基于兩種模型的城市土壤重金屬污染等級研究

龔 杰，張 敏，雷 林

(重慶交通大學(xué) 航海學(xué)院，重慶 400074)

全世界范圍內(nèi)，城市表層土壤已受到了不同程度的重金屬污染[1]。城市表層土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的有機組成部分，是土壤圈中受人類活動影響最為強烈的部分。這類土壤廣泛分布于公園、道路、體育場、城郊、廢棄工廠及礦山周圍，有著不同于自然土壤的理化性質(zhì)。

重金屬是有害元素，可通過污染食物危害人類健康。當(dāng)重金屬在土壤中的累積與儲存超過土壤承載能力的限度時，或當(dāng)氣候、土地的利用方式，以及土壤理化性質(zhì)等外部環(huán)境發(fā)生改變時，就會突然活化導(dǎo)致嚴重的環(huán)境災(zāi)害[2]。研究城市土壤中的重金屬污染狀況，對有針對性地采取污染治理措施，具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。

近年來，重慶市南岸區(qū)作為重慶市主城核心區(qū)的重要部分，區(qū)域開放度、經(jīng)濟融合度不斷提升，在經(jīng)濟建設(shè)方面取得較大進步。同時，由于經(jīng)濟建設(shè)帶來環(huán)境問題不容忽視。在收集重慶市南岸區(qū)表層土壤重金屬含量的基礎(chǔ)上，筆者將南岸區(qū)劃分為4塊功能區(qū)：生活區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和交通區(qū)。然后采用綜合評價的方式對各個功能區(qū)污染程度進行劃分。目的是為了了解南岸區(qū)各功能區(qū)重金屬污染情況，分析造成重金屬污染原因，便于日后采取針對性治理措施。

1 兩種土壤重金屬污染模型

1.1 綜合污染指數(shù)模型

根據(jù)不同區(qū)域中重金屬污染物的濃度實測值，采用模糊分析法對每個功能區(qū)中的污染程度進行等級評價[3]。具體方法如下：

選取8種重金屬作為評價因子，其權(quán)重模糊子集[4]為A，記為：

A=(w1,w2,…,wn)

(1)

同時建立wi：

(2)

對于第i個因子的單因子背景值上的比值模糊子集Ri，有：

Ri=(ri1,ri2,…,rim)

(3)

從而構(gòu)成一個單因子的評價矩陣R：

(4)

R表示8種不同重金屬污染物的濃度集合與背景值集合之間的模糊關(guān)系。根據(jù)矩陣的運算法則[5]，R確定了一個模糊的子集B，即重金屬污染物的濃度集合映射到背景值集合上的一個模糊子集：

B=A·R

(5)

模糊子集B為多因子綜合評價的結(jié)果。bj,ai,rij分別為式(5)中各子集的元素，且有關(guān)系：

(6)

則，重金屬的綜合污染指數(shù)CPLI：

(7)

依照土壤重金屬污染一級國家標準中各元素的標準值[6]作為計算中的輸入數(shù)據(jù)，具體數(shù)值見表1。

表1 各元素在土壤中的標準

運用MATLAB計算CPLI，根據(jù)文獻[6]建立污染級別評價指標及對應(yīng)的污染等級劃分，見表2。

表2 CPLI評價標準及對應(yīng)的污染等級劃分

1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)模型

內(nèi)梅羅指數(shù)是當(dāng)前國內(nèi)外進行綜合污染指數(shù)計算最常用的方法之一。結(jié)合離散數(shù)學(xué)理論，創(chuàng)立一個新的綜合評價指標——內(nèi)梅羅指數(shù)，其評價標準見表3：

(8)

表3 內(nèi)梅羅指數(shù)評價標準

2 實例驗證

2.1 數(shù)據(jù)來源及取樣

以重慶市南岸區(qū)為研究區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集。按多目標地球化學(xué)調(diào)查要求進行土壤樣品采樣[7-8]，樣品采集控制在南岸全區(qū)范圍之內(nèi)，面積為265 km2，地理坐標為：東經(jīng)106°3′14″～ 106°47′2″，北緯29°27′2″～29°37′2″。

將所考察的城區(qū)劃分為間距 1 km左右的網(wǎng)格區(qū)域，按照每平方公里1個采樣點對表層土(0～10 cm深)進行取樣、編號，并用GPS記錄采樣點的位置。應(yīng)用智能多元素分析儀進行測試分析，獲得了每個樣本所含的多種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)。另一方面，以2 km間距在那些遠離人群及工業(yè)活動的自然區(qū)取樣，將其作為該城區(qū)表層土壤中元素的背景值。具體取樣過程如下：生活區(qū)按照 1 km的間距進行取樣，農(nóng)業(yè)區(qū)和生活區(qū)及交通區(qū)區(qū)域面積較大，按照2 km的間距取樣。最終農(nóng)業(yè)區(qū)樣品25份，生活區(qū)樣品30份，工業(yè)區(qū)樣品27份，交通區(qū)樣品25份，總計107份樣品。

