（环境科学专业论文）大辽河口水环境污染生态风险评价指标体系与技术方法研究.pdf

谨以此论文献给无私关怀我的家人，严格要求我的老谨以此论文献给无私关怀我的家人，严格要求我的老 师和一直支持和帮助我的朋友们。师和一直支持和帮助我的朋友们。 - 张海丽张海丽 i 大辽河口水环境污染生态风险评价指标体系 与技术方法研究 摘 要 河口位于河流与海洋的交汇处，是陆海相互作用最强烈的地区，具有独特的 环境特征和重要的生态服务功能。大辽河是一条具有航运、养殖、灌溉等多种功 能的河流，由于受到强烈的人类活动影响，大辽河口出现了水环境污染、生态环 境退化等问题，并引起国内外学者的关注。以往的研究主要针对单一污染物或者 某一类污染物展开研究，不能反映该地区的污染综合情况，因此有必要开展大辽 河口水环境污染生态风险综合评价，对于识别该地区的主要污染源及生态风险、 保护自然和生态环境具有重要的现实意义。 本论文以 2010 年 5 月（平水期）和 8 月（丰水期）两个航次的大辽河口水 域采集样品为研究对象，分析主要水质指标的数值变化及其分布特征，对大辽河 口水环境主要污染物进行评价，并构建了大辽河口生态风险评价指标体系，建立 了基于模糊综合评价的河口生态风险评价模型， 对大辽河口水环境污染状况进行 了初步的生态风险综合评价。本论文得出的主要结论如下： （1）大辽河口水质指标分布特征 大辽河口 2010 年 5 月和 8 月 do 的变化范围分别是 4.36-10.23mg/l 和 4.42-7.82mg/l，平均值分别为 7.01mg/l 和 5.99 mg/l。与海水水质标准比较， 两个航次调查站位 do 基本符合国家二类海水水质标准，没有出现缺氧现象。 2010 年 5 月和 8 月大辽河口氨氮浓度变化范围分别为 0.005-0.870mg/l 和 0.411-1.502mg/l，约接近一半的调查站位中氨氮浓度超出地表水类标准，氨氮 污染超标。无机氮在 5 月和 8 月浓度变化范围分别是 0.615-5.395mg/l 和 1.435-2.860mg/l，均超过第四类海水水质标准。大辽河口 5 月和 8 月总氮浓度变 化范围分别是 3.891-11.663mg/l 和 2.564-5.411mg/l，均超过地表水环境质量 类标准，总氮污染严重，其中 5 月份污染尤为严重，超过地表水环境质量类标 准限值约 2-6 倍，这与沿岸化工厂、造纸厂及污水处理厂等企业的工业废水排放 有关。 2010 年 5 月和 8 月活性磷酸盐浓度变化范围分别为 0.003-0.074mg/l 和 ii 0.016-0.075mg/l，平均值分别为 0.037mg/l 和 0.071mg/l。除个别站位外，活性 磷酸盐浓度均超过海水水质二类标准，有将近 40%的站位甚至超过四类标准。 （2）大辽河口水环境主要污染物的风险评价 对重金属的风险评价采用潜在生态危害指数法，评价结果显示，潜在生态风 险指数小于 150，说明大辽河口重金属的生态风险程度属于轻微危害。 对壬基酚（nonylphenol，np）的风险评价采用风险熵（risk quotient，rq） 法。经计算，大辽河口河流段 5 月份风险熵范围为 0.176-0.705，各站位 rq 值均 超过 0.1，说明存在潜在的生态风险，需要对研究水域的 np 污染状况进行继续 观察；8 月 np 风险熵范围为 1.096-1.636，各站位 rq 值均超过 1，说明已存在 生态风险，需采取生活生产污水减排等风险消减措施。由于受到海水混合稀释作 用的影响， 近海段np风险熵在空间分布上呈现出由口门向口外逐渐减小的趋势。 对营养盐的评价采用营养状态质量法， 大辽河口 5 月和 8 月营养状态指数范 围分别为 9.27-28.73 和 7.18-12.13，当营养状态指数大于 4，海水就被认为是富 营养化，可见，大辽河口水体处于严重富营养化状态。 （3）构建河口生态风险评价指标体系，并基于模糊综合评价初步建立了大 辽河口生态风险综合评价模型，对大辽河口水环境污染状况进行综合评价 在河口水环境质量和生态特征调查的基础上， 对大辽河口主要水环境污染进 行风险评价，并从水环境状况、沉积物环境状况和生态环境状况三方面构建了大 辽河口水环境污染生态风险评价指标体系，通过确定评价等级和指标权重，建立 了基于模糊综合评价的河口生态风险评价模型， 对大辽河口水环境污染状况进行 综合评价。评价结果表明，大辽河口总体生态风险程度处于较高水平，加大环境 污染治理力度刻不容缓。 