土壤中重金屬污染源分析研究

劉高杰，胡立琴，何兆容

(1.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059;2.成都理工大學(xué) 數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引 言

隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加劇，由交通運(yùn)輸、工業(yè)排放與生活垃圾等造成的城市土壤重金屬污染日益嚴(yán)重.隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和土地利用形式的多樣化而形成的不同城市功能區(qū)在人居環(huán)境質(zhì)量、城市生態(tài)功能等方面有著重要的作用［1］.分析不同功能區(qū)表層土壤重金屬的污染，通常采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、普通概率統(tǒng)計(jì)法等評(píng)價(jià)方法，但這些方法存在一定的局限性［2］.對(duì)此，本研究采用3 種綜合性的方法對(duì)某市重金屬污染源評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比分析，旨在更準(zhǔn)確找出土壤的重金屬污染來源，為城市污染的控制和管理提供更為行之有效的措施與思路.

1 元素間的相關(guān)關(guān)系

由于城市土壤重金屬來源于成土母質(zhì)和人類活動(dòng)，同一來源的重金屬之間存在著相關(guān)性，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)(2011年全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽數(shù)據(jù))進(jìn)行處理，得到某市重金屬的R 型聚類分析譜系圖，如圖1 所示.通過聚類分析將重金屬元素分為2 類:As、Pb、Cd 與Cr、Cu、Hg、Ni、Zn，其中與主要重金屬Hg 相關(guān)度較高的元素有As、Pb、Cd、Ni，這說明它們具有相同的污染源;而Hg 與Zn、Cr、Cu 之間相關(guān)性較差，表明這些重金屬來源相對(duì)復(fù)雜，其污染源難以確認(rèn).

圖1 8 種重金屬R 型聚類分析譜系圖

為進(jìn)一步明確該市土壤中重金屬的污染來源，對(duì)上述8 種重金屬元素進(jìn)行主成分分析［3－4］，其處理結(jié)果見表1、圖2.

表1 主成分分析表

圖2 8 種元素在3 個(gè)主成分上的載荷量和污染貢獻(xiàn)程度

從表1、圖2 可知，3 個(gè)主成分中，第一主成分PCA1 的貢獻(xiàn)率為44.5%，且因子變量在各元素具有相似的載荷量，雖不能確定主要污染元素，但反映了工業(yè)污染可能是其主要的污染來源之一.由第二主成分PCA2 得出Hg、Cu、Pb 具有較大載荷量.而在第三主成分PCA3 中，可以明確看出，As 、Pb、Cd占有較大比重，其對(duì)城市污染具有較高貢獻(xiàn)率.由于As、Hg、Cd、Cu 主要是由工廠冶煉過程中產(chǎn)生，Pb 主要來源于工廠污水排放和汽車尾氣排放，Hg 主要來源于廢水排放和垃圾燃燒.據(jù)此可知，該城市的污染主要來源于工廠金屬冶煉、污水排放、汽車尾氣及生活垃圾.

2 不同功能區(qū)重金屬的富集系數(shù)

為了更好地描述各種金屬的分布特征，本研究采用等勢(shì)線圖和富集系數(shù)這一表示污染程度的指標(biāo)，其計(jì)算方法為，

富集系數(shù)= Cij/Di

其中，Cij為各重金屬元素在城市各功能區(qū)采樣點(diǎn)的均值，Di為各重金屬的背景值.

8 種重金屬元素的富集系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖3 所示.

圖3 8 種重金屬元素的富集系數(shù)柱狀圖

由圖3 可知，該城市不同功能區(qū)土壤中重金屬含量差別較大，其中Hg 的含量從工業(yè)區(qū)、主干道路區(qū)和公園綠地區(qū)依次減少，Cu 的含量從高到低順序依次為工業(yè)區(qū)、主干道路區(qū)和生活區(qū)，Zn 在工業(yè)區(qū)含量最高，在其他功能區(qū)相差不大，其他金屬在城市各功能區(qū)含量較低，差異不明顯.

3 不同功能區(qū)重金屬的污染特征

3.1 重金屬的污染程度

目前，重金屬污染程度的評(píng)價(jià)方法，大致包括生態(tài)危害指數(shù)法、地積累指數(shù)法、單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法等［5－6］.本研究采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來評(píng)價(jià)不同功能區(qū)的土壤受到重金屬污染的程度，其計(jì)算公式為，

式中，Pi為土壤中i 元素的污染指數(shù)，P綜為土壤中重金屬元素的綜合污染指數(shù)，i 為重金屬的種類，Ci為重金屬元素的實(shí)測(cè)濃度，Si為重金屬元素i 的環(huán)境背景值;n 為參與評(píng)價(jià)的重金屬種類總數(shù)［7］.土壤污染程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2、3 所示.

