系統(tǒng)工程與決策分析土壤重金屬污染分析

1、城市表層土壤重金屬污染分析一、問題背景隨著城市的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。土壤是自然環(huán)境系統(tǒng) 中一個(gè)很重要的子系統(tǒng)，人類活動(dòng)所產(chǎn)生的很多污染物，尤其是重金屬，都是通過這個(gè) 子系統(tǒng)進(jìn)入食物鏈，最終危害到人體的健康，因此，對(duì)于土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定 重金屬的污染來源，為土壤污染防治和管理提供科學(xué)依據(jù)，就變得極為重要。對(duì)城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證，以及如何應(yīng)用查證獲得的海量數(shù)據(jù)資料開展城市 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，研究人類活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關(guān)注的焦 點(diǎn)。二、城區(qū)重金屬的污染程度綜合評(píng)價(jià)按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū) 等

2、，不同的區(qū)域環(huán)境受人類活動(dòng)影響的程度不同。2.1 土樣的采集、處理與分析1. 廠1 JA-''1農(nóng)1| |-nP等咼線 辛生活區(qū) 工業(yè)區(qū) 山區(qū) 父通區(qū) 公園綠地區(qū)*駕*r 1!城區(qū)二維等高線分布圖18000x 10300250200150100502.5160001400012000100008000600040002000圖1城區(qū)采樣點(diǎn)位置為此，將所考察的城區(qū)劃分為間距 1 公里左右的網(wǎng)格子區(qū)域，按照每平方公里 1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土 （ 010厘米深度）進(jìn) 行取樣、編號(hào)，并用GPS記錄采樣點(diǎn)的位 置（見圖1）。應(yīng)用專門儀器測(cè)試分析，獲得了每個(gè) 樣本所含的多種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)。

3、另 一方面，按照2公里的間距在那些遠(yuǎn)離人 群及工業(yè)活動(dòng)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。2.2 土樣重金屬濃度的空間分布根據(jù)所得到的樣本數(shù)據(jù)，可以畫出8種重金屬濃度的空間分布圖，來對(duì)城市的土壤 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)。通過 matlab軟件，利用griddata （），contourf （）函數(shù)，可以畫出各重金屬二 維等濃度空間分布圖。參照右邊的顏色條，坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)顏色條的數(shù)值越高表示該點(diǎn)金屬濃度越高金屬Cd二維等濃度g/g分布圖金屬As二維等濃度（ig/g分 布416000160001.214000201200010000/p>

4、0006000104000400020000.22000x 10x 10金屬Cr二維等濃度卩g/g分布圖18000800160007001400060012000500100008000400600030040002002000100x 10x 100.80.60.4140001200010000rr' *J I二匕©JT.*；rAljp“ X 金屬Cu二維等濃度（ig/g分布圖180001800160001600140014000120012000100010000Y80080006006000400400020020000金屬Hg二維等濃度卩g/g分布圖金屬Ni二維等濃度

5、卩g/g分布圖1800011016000100140009012000807010000605060004040003020200010x 10x 10金屬Zn二維等濃度卩g/g分布圖1800016000300014000250012000200010000150080006000100040005002000x 10x 108000fljF/,7d:JJ/凸,亠.*1金屬Pb二維等濃度a g/g分布圖1800040016000350140003001200025010000Y200800015060001004000200050/Jh、nrn7”寸/)y J 業(yè)灣：” J_ 一 2.3重金屬

6、污染程度和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法土壤污染評(píng)價(jià)是土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)的核心部分，主要包括單項(xiàng)(單因子)污染評(píng)價(jià)和多項(xiàng)(多因子)污染綜合評(píng)價(jià)1單項(xiàng)污染分級(jí)指數(shù)法污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考吉林省地質(zhì)調(diào)查院東北平原長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)域環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目報(bào)告，以測(cè)區(qū)土壤地球化學(xué)背景為基礎(chǔ)，借鑒國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。以測(cè)區(qū)背景平均值為重金屬元素累積起始值( Xa),測(cè)區(qū)背景上限為 污染起始值(Xc)，國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二類標(biāo)準(zhǔn)作為輕度污染起始值( Xn)，土 壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的三類標(biāo)準(zhǔn)作為重污染起始值(Xp)(表1)。表1污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)元糸積累起始值污染起始值輕污染起始值重污染起始值A(chǔ)s （卩 g/g）3

7、.65.42530Cd （ng/g）130|1903001000Cr （卩 g/g）3149300400Cu （卩 g/g）|13.2|20.4100400Hg （ng/g）35515001500Ni （卩 g/g）|12.3|19.950200Pb （卩 g/g）3143300500Zn （卩 g/g）|69|97250500污染分級(jí)指數(shù)是指某一污染物影響下的環(huán)境污染指數(shù)，可以反映出各污染物的污染程度。根據(jù)公式(1)計(jì)算出的單項(xiàng)污染分級(jí)指數(shù)，對(duì)單項(xiàng)污染程度進(jìn)行分級(jí)。Ci < Xa 時(shí)，Pi = Ci / XaXav Ci <Xc時(shí),Pi = 1+( Ci Xa)/( Xc Xa)

