层沉积物为重金属面源污染；采用独立样本t检验，并在在显著性水平p＝0.05时，对比表层沉积物样品重金属含量的样本库的平均值与所述表层沉积物样品重金属含量基线值的样本库，若所述表层沉积物样品重金属含量的样本库的平均值显著大于所述表层沉积物样品重金属含量的基线值，则说明表层沉积物为重金属点源污染。可选的，前述的方法，计算获得柱状沉积物重金属背景值含量的相对比重；通过公式pm-p＝(cm-s-cbl-s)/cm-s获得表层沉积物重金属点源污染含量的相对比重；通过公式pm-np＝(cbl-s-cbl-v)/cm-s获得表层沉积物重金属面源污染含量的相对比重；通过公式pbl-v＝cbl-v/cm-s获得柱状沉积物重金属背景值含量的相对比重；其中，pbl-v为柱状沉积物重金属背景值含量的相对比重、pm-p为表层沉积物重金属点源污染含量的相对比重、cm-s为表层沉积物样品重金属含量的样本库的平均值、cbl-s为表层沉积物样品重金属含量的基线值、pm-np为表层沉积物重金属面源污染含量的相对比重、cbl-v为柱状沉积物样品重金属含量的基线值。可选的，前述的方法，其中当满足公式pm-p/pbl-v≥1，且pm-p/pm-np≥3/2，则沉积物重金属污染类型以点源污染为主；当满足公式pm-np/pbl-v≥1，且pm-p/pm-np≤2/3，则沉积物重金属污染类型以面源污染为主；当满足公式pm-p/pbl-v≥1，pm-np/pbl-v≥1，且2/3≤pm-p/pm-np≤3/2，则沉积物重金属污染类型为点源和面源复合污染；或，当满足公式pm-p/pbl-v﹤1，pm-np/pbl-v﹤1，且pm-p/pbl-v+pm-np/pbl-v≥3/2，则沉积物重金属污染类型为点源和面源复合污染。借由上述技术方案，本发明一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法至少具有下列优点：本发明技术方案提供的方法，其通过对沉积物样品的分析，能够得到表层沉积物样品重金属含量的基线值和柱状沉积物样品重金属含量的基线值，进而能够准确地判断了表层沉积物重金属的富集程度；此外，还可以根据上述的基线值判断沉积物的污染类型，解决了现有的沉积物重金属污染风险评估方法中存在的不足以反映出沉积物重金属污染类型的技术问题，有助于环保疏浚工程设计和施工中确定沉积物重金属的来源，确定以及进而制定具有针对性的对策，避免“过保护”和“欠保护”的问题。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是本发明的实施例提供的一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法的流程示意图；图2是本发明的实施例提供的表层沉积物as含量与累积频率分布曲线图；图3是本发明的实施例提供的表层沉积物pb含量与累积频率分布曲线图；图4是本发明的实施例提供的柱状沉积物as含量与累积频率分布曲线图；图5是本发明的实施例提供的柱状沉积物pb含量与累积频率分布曲线图。具体实施方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。如图1所示，本发明的实施例一提出的一种环保疏浚工程中判别重金属污染底泥污染类型的方法，其包括如下步骤：101、建立表层沉积物样品重金属含量的样本库和柱状沉积物样品重金属含量的样本库。其中表层沉积物样品重金属含量的样本库可以使用缩略词ds表示，柱状沉积物样品重金属含量的样本库可以使用缩略词dv表示。具体的，表层沉积物是位于水体底部的与水体直接接触的一层沉积层，柱状沉积物是从表层沉积物向地下深部采集的，并包含多个不同沉积层，表层沉积物和柱状沉积物是流域内人为和自然风化物质的一个储备库。建立表层沉积物样品重金属含量的样本库的方式可以包括两种，一种是使用现有的检测样品获得研究区表层沉积物重金属含量样本库和柱状沉积物样品重金属含量样本库，例如可以在包含研究区域的较大范围区域的样本库抽取样品，进而建立样本库；另一种是直接在研究区域直接采集样品，然后对所采集的样品进行分析，并根据分析结果建立样本库。其中，上述的样本库可以包含重金属的含量信息、包括多种不同的重金属，例如铅、铁、铝等信息、也可以包含多种不同重金属各自的单位含量信息等。102、根据样本库的数据计算表层沉积物样品重金属含量的基线值，以及计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值。