关键词：关键词：生态风险评价；大辽河口；水环境污染；生态风险评价；大辽河口；水环境污染；层次分析法层次分析法；模糊综合评价模糊综合评价 iii indicators and methods of water environment pollution ecological risk assessment in daliao river estuary abstract estuaries are major corridors between drainage basins and the sea where land and sea interact intensively, with remarkable environmental characteristics and important ecological service function. daliao river is a multifunctional river with shipping, farming, irrigation, etc. due to intense human activity, daliao river estuary is sufferring significant water pollution and ecological degradation, and arouse the attention of research scholar at home and abroad. previous studies was mainly aimed at a single contaminants or one kind of pollutant, and it cannot reflect the comprehensive pollution situation in this area, so conducting the water environment pollution ecological risk assessment in daliao river estuary is necessary with very important reality meaning for identifying the main sources of pollution and protecting the ecological environment. water quality parameters were determined and their distribution characteristics were analyzed for the samples collected from the daliao river estuary in may and august 2010. accordingly, main water environment pollution status of the daliao river estuary was estimated, ecological risk evaluation index system of water environment pollution was established, and ecological risk assessment model based on the fuzzy comprehensive evaluation was established. the main conclusions are as follows: (1) distribution characteristics of water quality parameters the concentration of do in daliao river estuary was 4.36-10.23mg/l and 4.42-7.82mg/l in may and august respectively, with mean values of 7.01mg/l and 5.99mg/l. compared with the sea water quality standard, almost all the survey results belong to sea water quality category i or ii without hypoxia phenomena. the concentration of nh4+-n in about half of the survey stations beyond the sea water quality category , which was overweight with the value of 0.005-0.870mg/l and 0.411-1.502mg/l in may and august respectively. inorganic nitrogen (in) in all iv the survey stations was beyond the sea water quality category , with the value of 0.615-5.395mg/l and 1.435-2.860mg/l in may and august respectively. the concentration of tn in daliao river estuary was 3.891-11.663mg/l and 2.564-5.411mg/l in may and august respectively. all the sample stations was beyond the sea water quality category , so the tn pollution is