城市表层土壤重金属污染研究

沈伶伶

(鞍山技师学院，辽宁 鞍山 114000)

图1 城区地形图

随着城市经济的快速发展和城市人口的不断增加，人类活动对城市环境质量的影响日显突出.对城市土壤地质环境异常的查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价，研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式，日益成为人们关注的焦点.

按照功能划分，城区一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，分别记为1 类区、2 类区、…、5 类区，不同的区域环境受人类活动影响的程度不同.现对某城市城区土壤地质环境进行调查，将考察区域按照每平方公里1个采样点对表层土进行取样、编号，得到采样点的位置、海拔、所属功能区及采样点处8种重金属元素的浓度，已知8种重金属元素的背景值.

1 对城区重金属污染程度的分析

1.1 问题分析

由于采样数据是一系列散点，利用Matlab进行cubic插值，以便描绘出不同重金属元素在该城区的空间分布图.

要分析该城区内不同区域重金属元素的污染程度，需要确定污染程度的评价标准，本文采用模糊综合评价法建立污染程度的评价标准.模糊综合评价法用隶属度描述模糊的污染分级界线,各评价等级的隶属度再以各评价因子的权重修正,则得到评价样品对评价等级的隶属度.由于重金属元素对土壤的污染程度与其浓度和毒性均有关，故采用双权重因子改进型模糊综合评判模型来综合考虑浓度和毒性作用[1].从定性和定量两方面进行分析，来寻找最佳权重，能够比较客观的反应出各污染因子对土壤环境质量的影响.最后通过对比分析，得出城区内不同区域的重金属污染程度.

1.2 各重金属元素的空间分布

1.2.1 城区地形图 首先将采样数据按5种功能区进行分区整理，利用Matlab进行cubic插值，画出了城区的地形图，如图1.

1.2.2 各重金属元素在城区的空间分布 根据各重金属元素的浓度，画出其空间分布图2，图2将不同区域的采样点以不同符号示出.

由图2可见，8种重金属元素在空间分布上具有一定的规律性，表现为：人类活动密集的工业区、交通干线两侧、生活区等污染较为严重，受人为活动影响较小的公园绿地区重金属含量较小，污染相对较轻，而山林区所受污染最小，大部分范围未受污染.

1.3 基于改进型模糊数学算法对土壤重金属污染程度的分析

模糊数学法是对土壤污染评价的有效方法之一，采用模糊综合评价法建立评价标准方法如下：

图2 各种元素的浓度分布图

1)首先要建立评价等级标准，根据隶属度函数求出评价因子对各等级的模糊关系矩阵A，隶属度表示某种污染元素浓度值隶属于某等级的程度大小，隶属度越大，该浓度属于该某等级的程度越大；

2)其次确定各指标的权重W,综合考虑重金属浓度和本身的毒性作用,本文采用双权重因子寻找各指标的最佳权重,比较客观地反映出各污染因子对土壤环境质量的影响；

3)根据模糊关系矩阵和权重矩阵得到各样本的评价等级，对每个等级给定分值，加权得出个样本的最终得分.

1.3.1 污染因子隶属度函数及模糊关系矩阵的建立 为了进行模糊运算，需要确定各污染因子的隶属度函数，并以隶属度来描述土壤污染状况的模糊界线.根据各重金属元素的背景值将土壤质量分为3个标准等级，设对第i种污染因子分别以Si1,Si2,Si3表示各等级的标准浓度值.仿照国家《土壤环境质量标准》[2](GB15618-1995)，根据提供的土壤背景值，按照同比例原则，得到了此时的土壤环境质量标准如表1所示.

表1 土壤环境质量标准

使用表1的数据作为各个隶属度函数的拐点，用分段的直线函数模拟可以得到土壤重金属污染状况的隶属度函数.由以上分析，采用以下三个分段函数来表示实测浓度为Ci的污染因子i对各级标准的隶属度函数[3].一级土壤环境质量标准的隶属度函数：

(1)

式(1)表示：当Ci小于一级标准值时，对一级标准的隶属度为1，即认为属于一级；当Ci介于一级标准值和二级标准值之间时，该评价因子仍对一级标准有一定的隶属度，其值在0～1之间；当Ci大于二级标准值时，该因子对一级标准的隶属度为零，即不属于一级.