其中表层沉积物样品重金属含量的基线值可以使用缩略词cbl-s表示，柱状沉积物样品重金属含量的基线值可以使用缩略词cbl-v表示。具体的，基线值指当前或者某一时期，研究区水系沉积物中化学物质元素含量的相对自然变化，一般由“背景值”和“难以避免的、分布均匀的、非点源污染的人为来源”两部分组成。本发明提供的表层沉积物样品重金属含量的基线值是当前研究区水系表层沉积物中重金属含量的相对自然变化，柱状沉积物样品重金属含量的基线值是指研究区水系柱状沉积物中重金属含量的相对自然变化，一般可近似作为“背景值”。所以通过使用表层沉积物样品重金属含量的样本库和柱状沉积物样品重金属含量的样本库的数据计算上述基线值，能够得到代表研究区域沉积物的基线值。103、根据上述基线值判别表层沉积物重金属面源污染状况，以及判别表层沉积物重金属点源污染状况。具体的，可以在预设的条件下，对比表层沉积物样品重金属含量的基线值、所述柱状沉积物样品重金属含量的基线值和表层沉积物样品重金属含量样本库的平均值，而知道表层沉积物是否存在重金属面源污染还是重金属点源污染。例如采用独立样本t检验，将建立表层沉积物样品重金属含量基线值的数据库与建立柱状沉积物样品重金属含量基线值的数据库分别作为2个独立样本，并在在显著性水平p＝0.05时，对比表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库与柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库，若所述表层沉积物样品重金属含量的基线值显著(p<0.05)大于所述柱状沉积物样品重金属含量的基线值，则表层沉积物为重金属面源污染，反之则说明不存在面源污染；同样采用独立样本t检验，将表层沉积物样品重金属含量数据库与建立表层沉积物样品重金属含量基线值的数据库分别作为2个独立样本，并在在显著性水平p＝0.05时，获得表层沉积物样品重金属含量的样本库的平均值，并与表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库对比，若所述表层沉积物样品重金属含量的样本库的平均值显著大于(p<0.05)所述表层沉积物样品重金属含量的基线值，则说明表层沉积物为重金属点源污染，反之则说明不存在点源污染。其中，可以通过对表层沉积物样品重金属含量的样本库取平均值，来获得表层沉积物样品重金属含量的样本库的平均值(cm-s)。104、计算重金属点源污染和面源污染的相对比例，并判断沉积物重金属污染类型。具体的，此处所述的沉积物为包含有表层沉积物和柱状沉积物的总称，进而通过具体的分析点源污染和面源污染的相对比例，能够得到沉积物的重金属污染类型，例如可以是以点源污染为主、可以是以面源污染为主、也可以是点源与面源的混合型污染。本发明技术方案提供的方法，其通过对沉积物样品的分析，能够得到表层沉积物样品重金属含量的基线值和柱状沉积物样品重金属含量的基线值，进而能够准确地判断了表层沉积物重金属的富集程度；此外，还可以根据上述的基线值判断沉积物的污染类型，解决了现有的沉积物重金属污染风险评估方法中存在的不足以反映出沉积物重金属污染类型的技术问题，有助于环保疏浚工程设计和施工中确定沉积物重金属的来源，确定以及进而制定具有针对性的对策，避免“过保护”和“欠保护”的问题。在具体实施中，其中所述建立表层沉积物重金属含量样本库和柱状沉积物样品重金属含量样本库的方法包括：采集研究区表层沉积物样品及柱状沉积物样品，测定表层沉积物样品中重金属的含量和柱状沉积物样品中重金属含量；获得所述表层沉积物样品重金属含量的样本库(ds)和所述柱状沉积物样品重金属含量的样本库(dv)。其中，表层沉积物样品中重金属的含量可以使用缩略词cs表示，柱状沉积物样品中重金属含量可以使用缩略词cv表示。具体的，采集研究区的沉积物样品的方式可以根据现有技术中的采集手段进行，采集样品的数量以及采集的具体位置也可以根据现有技术中常用的采集方式进行，只要保证所采集的样品能够真实的代表研究区的具体情况即可。进一步的，对所述表层沉积物样品重金属含量的样本库(ds)和柱状沉积物样品重金属含量的样本库(dv)进行筛选；获得计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库，并计算出所述表层沉积物样品重金属含量的基线值(cbl-s)；以及，获得计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库,并计算出所述柱状沉积物样品重金属含量的基线值(cbl-v)。