地表水环境介质中有机化学品暴露水平预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境生态风险评价领域，具体来说，涉及一种地表水环境下基于质量 平衡和动态消减的多介质暴露预测模型和数据分析方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国化学工业迅猛发展，有机化学品的种类、产量、使用量以及排放量急 剧增加，而产生的废水排放进入污水处理厂，并最终进入周围水体环境，进入水环境系统的 有机化学品在各种跨介质迀移过程的作用下，能够从水体挥发进入大气，可以通过吸附作 用富集在悬浮颗粒物中，并通过颗粒物沉降作用进入水体底部沉积物中，因此，在进行有机 化学品的生态环境风险评价时，应充分考虑有机化学品在环境各介质中的暴露水平，这就 使得有机化学品在多介质环境中的跨介质迀移与转化过程显得非常重要，但是对数量众多 的有机化学品在各种环境介质中的时空分布进行研宄是不可行的。由于计算机软硬件技术 的快速发展，基于建立的多介质暴露水平预测模型，通过计算机语言研发出预测评估软件， 可以很大程度上提高效率和准确率，地表水环境介质中有机化学品暴露水平预测方法能够 综合、细致和真实的描述污染物在实际水环境中的分配、转移与转化过程，将对已经存在的 或新合成的有机化学品的环境影响提供早期评价，这对有机化学品的环境暴露和安全管理 以及环境生态风险评价具有重要意义。
[0003] 目前，已有研宄者将多介质暴露预测模型广泛的应用于污染物归趋行为的研 宄。如文献"Chemosphere，1983, 12:981-997"构建以水相为主体，包括沉积物相、生 物相和气相的多介质暴露预测模型，描述了污染物在湖泊中的稳态行为；紧接着，文献 "Chemosphere，1985, 12:1193-1208"将河流分成一系列连接湖段，并假设每一湖段混合 均匀并作为独立的水体，用多介质暴露预测模型模拟不挥发有机物在河流中的归趋；为了 更加深入的了解污染物在环境中的动态行为，文献"environmentalscience&technolo gy，1995, 29:1200-1209"建立了连续时间变化的多介质预测模型，模拟了持久性有机污染 物在英国南部地区空气-土壤两相中的长期变化；随后，文献"environmentalscience&t echnology，2000, 34:2373-2379"中引入矩阵来描述污染物在不同环境相中环境行为，从而 构建了以逸度为基础的水环境下多介质暴露水平预测方法，将质量平衡方程以矩阵的形式 联立起来。但是目前多介质暴露预测方法形式单一，无法提取预测规则和预测能力可能会 出现过拟合的矛盾问题，可理解性差，不利于模型应用和行为解释，数据分析难等问题。因 此，亟需建立一个结构简单、预测规则透明、易于理解、有效的暴露水平预测方法，并且能够 根据研宄的目的和要求选择合适级别的模型，然后通过CrystalBall数据系统分析输入参 数对输出结果的影响程度，得到影响模型输出结果的关键参数，并通过进一步优化，使预测 值与实测值有较好的吻合度；采用MonteCarol仿真功能协助分析，给出模型的不确定性 信息，最后提供一个能够较准确的模拟出有机化学品在地表水环境介质中暴露水平预测方 法，为环境管理与决策提供有价值的信息。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对上述不足之处，建立一个结构简单、预测规则透明、易于理 解、有效的暴露预测模型系统，为环境管理与决策提供有价值的信息。
[0005] 地表水环境介质中有机化学品暴露水平预测方法，其特征在于：
[0006] 步骤一、确定待测地表水环境系统的主环境相及其子相，测量并获得该地表水系 统的主要环境参数；确定目标污染物的理化参数及背景排放参数。
[0007] 步骤二、将所获得的数据输入到该系统中，首先以Mackay多介质逸度模型方法为 基础获得各个环境相的逸度容量、降解反应消减参数、相间质量交换参数，并根据步骤一中 污染物的背景排放参数，建立以环境相化合物的质量变化=进入环境相的化合物量-离开 环境相的化合物量-降解反应消减的化合物量的方程，该系统将根据已编入的矩阵、逆矩 阵和矩阵乘积运算MMULT函数的语法，得到目标污染物在地表水多介质环境稳态系统下各 个环境相的逸度和浓度；同时该系统可以将降解反应消减参数、相间质量交换参数和步骤 一中污染物的排放参数整合到不同的标志单元格中，并根据研宄目的和实际情况确定研 宄区域在时间上的大小，在MicrosoftWindows环境下实现CrystalBall软件与Matlab R2009b进行连接，实现数据的交换和同步更新，采用龙格-库塔函数对微分方程组进行计 算，得到以时间为基础的暴露水平预测模型的逸度，再根据逸度计算得到该地表水环境体 系中各个环境相的逸度、浓度和质量分布，可以较为准确地描述残留污染物在地表水环境 体系中长期的浓度变化规律，并预测了受污染河流的恢复时间；可计算区域范围内各个境 相中目标污染物的动态质量交换和动态富集情况，可为环境管理与决策提供有价值的信 息。
[0008] 步骤三、将地表水环境多介质暴露水平预测方法嵌入到CrystalBall软件中，并 可以根据生成的变量灵敏度结果，得到影响模型输出结果的关键参数，并通过进一步优化， 使预测值与实测值有较好的吻合度；采用MonteCarol仿真功能协助分析，给出模型的不 确定性信息。
