松花湖沉积物Cd和Hg污染风险灰色预测

赵玉岩，陆继龙，郝立波，孙立吉

吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

松花湖沉积物Cd和Hg污染风险灰色预测

赵玉岩，陆继龙，郝立波，孙立吉

吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

根据松花湖沉积物平均沉积速率，将松花湖沉积柱镉 (Cd)和汞 (Hg)元素质量分数实测数据进行线性插值，得到松花湖沉积物Cd和Hg质量分数变化的时间序列数据.运用灰色系统理论建模方法，采用1943-2006年时段数据，建立松花湖沉积物Cd和Hg质量分数演化的灰色GM(1，1)预测模型.残差检验、后验差检验和关联度检验均表明，该模型精度较高，可用于松花湖沉积物Cd和Hg质量分数中长期预测.由预测结果可知，松花湖沉积物Cd和Hg质量分数有逐年缓慢递增趋势，虽然在短期内不会出现明显的Cd或Hg污染;但如果不采取及时有效措施，控制Cd和Hg的污染源，松花湖沉积物将有Cd、Hg污染不断加剧的风险.

地球化学;GM(1，1)模型;重金属污染;镉;汞;沉积物;灰色模型;污染风险;松花湖

松花湖是丰满水电站大坝拦截第二松花江水形成的大型人工湖泊，为吉林市和长春市的重要水源地.流域内工农业较发达，造成大量泥沙、工业废水废渣以及放射性物质漂浮物通过水系进入松花湖.研究表明，松花湖底泥中除未检测到砷 (As)污染外，其他7种重金属元素均构成较严重的污染［1］.与20世纪80年代相比，沉积物镉 (Cd)和汞 (Hg)含量明显增高［2］.笔者以沉积柱重金属元素分析数据为基础，对松花湖沉积物Cd和Hg污染演化趋势进行预测，旨在为松花湖生态环境保护与治理提供参考.有关日本福岛核泄漏对我国东北湖泊的影响将另文报道.

湖泊中的重金属元素主要来源于流域岩石风化物、土壤及人为污染等，不同来源叠加在一起［3］，难以确定其变化规律.目前，时间序列预测模型有回归法、模型法、博克斯-詹金斯法等.当样本量少、数据不符合典型概率分布时，基于概率统计理论的预测模型难以获得满意的结果.基于灰色系统理论的灰色模型 (gray model，GM)能克服上述方法的不足，对信息不完整系统有良好的适用性，在资源环境预测领域得到了成功应用［4-6］.因此，本研究通过建立松花湖沉积物Cd和Hg污染灰色预测模型，对污染趋势进行了预测.

1 数据来源

松花湖沉积物Cd和Hg质量分数数据为沉积柱实测数据.沉积柱样品采集时间为2006年12月20日，采样点坐标为 126°56'3″E 和 43°36'12″N ，位于松花湖近中心位置，该处水流平稳，无明显的人为扰动，具有较强代表性.沉积柱柱芯长76 cm，其中，61 cm以下为花岗岩风化砂.根据松花湖地质背景和丰满大坝蓄水时间，确定沉积柱61 cm以上部分为自然沉积物，61 cm处相当于1943年大坝蓄水时间.

样品采集与处理方法见文献［7］，样品分析由国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成.Cd分析方法为石墨炉原子吸收法 (graphite furnace atomic absorption spectrometry，GF-AAS)，检出限为0.02 μg/g，相对误差小于10%;Hg分析方法为原子荧光法 (atomic fluorescence spectrometry，AFS)，检出限为0.003 μg/g，相对误差小于10%.结果发现，松花湖沉积物Cd和Hg质量分数由深部至表层逐渐升高，见图1.

由于沉积速率确定的分段样品不为整数年份，需插值计算出整数年份的数据.根据松花湖沉积物Cd和Hg质量分数数据、平均沉积速率 (0.71 cm/年)和采样时间［7］，利用Matlab软件线性内插将其转化成整数年序列数据.考虑丰满大坝截流蓄水时间，研究采用1943-2006年时段数据 (表1).

图1 松花湖沉积柱Cd和Hg质量分数分布Fig.1 Cd and Hg distribution of Songhua Lake sediment core

表1 1943-2006年松花湖沉积物Cd和Hg质量分数Table 1 The contents of Cd and Hg of Songhua Lake sediment from 1943 to 2006 单位:μg/g

2 预测模型

本研究采用灰色系统GM(1，1)模型，对松花湖沉积物Cd和Hg污染进行预测.

2.1 GM(1，1)模型原理

GM(1，1)模型常用灰色预测模型，其建模方法［8］为:

设原始序列为

其中，a、b分别称为发展系数和灰作用量，可以通过最小二乘法拟合求得.

微分方程的解为

2.2 模型建立

2.3 模型检验

残差检验 根据表1数据建立Cd的GM(1，1)残差平均值为8.7%，小于10%，平均精度为91.30%;Hg的 GM(1，1)残 差 平 均 值 为12.89%，小于20%，平均精度为87.11%，模型拟合精度均符合要求［9］.

后验差检验 经计算，Cd模型后验差比值0.184 1，小于0.35，小误差概率为 1，大于 0.95.Hg模型后验差比值0.322 0，小于0.35，小误差概率为1，大于0.95.模型级别为一级.

关联度检验 Cd模型关联度为0.999 3，大于0.90;Hg模型关联度为0.995 9，大于0.90 ，模型预测精度较高.