serious especially in may, which was 2-6 times than the class limit of surface water environment quality standard, and it was related with the discharge of waste water from the chemical plants, paper mills, and sewage treatment plants along the coast. the concentration of po43- in daliao river estuary was 0.003-0.074mg/l and 0.016-0.075mg/l in may and august respectively, with mean values of 0.037mg/l and 0.071mg/l. the survey results are beyond the sea water quality category except for one or two, and nearly 40% of the sample stations was even more than class standard. (2) the risk evaluation of water environment pollution in daliao river estuary the risk assessment of heavy metals was index method of potential ecological harm, and the results showed that the potential ecological risk index was less than 150, in other words, the level of ecological risk of heavy metals was slight damage. the risk assessment of nonylphenol (np) was risk quotient (rq). the value of rq in the river section were calculated as 0.176-0.705 and 1.096-1.636 in may and august respectively. further observation is needed when rq was more than 0.1 as well as less 1, and risk reduction measures such as reducing production wastewater should be taken when rq was more than 1. due to the dilution effect of seawater, the rq was decreasing from the entrance to the outlets in offshore section. the risk assessment of nutrient was nutrition state quality. the nutrition state index was 9.27-28.73 and 7.18-12.13 in may and august respectively. the seawater is considered as eutrophication when the nutrition state index is more than 4, so the water was in serious status of eutrophication in daliao river estuary. (3) built ecological risk evaluation index system, established ecological risk assessment model based on fuzzy comprehensive evaluation, and evaluated the water environmental pollution status in daliao river estuary v this paper built ecological risk evaluation index system from water environment conditions, sediment environment conditions and ecological environment conditions on the basis of investigation of water environment quality and ecological characteristics, and established ecological risk assessment