其中，计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库可以使用缩略词dbl-s表示，计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库可以使用缩略词dbl-v表示。具体的，虽然通过采集样品并对样品分析，得到了表层沉积物样品重金属含量的样本库(ds)和柱状沉积物样品重金属含量的样本库(dv)，为了识别可能受到人为干扰的样品，在建立计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库(dbl-s)，以及建立计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库(dbl-v)时，需要对表层沉积物样品重金属含量的样本库(ds)和柱状沉积物样品重金属含量的样本库(dv)进行筛选，排除可能受到点源污染的样品，最终建立具有代表性的样本库dbl-s和dbl-v。进而在样本库dbl-s和dbl-v的基础上能够得到cbl-s和cbl-v。再进一步的，采用统计筛选法获得所述计算表层沉积物样品重金属含量基线值的样本库(dbl-s)，以及获得所述计算柱状沉积物样品重金属含量基线值的样本库(dbl-v)。所述表层沉积物样品重金属含量的基线值(cbl-s)为所述计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库(dbl-s)的平均值；所述柱状沉积物样品重金属含量的基线值(cbl-v)为所述计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库(dbl-v)的平均值。具体的，统计筛选的方法可以采用累积频率曲线法或迭代二倍标准偏差法，但不限于这两种方法。在具体实施中，通过公式pbl-v＝cbl-v/cm-s获得柱状沉积物重金属背景值含量的相对比重；通过公式pm-p＝(cm-s-cbl-s)/cm-s获得表层沉积物重金属点源污染含量的相对比重(pm-p)；通过公式pm-np＝(cbl-s-cbl-v)/cm-s获得表层沉积物重金属面源污染含量的相对比重(pm-np)。其中，pbl-v为柱状沉积物重金属背景值含量的相对比重、pm-p为表层沉积物重金属点源污染含量的相对比重、pm-np为表层沉积物重金属面源污染含量的相对比重。进一步的，在获得上述比重数据的基础上，可以对沉积层的污染类型进行具体的判断：当满足公式pm-p/pbl-v≥1，且pm-p/pm-np≥3/2，则沉积物重金属污染类型以点源污染为主。当满足公式pm-np/pbl-v≥1，且pm-p/pm-np≤2/3，则沉积物重金属污染类型以面源污染为主。当满足公式pm-p/pbl-v≥1，pm-np/pbl-v≥1，且2/3≤pm-p/pm-np≤3/2，则沉积物重金属污染类型为点源和面源复合污染；或，当满足公式pm-p/pbl-v﹤1，pm-np/pbl-v﹤1，且pm-p/pbl-v+pm-np/pbl-v≥3/2，则沉积物重金属污染类型为点源和面源复合污染。下面提供一对预设研究区研究获得的具体实施例：1、建立表层沉积物样品重金属含量的样本库和柱状沉积物样品重金属含量的样本库。首先，采集研究区表层沉积物及柱状沉积物，本实施例共采集表层沉积物样本65个，柱状沉积物样本166个。然后，对沉积物样品进行前处理后，测定表层沉积物样品中重金属的含量(cs)和柱状沉积物样品中重金属含量(cv)，获得表层沉积物样品重金属含量的样本库(ds)和柱状沉积物样品重金属含量的样本库(dv)。本实施例共测定了as、pb2种重金属的含量，表层沉积物样品中重金属的含量(cs)和柱状沉积物样品中重金属含量(cv)的范围分别见如下表1所示。表12、计算表层沉积物样品重金属含量的基线值。本实施例以累积频率曲线法为例说明如何计算表层沉积物样品重金属含量的基线值。累积频率曲线法是基于未受污染的样品点与受到污染的样品点的累积频率—元素浓度的拟合曲线斜率不同，这样在所有点的累积频率拟合曲线中就可能存在一个或者两个拐点，将未受污染的样品与受到污染的样品分开，值较低的拐点代表了元素浓度的上限，小于该上限的元素浓度的平均值可以作为基线值。