[0009] 具体地，步骤一所述待测地表水环境系统的主环境相及其子相可以划分为空气 相、水相和沉积物相，其中空气相包括气相和气溶胶相，水相包括纯水相和悬浮颗粒物，沉 积物相包括沉积物固相和水相；
[0010] 具体地，步骤二所述地表水环境介质各主环境相及其子相的逸度容量分别为：
[0011] 气相：ZA= 1ART)
[0012]气溶胶相：ZQ=Za*6*106/Ps
[0013]空气相：ZTA=VQ*ZQ+VA*ZA (VQ+VA= 1)
[0014]纯水相：ZW=S/Ps
[0015]悬浮颗粒物：ZP=Zw* 由 P*pP*K0C
[0016]水相：ZTW=Vw*Zw+VP*ZP(Vw+Vp= 1)
[0017]沉积物固相：Zs =Zw* 由 sed*psed*K0C
[0018]沉积物相：ZTS=Vw*ZW+VS*ZS (Vw+VS= 1)
[0019] 所述Z为逸度容量（mol ? m_3 ? pa)，R为气体常数（pa ? m3 ? mor1 ? kT1)，T为环境 温度（k)，Ps为过冷蒸汽压（pa) ;VQ为空气中气溶胶微粒的含量（_)，VA为空气中气体的含 量（_)，S为水中的溶解度（mol/m 3)，Ps为饱和蒸汽压（pa)，由P为悬浮颗粒物的有机碳含 量（_)，PP为悬浮颗粒物的密度（kg/m3)，Koc为有机碳分配系数（-)，Vw为水中纯水的含 量（_)，Vp为水中悬浮颗粒物的含量（-)，由sed为沉积物的有机碳含量（_)，Psed为沉积物 的密度（kg/m3)，Vs为沉积物中固体相的含量（-);
[0020] 具体地，步骤二所述各个环境相的降解反应消减参数分别为：
[0021] 空气相：DKA=kKA*VA*ZA 「n kpA-|n2
[0022] 狀―^- h/2A
[0023] 水相：DKW=kKW*VW*ZW
[0024] h/2W
[0025] 沉积物相：DKS=kKS*Vs*Zs r 1 kpS-丨门2
[0026] Rs --- n/2s
[0027] 其中，kM、kKW和kKS分别为目标污染物在空气相、水相和沉积物相中的降解速率 (jT1)，t1/2A、t1/2jPt1/2S为化合物在空气相、水相和沉积物相中的半衰期（s);
[0028] 具体地，步骤二所述各个环境相间的质量交换参数分别为：
[0029] 水向空气的挥发：DW_A=lAlAKva*Aw*Za) +lAKvw*Aw*Zw))
[0030] 空气与水的交换：Da_w=Dh+D^+D^+D^
[0031] D冊=AA_W*UK*ZW
[0032] Dqw=Aa_w*Uk*Q*Vq*Zq
[0033] DQv=AA_w*UQ*VQ*ZQ
[0034] 空气的平流流入：Da=Ga*Za
[0035] 水的平流流入：DW=GW*ZW
[0036] 沉积物与水间的交换：DS_W=Dy+Dks
[0037] Dy= 1/ {l/(ksw*As_ff*Zff)+Y4/BMff*As_ff*Zff) ) }
[0038] Dks=Uks*As_w*Zs
[0039] 水与沉积物间的交换：Dw_s =Dy+Dds
[0040] Dds =Udp*Aw_s*Zp
[0041] 所述KVA水-气界面气侧传质系数（m/h)，KVW为水-气界面中水侧传质系数（m/h)， Am和、^分别被为空气-水界面和沉积物_水界面的面积（m2)，％为年平均降雨量（m/h)、 Q为清除速率、GAS空气的平流流入速率（m3/h)，Gw为水径流量（m3/h)，ksw为底泥-水界面 水侧传质系数，\为底泥中扩散路径长度（m)，BM为水中分子扩散系数（m2/h)，UKS为底泥 再悬浮速率（m/h)，UDP为底泥沉降速率（m/h);
[0042] 具体地，步骤二所述各个环境相中目标污染物的质量变化微分方程组分别为：
[0043] 空气相：
[0044] VAZAdfA/dt=EA+GA*CA+fw*Dw_A-fA* (DA_W+DKA+DA)，
[0045] 水相：
[0046] VwZwdfw/dt=Ew+Gw*Cw+fA*DA_w+fs*Ds_w-fw* (DW_A+DW_S+D冊+DW)，
[0047] 沉积物相：
[0048] VsZsdfs/dt = fw*Dw_s-fs* (DS_W+DKS)，
[0049] 其中，VA、V#P V s分别为空气相、水相和沉积物相的体积（m 3)，EJP E "表示污染 物向空气和水中的排放速率（mol/h)，（；和(\表示污染物平流流入空气和水中的背景浓度 (mol/m 3)，fA、f^PfsS未知量，分别表示空气相、水相和沉积物相的逸度（pa);
[0050] 具体地，步骤二中所述各个环境相中目标污染物的质量变化微分方程组也可以或 者表示为：
[0051] 空气相：dfA/dt =入 入 2*fA+bi
[0052] 水相：dfw/dt = _ 入 3*fw+ 入 4*fA+ 入 5*fs+b2
[0053] 沉积物相：dfs/dt= A6*fw-A7*fs
[0054] 其中：X为未知量f?的系数，b为常量；
[0055] 具体地，步骤二中所述已编入的矩阵、逆矩阵和矩阵乘积运算MMULT函数的语法 分别为：
【主权项】
1.地表水环境介质中有机化学品暴露水平预测方法，其特征在于： 步骤一、确定待测地表水环境介质的主环境相及其子相，测量并获得该地表水系统的 环境参数；确定目标污染物的理化参数及背景排放参数； 步骤二、将所获得的数据输入到模型中，首先以Mackay多介质逸度模型方法为基础获 得各个环境相的逸度容量、降解反应消减参数、相间质量交换参数，并根据步骤一中污染物 的背景排放参数，建立以"环境