model based on fuzzy comprehensive evaluation through determining the evaluation level and index weight. the comprehensive evaluation results of water environmental pollution conditions in daliao river estuary showed that the overall ecological risk degree in daliao river estuary is in higher levels, so it is urgent to strengthen environmental pollution control. key words: ecological risk assessment; daliao river estuary; water environment pollution; ahp; fuzzy comprehensive evaluation i 目 录 1 前言 . 1 1.1 选题依据和研究背景 . 1 1.2 研究内容与技术路线 . 2 1.3 研究目的及意义 . 3 2 生态风险评价 . 3 2.1 生态风险评价概述 . 3 2.2 生态风险评价发展历程 . 4 2.2.1 20 世纪 80 年代以前的萌芽阶段 . 4 2.2.2 20 世纪 80 年代的发展阶段人体健康评价阶段 . 4 2.2.3 20 世纪 90 年代的大发展阶段生态风险评价阶段 . 5 2.2.4 20 世纪 90 年代末至今的区域生态风险评价阶段 . 5 2.3 生态风险评价理论框架及研究内容 . 5 2.3.1 美国生态风险评价框架 . 6 2.3.2 欧盟生态风险评价框架 . 6 2.3.3 澳大利亚生态风险评价框架 . 7 2.3.4 我国生态风险评价程序 . 8 2.4 生态风险评价的研究现状 . 8 2.4.1 国外生态风险评价研究现状 . 8 2.4.2 国内生态风险评价研究现状 . 9 2.5 生态风险评价方法 . 10 2.5.1 商值法和暴露-反应法 . 11 2.5.2 数学模型法 . 13 2.5.3 景观分析法 . 14 3 大辽河口水环境污染物分布特征 . 14 3.1 样品采集及分析方法 . 14 3.2 水环境状况 . 16 3.2.1 常规要素指标 . 16 3.2.2 营养状况指标 . 18 3.2.3 有机污染指标 . 21 3.3 沉积物环境状况 . 23 3.4 生态环境状况 . 24 ii 3.5 本章小结 . 27 4 大辽河口水环境污染生态风险评价 . 28 4.1 研究区域界定与分析 . 28 4.2 风险源识别与受体分析 . 28 4.3 暴露与危害分析 . 29 4.3.1 重金属危害分析 . 30 4.3.2 壬基酚危害分析 . 30 4.3.3 营养盐危害分析 . 31 4.4 大辽河水环境污染生态风险综合评价 . 32 4.4.1 大辽河口水环境污染生态风险评价指标体系的构建 . 32 4.4.1.1 指标的构建原则 . 32 4.4.1.2 评价指标体系的构建 . 33 4.4.2 评价指标权重的确定 . 34 4.4.2.1 层次结构模型的建立 . 34 4.4.2.2 构建判断矩阵 . 35 4.4.2.3 指标层次排序及一致性检验 . 35 4.4.2.4 层次总排序及一致性检验 . 36 4.4.2.5 计算结果 . 37 4.4.3 评价指标分级标准 . 37 4.4.4 基于模糊综合评价的大辽河口水环境污染生态风险评价 . 39 4.4.4.1 模糊综合评价模型的建立依据 . 39 4.4.4.2 评价指标隶属度的计算 . 39 4.4.4.3 模糊综合评价方法 . 40 4.4.5 评价结果 . 41 4.5 本章小结 . 43 5 总结与展望 . 44 5.1 论文主要结论 . 44 5.2 主要创新点 . 44 5.3 不足之处 . 45 5.4 展望 . 45 参考文献 . 46 致谢 . 51 大辽河口水环境生态风险评价指标体系与技术方法研究 1 1 前言 1.1 选题依据和研究背景 河口位于河流与海洋的交汇区，是陆海相互作用最强烈的地区， 因而具有典 型的区域性特征，河口地区淡咸水混合，径流与潮流的相互作用造成其独特的环 境和生物组成特征1。同时，河口对于流域内自然环境变化和人类活动的响应比 较敏感，使河口地区生态系统相对脆弱。由于气候变化及人类不合理的活动，导 致大量污染物经河流汇聚到河口，成为各种污染物的归宿地之一，因此大部分河 口都存在严重的环境污染问题。水体富营养化严重、河口湿地面积萎缩、盐水入 侵加剧、生物多样性衰减等问题的出现，不仅影响河口正常生态功能的发挥，而 且对区域内的生态环境构成严重威胁。 大辽河 （40 40- 41 01n， 122 05-122 26e）位于我国东北地区辽宁省境内， 由浑河与太子河汇合而成，全长约 94km，至辽宁省营口市汇入渤海，是一条具 有航运、养殖、灌溉等多种功能的河流。