2.2 研究區(qū)域劃分

各采集點的數(shù)據(jù)分類為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類進行數(shù)據(jù)處理[9]。南岸區(qū)7個街道和7個鎮(zhèn)具體劃分標準如下：

Ⅰ類，農(nóng)業(yè)區(qū)。包括迎龍鎮(zhèn)(45.7 km2)、廣陽鎮(zhèn)(37.12 km2)、峽口鎮(zhèn)(23 km2)，區(qū)域遼闊，主要依靠農(nóng)業(yè)發(fā)展。

Ⅱ類，生活區(qū)。包括南坪鎮(zhèn)(116.7 km2)，南坪街道(3.6 km2)、海棠溪街道(4.1 km2)，人群居住活動密集區(qū)域。

Ⅲ類，工業(yè)區(qū)。包括雞冠石鎮(zhèn)(15.4 km2)、涂山鎮(zhèn)(7.1 km2)、彈子石街道(5.1 km2)、彈子石示范區(qū)(CBD南區(qū))10.68 km2。

Ⅳ類，交通區(qū)。包括長生橋鎮(zhèn)(65.6 km2)、銅元局街道(2.9 km2)、南山街道(33 km2)、龍門浩街道(1.7 km2)和花園路街道(4.4 km2)，區(qū)域交通條件好，連接各交通干道。

2.3 兩種模型驗證

以綜合污染指數(shù)模型及內(nèi)梅羅指數(shù)模型分別進行程序計算，同時，對照綜合污染指數(shù)模型確定的指標(表1)和內(nèi)梅羅指數(shù)模型指標(表3)進行污染等級評定，可以得出各功能區(qū)CPLI，Pi計算值和各區(qū)污染等級評價，如表4。由表4可見，兩種模型計算得出的結(jié)論具有一致性。

表4 各功能區(qū)CPLI，Pi計算值及各區(qū)污染級別劃分

2.4 重金屬污染特征及分析

1)農(nóng)業(yè)區(qū)最主要污染重金屬元素為鉻，其最主要來源為農(nóng)業(yè)區(qū)域內(nèi)農(nóng)藥的使用，并長時間富集土壤當(dāng)中。

2)生活區(qū)最主要污染重金屬元素是鋰和鉛，主要來源是居民人口眾多，車輛流通量大，電子產(chǎn)品使用量大且對其產(chǎn)生污染并未引起足夠重視。

3)交通區(qū)最主要污染重金屬元素為鉛和鋅[10]，由油類燃燒產(chǎn)生，由于汽車尾氣長期排放，多種重金屬長時間積累，在表層土壤的堆積最為嚴重，同時由于人為因素產(chǎn)生的污染也較其他地區(qū)嚴重。

4)工業(yè)區(qū)最主要污染重金屬元素為汞和銅，主要污染源是工業(yè)生產(chǎn)過程向環(huán)境中釋放的重金屬。例如機械加工、化工過程當(dāng)中產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣均為工業(yè)區(qū)污染的不同形式。

3 建 議

根據(jù)模型得出結(jié)果，對不通功能區(qū)可以采取相應(yīng)的減少土壤環(huán)境重金屬污染的措施：

1)對農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)采取生物修復(fù)措施和直接作用于土壤改良的措施，并重視農(nóng)藥使用的富集作用，例如土壤植物修復(fù)技術(shù)，蜈蚣草生態(tài)降污；土壤施加改良劑、改變耕作制度、客土深翻等防治土壤污染等。

2)對生活區(qū)要進行居民生活環(huán)保引導(dǎo)，實行垃圾分類、電子產(chǎn)品分類處理，車輛分行及繞行，加大環(huán)境監(jiān)測力度。

3)對交通區(qū)應(yīng)加大新興科學(xué)技術(shù)投入力度，注重對環(huán)保型車輛使用的推廣，大力推廣無鉛汽油及天然氣等清潔能源，減少汽車污染尾氣排放。

4)對工業(yè)區(qū)應(yīng)時刻重視污染監(jiān)控，加強重金屬排放的工業(yè)控制，推進工業(yè)凈化裝置在工業(yè)區(qū)配置進程，完善相關(guān)法律法規(guī)形成強制防污治污手段。

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