利用地质统计熵和污染指数量化共污染物沉积风险：一个可应用于加纳Birim盆地的模型

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Quantifying co-contaminant sediment risk using geostatistical entropy and pollution indices: A transferable model from Ghana’s Birim basin

本研究以加纳比林河为对象，结合FTIR和AAS/ICP-MS技术，首次系统评估了微塑料与重金属（As、Cd、Hg等）的协同污染。通过地积指数（Igeo）、生态风险指数（ERI）和污染负荷指数（PLI）等指标，发现下游区域（Zone C）生态风险最高（总ERI达246.66），主导污染物为砷（As）、铅（Pb）和铜（Cu）。创新性提出熵权风险转移模型（EWRTM），模拟污染物从上游（低风险）向下游（高风险）迁移，结果显示砷贡献率达45.4%，其次为Cd（31.7%）和Hg（22.8%）。研究建议分层治理，重点针对非法采矿和塑料废弃物管理问题，提出政策干预和生态修复方案。

　　在当今的全球环境背景下，新兴污染物（Emerging Contaminants, ECs）对水生生态系统的影响已成为一个不容忽视的议题。特别是，在热带地区，随着城市化和工业化的快速发展，微塑料与重金属的复合污染问题日益突出。微塑料，这些小于5毫米的塑料碎片，以及重金属，这两种污染物不仅在自然环境中持续存在，还对生态系统的健康构成长期威胁。研究显示，它们在沉积物中积累，并通过生物富集和食物链传递对生态和人类健康造成潜在风险。本文旨在探讨这些污染物在热带河流流域的共同污染情况，并提出一个可迁移的方法框架，用于评估其生态风险。以加纳的比里姆河（Birim River）为案例，研究揭示了这些污染物在不同区域和季节的分布模式，以及其对生态环境的综合影响。

比里姆河是加纳Pra流域的重要支流，流经多个采矿区，如Abirem、Akwatia和Kade。由于非法采矿活动和塑料废弃物管理不当，该河已经成为污染的重灾区。非法采矿活动（通常称为Galamsey）不仅释放出多种重金属，如汞、铅和砷，还导致了大量塑料碎片进入水体。这些污染物在沉积物中富集，并对水生生态系统造成深远影响。此外，比里姆河流域的半落叶林生态区和季节性水文特征进一步加剧了污染物的迁移和沉积。因此，有必要进行系统性的评估，以了解这些污染物如何在流域内分布，并对其生态风险进行量化。

研究采用了多种分析方法，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）和原子吸收光谱（AAS）及电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）来识别微塑料的种类并量化十种重金属。研究还引入了地理累积指数（Geo-accumulation Index, Igeo）、生态风险指数（Ecological Risk Index, ERI）和污染负荷指数（Pollution Load Index, PLI），并结合信息论中的熵值分析（Shannon Entropy）来评估污染物的空间分布特征。研究结果显示，微塑料的浓度在比里姆河下游区域较高，主要以聚乙烯（PE）为主。同时，重金属如砷（As）、镉（Cd）和汞（Hg）在湿季的浓度显著增加，这可能与采矿活动引发的化学物质渗漏和地表径流有关。这些结果进一步表明，微塑料和重金属的复合污染在比里姆河流域中表现突出，且其生态风险值高达246.66，显示出高度的环境威胁。

在污染指数方面，砷的Igeo值为2.00，表明其处于中度至重度污染状态。熵值分析（H = 2.39）进一步表明，铜（Cu）、铅（Pb）和砷（As）在污染分布中占据主导地位。通过主成分分析（PCA）和聚类分析，研究还揭示了不同金属在污染特征上的相似性与差异性。例如，汞（Hg）和铅（Pb）形成了一个与采矿活动相关的聚类，而砷（As）则作为主要的污染异常点，显示出其独特的生态风险特征。此外，熵值分析和污染指数的结合，使研究能够更精确地评估污染物的分布不均和其对生态环境的影响。

研究还引入了一个新的模型——熵加权风险转移模型（Entropy-Weighted Risk Transfer Model, EWRTM），该模型能够模拟污染物从上游到下游的迁移过程，并量化其生态风险。通过该模型，研究得出比里姆河下游区域的下游负担指数（Downstream Burden Index, DBI）为52.9，其中砷（As）贡献了45.4%，镉（Cd）贡献了31.7%，汞（Hg）贡献了22.8%。这表明，虽然所有污染物的浓度均未超过国际标准，但它们的组合效应显著增强了生态风险，尤其是在下游区域。

此外，研究发现，比里姆河的上游区域（Zone A）生态风险较低，中游区域（Zone B）则显示出中等生态风险，而下游区域（Zone C）则处于高风险状态。这种空间差异可能是由于上游地区的采矿活动较为集中，而下游区域由于水流速度减缓，污染物更容易沉积和富集。因此，研究建议采用分层次的修复和政策干预措施，以应对比里姆河流域的污染问题。例如，对高风险区域实施植物修复和原位稳定化措施，对中等风险区域加强汞的控制，如使用回转技术，对低风险区域则通过自然降解和监测来控制污染。

在研究方法上，本文采用了横断面研究设计，结合定量现场采样和实验室分析。研究人员在比里姆河上游、中游和下游区域选取了15个采样点，利用Ekman抓取器采集表层沉积物样本。采样过程中采用了GPS进行地理定位，并通过酸洗和烘干等预处理步骤确保样品的代表性。实验室分析中，微塑料通过密度分离法进行纯化，随后利用FTIR光谱技术进行识别和量化。对于重金属的分析，采用AAS和ICP-MS进行定量检测，并结合标准参考材料（CRM）进行质量控制。这些方法确保了研究结果的准确性和可重复性。

从政策角度来看，本文提出了一系列建议，以应对比里姆河流域的污染问题。首先，加纳环境保护局（EPA-Ghana）和水资源委员会（Water Resources Commission）应加强对该流域的监测，并将比里姆河流域列为高风险生态区域。其次，矿产委员会和自然资源部应加强非法采矿活动的监管，推动汞无害化技术的使用，并对非法倾倒行为进行处罚。第三，应鼓励社区参与污染治理，如通过植被恢复和缓冲带建设来减少污染物的输入。此外，教育部门应开展相关环保宣传，提高公众对微塑料和重金属污染的认识，促进行为改变。

然而，研究也存在一定的局限性。例如，虽然对微塑料和重金属进行了检测，但未对重金属在微塑料表面的吸附情况进行量化分析。此外，研究未直接测量水文参数，如径流量和侵蚀率，这可能影响对污染物迁移机制的全面理解。因此，未来的研究应进一步探索这些方面的内容，以完善对复合污染的理解和评估。

总体而言，本文的研究成果不仅为比里姆河流域的污染治理提供了科学依据，也为全球热带地区的环境管理提供了新的视角。通过将FTIR微塑料分析与AAS/ICP-MS重金属检测相结合，并引入熵加权风险转移模型（EWRTM），研究为理解复合污染提供了更全面的框架。该研究还强调了在生态风险评估中，结合污染的时空动态和多种污染物的相互作用的重要性。因此，本文不仅填补了非洲地区在复合污染研究方面的空白，也为全球范围内，特别是在发展中国家的河流流域，提供了可复制的风险评估和管理模型。