第一步，绘制表层沉积物样品点重金属含量的累积频率曲线；第二步，确定值较低的拐点，本实施例中表层沉积物样品重金属浓度的累积频率曲线均只存在1个拐点，如图2和图3所示；第三步，将第二步确定的拐点以下的表层沉积物样品重金属含量作为计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库(dbl-s)；第四步，计算第三步筛选出的计算表层沉积物样品重金属含量的基线值的样本库(dbl-s)的平均值，该平均值作为表层沉积物样品重金属含量的基线值(cbl-s)。本实施例构建的表层沉积物样品重金属含量的基线值(cbl-s)详见表2。表23、计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值。本实施例以累积频率曲线法为例说明如何计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值。第一步，绘制柱状沉积物样品的重金属含量的累积频率曲线；第二步，确定值较低的拐点，本实施例中柱状沉积物样品重金属浓度的累积频率曲线均只存在1个拐点，如图4和图5所示；第三步，将第二步确定的拐点以下的柱状沉积物样品重金属含量作为计算柱状沉积物样品重金属的基线值的样本库(dbl-v)；第四步，计算第三步筛选出的计算柱状沉积物样品重金属含量的基线值的样本库(dbl-v)的平均值，该平均值作为柱状沉积物样品重金属含量的基线值(cbl-v)。本实施例构建的柱状沉积物样品重金属含量基线值(cbl-v)详见表2。4、判别表层沉积物重金属面源污染状况。利用spss分析软件，采用独立样本t检验，在显著性水平p＝0.05时，对比分析cbl-s与cbl-v的差异性，若cbl-s显著大于cbl-v，则说明表层沉积物存在重金属面源污染，若cbl-s与cbl-v差异性不显著，或者cbl-s显著小于cbl-v，则说明不存在面源污染。as、pb的cbl-s与cbl-v的显著性水平分别为0、0，as、pb的cbl-s都显著大于cbl-v，说明表层沉积物中as、pb存在面源污染。5、判别表层沉积物重金属点源污染状况。利用spss分析软件，采用独立样本t检验，在显著性水平p＝0.05时，对比分析cm-s与cbl-s的差异性，若cm-s显著大于cbl-s，则说明表层沉积物存在重金属点源污染，若cm-s与cbl-s差异性不显著，或者cm-s显著小于cbl-s，则说明不存在点源污染。as、pb的cm-s与cbl-s的显著性水平分别为0.364、0.001，说明表层沉积物中as不存在点源污染,而pb存在点源污染。6、计算重金属点源污染和面源污染的相对比例。分别按照下述公式(1)、(2)和(3)计算柱状沉积物样品重金属背景值含量、表层沉积物重金属点源污染含量和表层沉积物重金属面源污染含量的相对比重：pbl-v＝cbl-v/cm-s(1)；pm-p＝(cm-s-cbl-s)/cm-s(2)；pm-np＝(cbl-s-cbl-v)/cm-s(3)。本实施例表层沉积物中重金属背景值含量、点源污染含量、面源污染含量所占的比例详见表3。重金属pbl-vpm-ppm-npas57.36％2.91％39.72％pb33.44％45.74％20.82％表3表层沉积物中as和pb的背景值含量所占比例分别为57.36％、33.44％；点源污染含量所占的比例分别为2.91％和45.74％；面源污染含量所占的比例分别为39.72％和20.82％。7、判断沉积物重金属污染类型。根据步骤6确定的pbl-v、pm-p、pm-np以及下述判别公式确定沉积物重金属污染类型：若pm-p/pbl-v≥1，且pm-p/pm-np≥3/2，则沉积物重金属污染类型以点源污染为主；若pm-np/pbl-v≥1，且pm-p/pm-np≤2/3，则沉积物重金属污染类型以面源污染为主；若pm-p/pbl-v≥1，pm-np/pbl-v≥1，且2/3≤pm-p/pm-np≤3/2，或者pm-p/pbl-v﹤1，pm-np/pbl-v﹤1，且pm-p/pbl-v+pm-np/pbl-v≥3/2，则沉积物重金属污染型为点源和面源复合污染；其它情况为未受人为显著人为重金属干扰染底泥。本实施例表层沉积物中as的pm-p/pbl-v＝0.05、pm-np/pbl-v＝0.69、pm-p/pbl-v+pm-np/pbl-v﹤3/2说明表层沉积物未显著受人为as污染。pb的pm-p/pbl-v＝1.37、pm-np/pbl-v＝0.69、pm-p/pm-np＝2.2，说明沉积物pb的污染类型为点源污染。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页12