3 结果与讨论

根据表1数据建立的灰色GM(1，1)模型具有较高精度，Cd和 Hg模型的发展系数a分别为-0.020 4和 -0.019 1，-a＜0.3，该模型可用于中长期预测［10］.依据模型对松花湖沉积物Cd和Hg质量分数进行预测 (2016-2086年)，结果见表2.将预测数据与近70年的实测数据比较，见图2和图3，表明预测模型具有很高的准确性.

表2 2016-2086年松花湖表层沉积物Cd和Hg质量分数预测Table 2 The predicted contents of Cd and Hg of the Songhua Lake sediment during 2016-2086 单位:μg/g

图2 松花湖沉积物Cd质量分数预测值与实际值对比Fig.2 Contrast prediction contents with actual contents of Cd of Songhua Lake sediment

图3 松花湖沉积物Hg质量分数预测值与实际值对比Fig.3 Comparison of the measured with predicted values for Hg content

以国家土壤环境质量标准GB15618-1995［11］为参照，目前松花湖沉积物采样点表层底泥Cd质量分数已超过Ⅰ级标准值0.20 μg/g，Hg质量分数较低，尚未超过Ⅰ级标准值0.15 μg/g.与国家海洋沉积物质量标准GB18668-2002［12］比较，目前松花湖沉积物采样点表层底泥Cd和Hg质量分数属第一类(w(Cd)≤0.5 μg/g，w(Hg)≤0.2 μg/g).根据表1，松花湖沉积物Cd和Hg质量分数呈缓慢递增，Hg质量分数增长速率低于Cd，短期内不会出现明显的Cd和Hg污染.按照目前发展趋势，60年后松花湖沉积物表层底泥Cd质量分数达国家土壤环境质量Ⅲ级标准值1.0 μg/g，80年后表层底泥Hg质量分数接近Ⅱ级标准值0.5 μg/g.长期来看，如不采取有效措施控制Cd和Hg的污染源，Cd和Hg污染有不断加剧的风险.

从20世纪80年代至2000年，松花江干流、辉发河沉积物Cd和Hg显著增加，特别是Cd.干流(红石段)沉积物Cd质量分数由＜0.05 μg/g增至0.36 μg/g，Hg 质量分数由 0.108 μg/g 增至 0.25 μg/g;辉发河沉积物Cd质量分数由＜0.05 μg/g增至 0.36 μg/g，Hg 质量分数由 0.068 μg/g 增至0.219 μg/g.辉发河和松花江干流悬浮物Cd质量分数很高;辉发河、蛟河和松花江干流悬浮物Hg质量分数也较高［13］.由此，松花湖沉积物 Cd和Hg质量分数总体增长趋势可能主要受控于非点源污染.松花湖上游流域工农业较发达，特别是采矿业，已开采的矿床很多，水土流失较严重，地表岩石风化、土壤淋溶、矿山开采冶炼废水随机排放等都可能构成重金属非点源污染，因此，控制松花湖上游水土流失，加强矿山开采冶炼废水管理是控制沉积物Cd和Hg污染的有效途径.

结 语

综上研究可知，松花湖沉积物Cd和Hg灰色GM(1，1)预测模型具有较高的精度，可对松花湖沉积物Cd和Hg演化趋势进行中长期预测.根据实测和预测数据，在该流域自然环境和人文环境不发生明显改变的情况下，松花湖沉积物Cd和Hg质量分数呈缓慢递增，虽短期内不会出现明显的Cd和Hg污染，但是如不采取有效措施，控制污染源，松花湖沉积物Cd和Hg污染有不断加剧的风险.控制上游水土流失、加强矿山开采冶炼废水管理是降低松花湖沉积物Cd和Hg污染风险的有效途径.

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Grey prediction of Cd，Hg pollution risk in Songhua Lake sediments†

ZHAO Yu-yan，LU Ji-long，HAO Li-bo，and SUN Li-ji
College of Geoexploration Science and Technology Jilin University Changchun 130026 P.R.China

From the average sediment rate of Songhua Lake，the time series data of Cd and Hg contents evolution were obtained by the linear interpolation of measured data.The GM(1，1)prediction model of Cd and Hg contents evolution was set up using data from 1943 to 2006.Residuals，posterior deviation and correlation tests indicated its high precision，thus the model can be used in long-term forecast of Cd and Hg contents.The predicted results showed that Cd and Hg contents had a slowly increasing trend year by year，although Cd and Hg pollution did not appear obviously in the short-term.But if effective measures of controlling sources of Cd and Hg pollution are not taken，the risk of Cd and Hg pollution in Songhua Lake sediment will increase.

geochemistry;GM(1，1)model;heavy metal pollution;Cadmium(Cd);Mercury(Hg);sediments;gray model(GM);pollution risk;Songhua Lake

X 52;P 596

A

1000-2618(2011)04-0368-05

2010-06-23;

2011-01-19

中国地质调查局多目标生态农业地球化学调查项目 (200414200003)

赵玉岩 (1981-)，男 (汉族)，山东省平原县人，吉林大学讲师、博士.E-mail:zhaoyuyan@jlu.edu.cn

郝立波(1961-)，男 (汉族)，吉林大学教授、博士生导师.E-mail:haolb@tom.com

Abstract:1000-2618(2011)04-0372-EA

† This work was supported by the Survey Item of Multi-Objective Ecological Agricultural Geochemistry from the China Geological Survey(200414200003).

【中文责编:晨 兮;英文责编:艾 琳】