基于SOM模型的珠江河口河网铊生态风险评估

doi:10.11978/2020064

热带海洋学报 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (3): 132-142.doi: 10.11978/2020064CSTR: 32234.14.2020064

基于SOM模型的珠江河口河网铊生态风险评估

蓝璇¹(), 利锋¹, 张超¹, 董汉英²(), 杨清书³, 余明辉⁴, 文汝兵¹, 杨玉洁¹

1.华南理工大学土木与交通学院, 广东广州 510641
2.中山大学大气科学学院, 广东珠海 519082
3.中山大学海洋工程与技术学院, 广东珠海 519082
4.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室, 湖北武汉 430072

收稿日期:2020-06-16 修回日期:2020-07-15 出版日期:2021-05-10 发布日期:2020-07-21
通讯作者: 董汉英
作者简介:蓝璇(1994—), 女, 广东省中山市人, 华南理工大学土木与交通学院硕士研究生, 主要研究方向为水环境生态修复。email: 494350120@qq.com
基金资助:
国家重点研发计划(2016YFC0402604);广东省水利科技创新计划项目重点项目(2017-21)

Ecological risk assessment of thallium in Pearl River Estuary and network based on the SOM model

LAN Xuan¹(), LI Feng¹, ZHANG Chao¹, DONG Hanying²(), YANG Qingshu³, YU Minghui⁴, WEN Rubing¹, YANG Yujie¹

1. School of Civil Engineering and Transportation of South China University of Technology, Guangzhou 510641, China
2. School of Atmospheric Sciences of Sun Yat-sen University, Guangzhou 519082, China
3. School of Marine Engineering and Technology of Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China
4. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science of Wuhan University, Wuhan 430072, China

Received:2020-06-16 Revised:2020-07-15 Online:2021-05-10 Published:2020-07-21
Contact: DONG Hanying
Supported by:
National Key R&D Program of China(2016YFC0402604);Key Project of Water Science and Technology Planning Project of Guangdong Province of China(2017-21)

摘要/Abstract

摘要：

珠江三角洲地区铊浓度的研究对粤港澳大湾区水资源保障具有重大意义。本研究在珠江河口河网选取了11个断面, 分别于枯水期和丰水期的大小潮四个水文时段对其表、中、底层进行同步采样和监测。分析了珠江河口与河网中铊的暴露情况以及其时间和空间的分布, 采用自组织映射神经网络(self-organizing maps, SOM)基因表达聚类分析的方法对528个铊浓度监测数据进行拟合。此外, 本研究基于潜在生态风险评价方法, 选取相应的系数, 运用SOM模型, 对珠江河口河网铊的潜在生态风险进行评估。结果表明, 珠江河口与河网铊的暴露水平整体上较低, 铊的浓度在空间上呈现为磨刀门>石龙>马口>伶仃洋>虎门>三水, 而在时间上则表现为丰水期小潮>丰水期大潮>枯水期大潮>枯水期小潮。SOM聚类分析结果表明, 珠江河口河网整体上潜在生态风险属于较低水平, 各断面的潜在生态风险程度从高到低依次为磨刀门>马口>石龙>伶仃洋>虎门>三水。本研究表明SOM聚类分析方法适合于重金属污染物聚类分析。

关键词: 珠江河口河网, 铊, SOM模型, 生态风险

Abstract:

The study of thallium concentration in the Pearl River Delta is of great significance for water resources protection in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area. The table, middle and bottom layers of 11 sections at the estuary and network of the Pearl River were simultaneously sampled and monitored during the four hydrological periods, including spring tide and neap tide of withered water period and high water period. The concentrations of thallium in different layers of the 11 sections were determined, and their temporal and spatial distribution were analyzed. The Self Organizing Maps (SOM) gene expression clustering analysis method was used to fit the 528 thallium monitoring data. In addition, based on the potential ecological risk evaluation method and selected corresponding coefficients, the potential ecological risk of thallium in the Pearl River Estuary and network was assessed by using the SOM model. The results show that the exposure level of thallium in the Pearl River Estuary and network is generally low. The order of thallium concentration are Modaomen > Silong > Makou > Lingdingyang > Humen > Sanshui and neap tide of high water period > spring tide of high water period > spring tide of withered water period > neap tide of withered water period. The SOM analysis results show that the potential ecological risks are overall low in the Pearl River Estuary and network with the order of Modaomen, Makou, Silong, Lingdingyang, Humen, and Sanshui. This study indicates that the SOM method is suitable for cluster analysis of heavy metal pollutants.