大辽河全段均为感潮河段，是辽东湾海 域的主要入海河流， 大辽河所流经的辽宁省营口市地区属于东北亚经济圈黄金地 段，经济区位优势明显，工业实力较强，交通发达，社会经济发展水平位居辽宁 省前列。由于沿岸经济发达，大量工业、农业及生活污废水排入河流，河水及其 所携带的物质进入河口区后，受到海洋物理、化学和生物学等过程的影响，其性 状发生了一系列变化， 这些变化使水质恶化， 并影响近岸海域的生态环境2。 2004 年大辽河流域接纳的生活和工业污水近 20 亿吨，18 个水质监测断面中有 83.3% 的断面为类或劣类水质，各城市段水质几乎全部超过类水质标准3，水体 使用功能受损严重。2006 年辽宁省流入辽东湾的污水总计约 2.14109吨，而经 大辽河流入的污水高达 1.35109吨，占河流入海污水总量的 63.1%。2006 年全 省进入河流的污染物排放总量为 11.15105 吨，其中进入大辽河的污染物占全 省入河污染物排放总量的 63.9%4，水体受到严重污染。水质的污染不仅使河口 生态环境遭到严重破坏，也加剧了水资源短缺，严重影响了人们的生活和流域经 济的可持续发展。 随着河口地区经济的迅速发展，环境污染、生态破坏等问题也日益严重，大 大辽河口水环境生态风险评价指标体系与技术方法研究 2 量的生活污水和工业废水、废物的排放，使河口地区的水质、底质和生态环境不 断恶化。河口沉积物集有“源”和“汇”的特征，其潜在环境污染“二次效应” 可将污染物再次释放到上层水体中，产生生态毒理效应，并通过食物链网放大或 富集，最终危害人体健康，对社会和人类产生极大的危害作用，因此开展河口生 态风险评价具有一定的现实意义。 1.2 研究内容与技术路线 本文研究的技术路线如图 1-1，研究内容主要有： （1）以大辽河口为研究区域，分析 cod、营养盐、石油类等污染物的含量， 初步判断大辽河口水体污染物的主要来源，揭示其分布规律与变化特征。 （2）明确风险受体，研究各风险源与风险受体之间的暴露关系，对大辽河 口水环境主要污染物，包括重金属、营养盐、酚类物质等进行评价，确定风险源 对河口生态系统的损害程度。 （3）在河口水环境质量和生态特征调查的基础上，选择影响大辽河口生态 环境的主要指标，建立涵盖水环境状况、沉积物环境状况和生态环境状况三方面 内容的大辽河口水环境污染生态风险评价指标体系，确定评价等级及指标权重， 并初步构建基于模糊综合评价的河口生态风险评价模型， 对大辽河口水环境污染 状况进行综合评价。 文献资料的查阅实地采样调查分析样品处理数据 沉积物环境状况指标 生态环境状况指标 水环境状况指标 河口水环境污染状况与生态特征分析 筛选河口水环境污染生态风险评价指标 确定各评价指标的评价等级、评价标准 评价指标权重的确定层次分析法 河口水环境污染生态风险综合评价 构建河口水环境污染生态风险评价指标体系 研究区域的界定和分析 风险源识别受体分析 暴露与危害分析 确定评价方法 海水水质标准 地表水环境质量标准 海洋沉积物质量标准 图图 1-1 本文研究的技术路线本文研究的技术路线 figure 1-1 technical route of the paper 大辽河口水环境生态风险评价指标体系与技术方法研究 3 1.3 研究目的及意义 在河口水环境和生态特征综合调查的基础上， 结合大辽河口水域及河口上游 污染源的分布特征，对大辽河口主要污染物进行评价，并依据河口生态系统的生 态环境特征 （浮游植物、 浮游动物、 初级生产力、 叶绿素 a 等） 、 水环境特征 （cod、 溶解氧、氮、磷、酚类物质、石油类等）和沉积物环境特征（有机碳、硫化物、 石油类、重金属等）筛选指标，构建河口水环境污染生态风险评价指标体系，通 过层次分析法确定各评价指标权重， 初步建立基于模糊综合评价的河口水环境污 染生态风险评价模型，对大辽河口水环境污染状况进行综合评价， 以期为大辽河 口水环境管理提供一定的科学依据。 生态风险评价由于可以为风险管理提供科学依据和技术支持， 因此成为世界 环境科学研究中十分活跃的前沿领域。目前，国内外在生态风险评价方面的研究 已有不少报道，然而迄今为止，尚未形成统一的、完整的指标体系和评价方法。 因此不同学者在进行生态风险评价研究时选取的评价指标体系各不相同， 且选取 的评价指标中以定性居多，定量较少，提出的评价模型没有得到公认，评价结果 缺乏可比性和客观性。本文针对大辽河口的污染特点，将河流段与近海段结合起 来进行综合研究，在分析污染分布特征的基础上，对主要污染物进行评价，并从 水环境、生态环境和沉积物环境三方面构建河口生态风险评价指标体系，应用不 确定性分析理论定量评价河口生态系统的综合风险水平， 从而全面客观地对大辽 河口水环境污染风险状况进行评价。 2 生态风险评价 2.1 生态风险评价概述 风险一般指遭受损伤、损失或毁坏的可能性，通常定义为一定时期内产生有 害事件的可能性与有害事件造成后果的乘积5。生态风险指由于环境的自然变化 或人类活动所引起的生态系统及其结构、 组成的改变而导致系统功能损失的可能 性6，而生态风险评价则是对这些可能性进行评价的过程。从不同角度理解，生 态风险评价可以有不同的定义， 美国环境保护署将其定义为评估由于一种或多种 大辽河口水环境生态风险评价指标体系与技术方法研究 4 外界因素导致可能发生或正在发生的不利生态影响的过程（us. epa，1998）7。 