[发明专利]一种基于LSTM-NN时序预测的PM2.5中重金属健康风险评价方法

说明书

本发明公开了一种基于LSTM‑NN时序预测的PM2.5中重金属健康风险评价方法。本发明对当前常用的PM2.5中重金属健康风险评价方法与模型中不合理、不准确的参数取值方式提出改进方法，充分提取、分析和考虑了隐含在PM2.5中重金属日均浓度时间序列中被以往研究所忽略的变化趋势信息，对PM2.5中重金属健康风险评价结论正确性与可靠性的提高有重要意义，给污染控制有关部门提供更全面、更准确的PM2.5中重金属浓度变化趋势信息，使其环境管理策略更有针对性与时效性。

技术领域

本发明属于环境科学与工程、环境健康风险评价、环境管理领域，具体涉及一种基于LSTM-NN时序预测的PM2.5中重金属健康风险评价方法。

背景技术

由于社会经济发展与人类活动，以PM2.5等大气颗粒物为代表的大气污染日益严重。研究表明，大气颗粒物尤其是PM2.5细颗粒物浓度的大幅增加与引发呼吸道类疾病、以及死亡等病症发生率的增加有密切关系。

研究表明，大气颗粒物的等效直径越小，重金属浓度越高。PM2.5因其粒径小且有着较其他微粒更大的比表面积，更容易吸附大气中的各种重金属等有害物质。其中Cr、Ni、Cd、As属于致癌物质，Pb会损害人体的血液循环系统以及神经系统，Cu会导致记忆力衰退等病症，As会损害人体呼吸道黏膜,诱发呼吸系统疾病。虽然PM2.5中重金属的暴露途径较多，包括呼吸摄入、皮肤接触等，但呼吸途径更值得关注，富集在PM2.5表面的重金属更容易随呼吸进入人体，进而危害人体健康。

以往的研究表明，我国城市PM2.5等大气颗粒物中重金属的污染情况较严重，如下表所示，部分城市的Cd和Pb年平均浓度严重超过国家环境空气质量标准规定的限值，大气颗粒物中较高的重金属浓度对当地人群造成重大健康威胁。PM2.5中重金属的健康风险评价方法，可详细、深入、定量地了解PM2.5中重金属对当地人群造成健康危害，并为当地污染控制部门制定污染控制措施以及污染管理提供充实的数据支持。

环境健康风险评价的模式很多，但目前更多采用美国科学院提出的四步法为范式。该健康风险评价模式，基本流程包括危害识别→剂量—反应评估→暴露评价→风险表征。危害识别，通过收集和分析相关资料定性判断包括重金属元素在内的环境风险源的性质、强度以及可能危害性；剂量—反应评估，通过一定数学模型建立和估算污染物的暴露水平或剂量与暴露人群的不良反应(健康效应)发生率之间的关系，从而定量评估污染物毒性。暴露评估，定量或定性估算和评价暴露量、暴露频率、暴露途径和暴露时间，估算整个社会或一定区域内人群接触某种化学物质的程度或可能性。风险表征，利用上述三个阶段所获数据，估算不同暴露途径下污染物(包括重PM2.5中的重金属元素)对人体健康可能产生危害的强度或某种健康效应发生的概率。其中前两步危害识别与剂量—反应评估侧重于重金属等有害化学物质本身物理、化学性质及其对人体的危害，而与实际研究区域的污染状况无关，且前人的研究较充分与翔实，因此在前人关于危害识别、剂量—反应评估的研究结论基础上，当前研究更关注于暴露评估以及风险表征的研究。

暴露评价，即定量评估重金属元素在呼吸摄入等暴露途径下的暴露剂量，致癌物质用LADD(Lifetime Average Daily Dose,终身日平均暴露剂量)表示，非致癌物质用ADD(Average Daily Dose,日平均暴露剂量)表示，量纲均为mg/(kg·day)。LADD与ADD的计算公式为ADD(LADD)＝(C·IR·ED·ET·AF)/(BW·AT)。其中C(mg/m³)表示一定时间内人群接触的PM2.5中重金属元素的日平均浓度；IR(m³/day)表示人群的呼吸速率；ED(day/year)表示持续暴露天数；ET(year)表示暴露年限；AF(无量纲)表示吸入率；BW(kg)表示人群的平均体重；AT(day)表示人群的平均寿命。除了C以外的参数可借鉴前人的研究成果以及中、美等国的环保部推荐值。