表2 土壤中各元素污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法以及表2、3 中的數(shù)據(jù)，得出該城市生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)的土壤重金屬單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)如表4 所示.

從表4 可以看出，該城市5 類區(qū)域土壤中均有重金屬污染，各重金屬污染存在一定的差異.重金屬Cu、Hg、Cd、Pb、Zn 在工業(yè)區(qū)的污染指數(shù)均超過了重度污染的界限值，屬于重度污染;Cu 和Zn 在生活區(qū)為重度污染，Cd、Cr、Hg 和Pb 在該區(qū)為中度污染;在主干道路區(qū)，Cu、Hg 和Zn 的污染指數(shù)為重度污染，Cd 和Pb 造成中度污染;在公園綠地區(qū)，Hg 污染指數(shù)為重度污染;Cd、Cu 和Zn 的污染指數(shù)為中度污染.綜合所有數(shù)據(jù)可以得出，工業(yè)區(qū)、主干道路區(qū)、生活區(qū)、公園綠地區(qū)和山區(qū)的重金屬的污染程度依次遞減.

表4 土壤重金屬單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

3.2 8 種重金屬空間分布特征

該城市8 種重金屬的空間分布特征等高線圖如圖4 所示.

圖4 8 種重金屬空間分布圖

由圖4 可知，該城市8 種重金屬的濃度最高點(diǎn)所在區(qū)域?yàn)?Cu、Pb、Zn 的濃度較高點(diǎn)主要在生活區(qū)和工業(yè)區(qū)，As 、Cd 、Hg 濃度較高點(diǎn)在工業(yè)區(qū)和主干道路區(qū)，且各金屬元素在工業(yè)區(qū)的濃度相對(duì)較大，而Ni 和Cr 的濃度較高點(diǎn)在主干道道路區(qū)和生活區(qū)，Cr 在生活區(qū)濃度相對(duì)較大.

4 結(jié) 論

1)由單因子指數(shù)分析和圖3 可知，金屬Cu、Hg、Cd、Pb 在工業(yè)區(qū)的污染指數(shù)屬于重度污染;As、Cu、Cd、Hg 和Pb 在生活區(qū)的污染指數(shù)為重度污染;在主干道路區(qū)，Hg、Cd 和Pb 的污染指數(shù)為中、重度污染;在公園綠地區(qū)，Hg 的污染指數(shù)為重度污染，Cd 的污染指數(shù)為中度污染.

2)由卡梅羅綜合污染指數(shù)結(jié)論可知，該城市內(nèi)不同功能區(qū)重金屬的污染程度從大到小依次為工業(yè)區(qū)、主干道路區(qū)、生活區(qū)、公園綠地區(qū)、山區(qū).而該方法并不能得出城市各重金屬污染程度，只是對(duì)該市各區(qū)的污染狀況做出粗略的評(píng)價(jià).

3)由重金屬金屬空間分布圖可知元素的濃度較高點(diǎn)均集中在工業(yè)區(qū)、主干道路區(qū)和生活區(qū)，可知工業(yè)區(qū)、主干道路區(qū)和生活區(qū)污染較為嚴(yán)重.由R型聚類分析知Pb、As、Hg 具有較大的相關(guān)性，而Hg與Cu 的相關(guān)性極差，雖然Hg 污染較強(qiáng)的地方分布與Cu 類似，但結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這2 種元素在整個(gè)城區(qū)的數(shù)據(jù)沒有明顯相關(guān)性，所以只從空間分布圖不能判斷元素相關(guān)性，類似地，相關(guān)性較差的元素污染源未必不同.由主成分分析可知，Hg、Cu、Pb、As 、Cd 在主成分中占較大比重.由此可知，該城市土壤的污染源主要來源于工業(yè)污水排放、生活垃圾以及汽車尾氣的排放.

4)主成分分析法結(jié)合元素空間分布不僅能夠描述各元素在各區(qū)和城市的污染貢獻(xiàn)比重，又能得出主要污染功能區(qū)的污染程度，相對(duì)于單因子指數(shù)和卡梅羅綜合污染指數(shù)分析法在污染評(píng)價(jià)方面更全面、更合理.

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