2.2 生态风险评价发展历程 经过三十多年的发展，生态风险评价的评价内容、评价范围、评价方法都有 了很大发展8，经历了由环境风险到生态风险再到区域生态风险评价的发展过 程， 风险源由单一风险源扩展到多种风险源，相应的风险受体也由单一风险受体 扩展到多种风险受体，评价范围由局部扩展到整个研究区域，与此同时，评价方 法也逐步由定性分析向半定量、定量评价方法发展。迄今为止，生态风险评价已 经历了以下 4 个发展阶段。 2.2.1 20 世纪 80 年代以前的萌芽阶段 关于风险评价的历史可以追溯到 20 世纪 30 年代， 最开始主要进行环境影响 评价的研究，大多是针对某一具体的工程或者项目9。最早的环境风险评价代表 作是美国原子能委员会于 20 世纪 70 年代提出的关于 “大型核电站中重大事故的 理论可能性和后果”的研究报告10，旨在减少核电工程事故的风险损失。这一 阶段风险源的研究以意外事故发生的可能性分析为主，没有明确的风险受体、 暴 露评价及风险表征，主要以定性分析为主，生态风险评价还处于萌芽阶段11。 2.2.2 20 世纪 80 年代的发展阶段人体健康评价阶段 20世纪80年代风险评价研究正式开始并得到了较大发展， 这一阶段是风险评 价体系建立的技术准备阶段，此阶段主要进行化学污染的环境风险评价， 并以人 体健康作为风险受体，即人体健康风险评估。在此阶段，美国国家研究委员会提 出了以“人体健康与安全”为目的的风险评价框架12；美国橡树岭国家实验室 （ornl）提出一系列针对组织、种群及生态系统水平进行研究的生态风险评价 方法13-14，并将其推广到人体健康的致癌风险评价中15-16。之后，美国环境保护 署制定和颁布了一系列生态风险评价的技术性文件、准则和指南17，风险评价 的科学体系基本形成。此时，评价方法由定性分析转向定量评价，并形成了由风 险表征、危害鉴别、暴露评价及剂量效应关系组成的风险评价“四步法”12， 进一步明确了风险受体和风险源， 特别是针对不同组织水平生态风险评价方法的 大辽河口水环境生态风险评价指标体系与技术方法研究 5 提出为生态风险评价奠定了基础。 2.2.3 20 世纪 90 年代的大发展阶段生态风险评价阶段 美国科学家joshua lipton等（1993）18在20世纪90年代初提出，生态风险的 最终受体不仅包括人类自身，还包括生命系统的各个组建水平，因此，风险评价 的热点由关注人类自身扩展到生态系统， 人体健康评价阶段转入生态风险评价阶 段。1998年美国epa正式颁布了生态风险评价指南7，指南中包括了新的生态风 险评价框架， 提供了一个完整的进行生态风险评价的过程，推动了生态风险评价 在水生生态系统、流域等水平的研究19-20。欧盟于1993年颁布了针对化学品进行 生态风险评价的规定及技术指导文件， 并进行了系统的化学品生态风险评价和对 于工业污染物排放的生态风险评价21。此时风险压力因子由单一化学因子逐渐 扩展到多种化学因子及可能造成生态风险的事件，风险受体由人体扩展到种群、 群落、生态系统乃至流域景观水平11，比较完善的生态风险评价框架已经形成。 2.2.4 20 世纪 90 年代末至今的区域生态风险评价阶段 多种风险压力和多种风险受体的出现， 使已有的风险评价框架不再适用于现 时的评价内容和评价尺度， 已从单一压力源、单一受体的风险评价转向区域生态 风险评价22。 hunsaker于1990年提出了如何将生态风险评价应用到区域及景观水 平，并阐明了区域生态风险评价的摹本概念及未来发展方向23。由于区域生态 风险评价是在区域尺度上描述和评估环境污染、 人为活动或者自然灾害对生态系 统结构和功能等产生不利作用的可能性和危害程度24，更具有实践意义，因此 得到了广泛地研究，并成为风险评价的前沿及热点领域。 2.3 生态风险评价理论框架及研究内容 不同的生态风险的评价框架各有侧重， 国外具有代表性的生态风险评价框架 主要有三种模式：美国模式、欧洲模式和澳大利亚模式。 大辽河口水环境生态风险评价指标体系与技术方法研究 6 2.3.1 美国生态风险评价框架 美国国家环保局在 1990 年的风险评价专题讨论会上正式提出了生态风险评 价（ecological risk assessment，era）的概念，之后经过不断的研讨、修订和 完善，美国 epa 于 1998 年正式颁布生态风险评价指南 ，指南中不但叙述了 生态风险评价的一般原理、方法和程序，而且在很大程度上扩展了生态风险评价 的研究方向。美国生态风险评价的详细框架见图 2-17，将生态风险评价主要分 为问题形成、分析和风险表征 3 个阶段，主要特点在于强调环境管理者和评价者 共同制定评价计划这一步骤， 体现出美国生态风险评价为环境和区域管理部门服 务的特点和目的。 图图 2-1 美国生态风险评价框架（美国生态风险评价框架（u.s. epa, 1998） figure 2-1 the framework for ecological risk assessment (u.s. epa, 1998) 2.3.2 欧盟生态风险评价框架 新化学品评价基础上发展起来的欧盟生态风险评