Key words: Pearl River Estuary and network, thallium, SOM model, ecological risk

中图分类号:

X826

蓝璇, 利锋, 张超, 董汉英, 杨清书, 余明辉, 文汝兵, 杨玉洁. 基于SOM模型的珠江河口河网铊生态风险评估[J]. 热带海洋学报, 2021, 40(3): 132-142.

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图/表 8

图1

表1

表2

表3

图2

图3

图4

表4

参考文献 30

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	观测断面	分层	枯水期铊浓度(μg·L^-1)
			大潮				小潮
			最大值	最小值	平均值	标准差	最大值	最小值	平均值	标准差
河口区域	伶仃洋	上层	0.032	0.003	0.014	0.007	0.033	0.001	0.016	0.009
		中层	0.031	0.006	0.016	0.008	1.270	0.002	0.080	0.273
		下层	0.029	0.005	0.017	0.006	0.042	0.006	0.017	0.009
		平均值	0.031	0.005	0.016		0.448	0.003	0.113
	虎门	上层	0.028	0.017	0.020	0.005	0.022	0.012	0.018	0.005
		中层	0.019	0.009	0.015	0.005	0.022	0.009	0.015	0.006
		下层	0.026	0.007	0.015	0.009	0.028	0.009	0.016	0.009
		平均值	0.024	0.011	0.017		0.024	0.010	0.016
	磨刀门	上层	0.030	0.017	0.022	0.006	0.027	0.017	0.023	0.004
		中层	1.302	0.016	0.338	0.643	0.026	0.011	0.016	0.004
		下层	0.028	0.008	0.019	0.009	0.027	0.013	0.018	0.006
		平均值	0.453	0.137	0.126		0.027	0.014	0.019
河网区域	马口	上层	1.320	0.003	0.648	0.738	0.026	0.013	0.022	0.006
		中层	0.024	0.016	0.020	0.004	0.023	0.003	0.015	0.009
		下层	0.022	0.013	0.016	0.004	0.020	0.028	0.023	0.003
		平均值	0.455	0.011	0.228		0.023	0.015	0.020
	三水	上层	0.027	0.009	0.014	0.008	1.330	0.008	0.341	0.660
		中层	0.021	0.009	0.016	0.005	0.029	0.002	0.020	0.012
		下层	0.026	0.006	0.015	0.009	0.016	0.006	0.012	0.004
		平均值	0.025	0.008	0.015		0.458	0.005	0.124
	石龙	上层	0.021	0.003	0.017	0.009	1.435	0	0.192	0.502
		中层	1.235	0.012	0.171	0.430	1.430	0.012	0.196	0.499
		下层	0.024	0.012	0.017	0.005	1.369	0.008	0.186	0.478
		平均值	0.427	0.009	0.068		1.411	0.007	0.191

