水体沉积物中重金属污染评价模型研究

1 引言

随着人口的增长和经济的快速发展，水环境污染问题日益加剧，其中，重金属污染问题

尤为突出.重金属作为一种持久性有毒污染物，可通过各种途径进入水体，再经过复杂的物

理、化学、生物和沉积过程沉降并逐渐富集.水体沉积物作为水环境中重金属的主要蓄积库，

是流域环境污染评价和污染机制研究的重要对象，其污染状况是全面衡量水环境质量状况的

重要因素(陈静生等，1992;唐晓娇等，2012).因此，对水体沉积物中重金属污染风险进行科

学评价，对于水体重金属污染防治具有重要意义.目前，国内外关于河流沉积物中重金属污

染评价方法已有很多(霍文毅等，1997)，主要有地累积指数法(Muller et al., 1969)、潜

在生态危害指数法(Hakanson et al., 1980)、沉积物富集系数法(Huang et al., 2003)、

回归过量分析法(Hilton et al., 1985)和脸谱图法(Chernoff et al., 1973)等.地累积指

数法(Igeo，Index of Geoaccumulation)作为目前在重金属风险评价领域应用最广泛的方法，

由德国科学家 Muller 提出，用于表征土壤或沉积物中重金属富集程度，是反映重金属污染

程度的定量指标.但其在应用过程中，仍然存在一些不足:①评价区域内采样点数目的有限

性，沉积物中重金属分布的不均匀性，使得环境系统是部分信息已知、部分未知的灰色系统;

②测量及分析误差等随机事件的存在，使得评价对象具有一定的客观随机性;③环境系统自

身的复杂性，受多种因素影响的污染状态，以及各种因子间相互关系具有的非确定性、非线

性及模糊性等特点，使得评价者对评价系统存在主观认识上的不确定性;④由于地理空间的

差异性及理论研究水平的制约，使得评价区域地球化学背景值具有不确定性，进而评价结果

存在差异.因此，沉积物重金属风险评价系统是一个随机性、模糊性和灰性等多种不确定性

共存或交叉存在的复杂系统.目前，国内外学者对于沉积物重金属风险评价进行了大量研究

(Muniz et al., 2004;林春野等，2007;罗燕等，2011)，但大部分是针对确定性或系统中某

一方面的不确定性进行研究，不能准确反映重金属污染的真实情况.

河流环境系统中的各种污染物分布一般呈高斯分布或近似高斯分布，但当资料信息不足

或数据精确性不高时，不能准确地反映评价区域真实的污染水平及其分布特征，难以用随机

模型进行模拟分析(李如忠等，2007a).三角模糊数(Triangular Fuzzy Numbers，TFN)可以

近似描述正态分布(陈光怡等，2009)，能够用于处理和表达模糊信息，对于数据资料较少或

精确度不高的情况，具有很好的适用性.其已被广泛应用于河流水环境容量估计(李如忠等，

2007b)、沉积物重金属污染生态风险评价(周晓蔚等，2008)等领域.但由于现有三角模糊技

术的乘法、除法和函数运算等尚不够严谨，实现过程比较复杂(张应华等，2007)，计算过程

耗费时间较长，而且地累积指数评价模型中含有乘除运算，若以三角模糊数进行评价，计算

结果可能会有较大误差.蒙特卡罗方法是一种随机模拟方法(Stochastic Simulation

Method，SS)，能够基于对参数已知分布情况的模拟，运用概率统计方法表征参数的不确定

性(张建龙等，2010)，能够很好地处理随机性等不确定性问题.因此，用蒙特卡罗方法模拟

三角模糊数，把三角模糊数及其函数之间的运算转化为普通实数间的运算，建立随机模拟与