同样地，二级、三级的隶属度函数含义类似，表示为：

对二级土壤环境质量标准的隶属度函数：

(2)

对三级土壤环境质量标准的隶属度函数：

(3)

由此可得出污染因子i对土壤标准级别j的隶属度矩阵：A=(rij)8×3

表2 各重金属的毒性指数

1.3.2 污染因子权重系数的确定 由于重金属元素对土壤的污染程度与其浓度和毒性均有关，需综合考虑两者来确定各污染因子的权重系数.

根据Hakanson制定的标准化重金属毒性响应系数，分别对各重金属的毒性级别指数赋值，如表2.

指数越小，代表毒性作用越大，其权重应越大.因此将污染物浓度的权重和毒性级别fi相除，并作归一化处理，得到各污染因子的权重公式：

(4)

[w1,w2,…,w8]

同理可得出其他评价样本点各污染因子的权重向量，最终得到319×8的权重矩阵W.

1.3.3 综合评价矩阵 设B为评价样本点对不同级别的隶属度,通过不同污染因子的模糊关系矩阵A和权重值矩阵W 进行矩阵运算：

B=W·A

即可得出不同评价样本点对各评价等级的隶属度，给定各等级对应的分值(根据土壤重金属环境质量各级别的控制意义，取土壤重金属环境质量一级标准分值c1为100，二级标准分值c2为80，三级标准分值c3为60).利用评价向量的分量形成权重,对各等级的分值进行加权平均,得到评价分值.某样本点评价分值的计算公式为：

(5)

式中：bj为评价向量B 中某样本对应于第j 级土壤质量水平的隶属度；λj是由B 的分量构成的一组权重，反映了各等级分值占的重要性；cj是对第j 级土壤质量水平所打的分值，c是该样本点的最终得分.

1.4 模型求解

将各样本点按所属功能区域进行分类.然后根据实测浓度值，各等级标准值以及毒性指标，利用Matlab编程求解[4-6]，得到了各功能区域各样本点的评价分值，做出直方图如图3所示.

图3 不同区域各采样点的评价分值直方图

根据直方图，整理可得各功能区域隶属于各个标准等级的样本点数目及比率，其比率为某区域某级别的样本点数与该区域总样本数之比，如表3所示.

2 结果分析

1)综合直方图和表3可知，山区评价得分最高，采样点中84.85%的采样土壤质量被评为一级，没有采样点被评为质量最差的三级标准；

表3 各区域隶属各等级的样本频数及比率

2)其次是公园绿地区，有57.14%的采样点为一级，仅11.43%的采样点为三级；再次是生活区，54.55%的采样点被评为一级，18.18%的采样土壤为三级，表明公园绿地区和生活区已受到一定程度的重金属污染，公园绿地区受一定人为活动的影响，但人为活动不如生活区频繁，而生活区的主要污染则来自居民日常生活垃圾等；

3)主干道道路区三级土壤样本点较多，60%以上的采样点被评为二、三级，主要是由于汽车尾气排放、轮胎摩擦等的影响，重金属随大气沉降进入土壤；而重金属污染最严重的是工业区，其评价得分最低，有83%以上的土壤被评为二、三级，且在所有区域中属于三级的土壤样本比例最大，主要由于是工厂排放大量的废气，废水，导致土壤中重金属含量较高.

综上分析，得到了该城市各区域污染程度大小的排序为：山区<公园绿地区<生活区<主干道道路区<工业区.

[1] 张超,马建华,李剑.改进型模糊数学法在土壤重金属污染分析中的应用[J].安徽农业科学，2009,37(4)：1763-1766.

[2] 国家环境保护局.GB15618-1995土壤环境质量标准[S].1995.

[3] 石晓翠，熊建新.模糊数学模型在土壤重金属污染评价中的应用[J].天津农业科学， 2005,11(3)：28-30.

[4] 郑彤，陈春云.环境系统数学模型[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5] 李涛.Matlab工具箱应用指南——应用数学篇[M].北京：电子工业出版社，2000.

[6] 姜启源，谢金星，叶俊.数学模型[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.