	观测断面	分层	丰水期铊浓度/(μg·L^-1)
			大潮				小潮
			最大值	最小值	平均值	标准差	最大值	最小值	平均值	标准差
河口区域	伶仃洋	上层	0.122	0.028	0.066	0.024	0.117	0.043	0.072	0.018
		中层	0.120	0.028	0.063	0.021	0.148	0.043	0.078	0.024
		下层	0.101	0.031	0.061	0.020	0.141	0.040	0.079	0.026
		平均值	0.114	0.029	0.063		0.135	0.042	0.076
	虎门	上层	0.096	0.048	0.069	0.020	0.078	0.068	0.074	0.004
		中层	0.082	0.065	0.070	0.008	0.084	0.064	0.075	0.007
		下层	0.071	0.063	0.067	0.004	0.092	0.077	0.082	0.007
		平均值	0.083	0.059	0.069		0.085	0.070	0.077
	磨刀门	上层	0.274	0.129	0.187	0.048	0.173	0.101	0.134	0.037
		中层	0.120	0.057	0.086	0.027	0.089	0.057	0.077	0.016
		下层	0.165	0.084	0.129	0.034	0.136	0.080	0.105	0.023
		平均值	0.186	0.090	0.134		0.133	0.079	0.105
河网区域	马口	上层	0.101	0.068	0.086	0.015	0.104	0.071	0.092	0.014
		中层	0.103	0.073	0.082	0.014	0.125	0.065	0.082	0.029
		下层	0.087	0.063	0.077	0.011	0.091	0.081	0.085	0.002
		平均值	0.097	0.068	0.082		0.107	0.072	0.086
	三水	上层	0.139	0.022	0.093	0.050	0.051	0.017	0.030	0.015
		中层	0.140	0.073	0.109	0.030	0.051	0.020	0.030	0.015
		下层	0.148	0.102	0.121	0.023	0.021	0.016	0.019	0.002
		平均值	0.142	0.066	0.108		0.041	0.018	0.026
	石龙	上层	0.112	0.073	0.176	0.012	0.090	0.014	0.075	0.025
		中层	0.097	0.074	0.087	0.008	0.092	0.066	0.080	0.008
		下层	0.095	0.073	0.086	0.008	0.100	0.074	0.086	0.008
		平均值	0.101	0.073	0.116		0.094	0.051	0.080

	区域(年份)	铊浓度/(μg·L^-1)
国内	本文研究区域(2016—2017年)	未检出~1.43
	广东西江流域(2013年)(解小凡等, 2015)	0.01~0.1
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	长江下游(2006年)(Müller et al, 2005)	0.05
	三峡大坝河水(2006年)(Müller et al, 2005)	0.019~0.111
	长江源头(2012年)(Qu et al, 2015)	0.00416
	GB5749–2006生活饮用水卫生标准(中华人民共和国卫生部等, 2007)	0~0.1
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观测断面	分层	铊的浓度聚类	铊的潜在生态风险聚类		观测断面	分层	铊的浓度聚类	铊的潜在生态风险聚类
观测断面	分层	输出结果	输出结果	评价等级	观测断面	分层	输出结果	输出结果	评价等级
伶仃洋1	上	1.5	0.5	低度	磨刀门	上	6.5	10.0	极高
	中	1.0	0.5	低度		中	8.5	8.0	极高
	下	0.5	0.5	低度		下	10.0	7.5	高
伶仃洋2	上	0.5	1.5	低度	马口	上	9.5	8.0	极高
	中	1.0	0.5	低度		中	8.0	8.0	极高
	下	1.5	0.5	低度		下	6.0	3.0	中度
伶仃洋3	上	0.5	0.5	低度	三水	上	1.5	0.5	低度
	中	1.0	0.5	低度		中	3.0	0.5	低度
	下	1.0	0.5	低度		下	2.5	2.0	低度
伶仃洋4	上	0.5	0.5	低度	石龙南	上	7.5	7.5	高
	中	0.5	0.5	低度		中	7.0	7.0	高
	下	0.5	0.5	低度		下	10.0	10.0	极高
伶仃洋5	上	0.5	1.5	低度	石龙北	上	7.0	6.5	高
	中	0.5	0.5	低度		中	3.0	6.5	高
	下	2.5	3.0	中度		下	2.5	6.0	高
虎门	上	2.5	0.5	低度
	中	2.5	0.5
	下	2.5	0.5

基于SOM模型的珠江河口河网铊生态风险评估

Ecological risk assessment of thallium in Pearl River Estuary and network based on the SOM model

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