8、XcvCi <Xn時(shí)，Pi = 2+( Ci Xc)/( Xn Xc)(1)Xnv Ci <Xp時(shí)，Pi = 3+( Ci Xn)/( Xp Xn)Ci>Xp 時(shí)，Pi = 4+( Ci Xp)/( Xp Xn)式中，Pi為污染分級(jí)指數(shù)，Ci為土壤中污染物i的實(shí)測(cè)濃度值，Xa為累積起始值，Xc 為污染起始值，Xn為輕污染起始值，Xp為重污染起始值。土壤單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 見表3。表3 土壤單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)指數(shù)質(zhì)量等級(jí)分級(jí)指數(shù)質(zhì)量等級(jí)分級(jí)指數(shù)質(zhì)量等級(jí)Pi v 1清潔2< Pi v3輕污染Pi4重污染K Pi v 2潛仕污染,3W Pi v 4 |重度污染 |注：

9、參考東北平原長(zhǎng)春經(jīng)濟(jì)區(qū)區(qū)域環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目報(bào)告內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法單項(xiàng)污染分級(jí)指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染狀況，只能分別了解每種重金屬在長(zhǎng)春市表層土壤的污染狀況。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染狀況則可以了解這4種重金屬在表層土壤的綜合污染狀況。為了突出環(huán)境要素中濃度最大的污染物對(duì)環(huán) 境質(zhì)量的影響，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)2,計(jì)算公式為：P 綜=(PimaxA2 + PiaveA2 )/ 2 A(1 / 2)(2)式中，P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，Pi為單項(xiàng)污染分級(jí)指數(shù)，計(jì)算公式見公式(1), Pimax為所有元素污染指數(shù)最大值，Piave為所有元素污染

10、指數(shù)平均值。內(nèi)梅羅綜合污 染指數(shù)反映了各種污染物對(duì)土壤的作用，同時(shí)突出了高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影 響，可按內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)劃定污染等級(jí)，其中土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。表4 土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)3等級(jí)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)污染等級(jí)IP綜 0.7清潔II0.7 v P綜=1.0警戒線III1.0 v P綜=2.0輕度污染IV2.0 v P綜=3.0重度污染VP3重污染2.4各功能區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)方法采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)全面反映了各污染物對(duì)土壤污染的不同程度，同時(shí)又突出高濃度對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，因 此用來評(píng)定和劃分土壤質(zhì)量等級(jí)更為客觀。由

11、于數(shù)據(jù)多，可以通過畫圖來直觀看到土壤 重金屬污染程度。以采樣點(diǎn)的平面坐標(biāo)為基礎(chǔ)，以單項(xiàng)污染指數(shù)為 Z坐標(biāo)，可得到8種重 金屬分別對(duì)整個(gè)城區(qū)的污染情況。0L0l1180001600014000221200022 12210000800016000.4000121200010.51.522 1r 11 21 2121b 1212112山22 12L123As污染指數(shù)2.812.62.42.221.821.61.41.24x 10180001600014000213423321cd虧染指數(shù)3 23.52.513120001000031800016000400C-20i1.52.53322 1 11

12、2212 10L0100芒22 133233Ml.2 122 1 31 132310.53 33232.52- 1.5x 103121200(10000123.52.51.52000.51.52.5Ci污染指數(shù)22322121 .13.532.521.50.90.80.70.61000C0.50.40.30.20.10.51.5x 10180002.816000 2.614000.2.4120002.210000.128000 1.86000-321.611.42000-1.2120.51.52.5x 1022220L04000- I31 212213322211133223122143222

13、12/2002.52.82.62.42.221.81.61.41.2Pb污染指數(shù)211 123.52.51.521 1 22我們看到重金屬元素污染情況，在空間上有從東北向西南上升的趨勢(shì)，主要是因?yàn)樵诘乩砩蠔|北方向海拔高為山區(qū)， 污染少。在西南方向，海拔低，為平原，人類活動(dòng)多， 污染相對(duì)嚴(yán)重。為了確定該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度，單看單項(xiàng)污染指數(shù)是不 行的。由此，我們?cè)趩雾?xiàng)污染指數(shù)計(jì)算出該城區(qū)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，得到圖2。將圖二與圖一對(duì)比著看可以看到整體的重金屬元素污染也是在空間上有從東北向西南上 升的趨勢(shì)。且在工業(yè)區(qū)污染最嚴(yán)重，交通區(qū)、生活區(qū)次之，再是公園綠地區(qū)，最好的是 山區(qū)。0180

14、001600014000120001000080006000400020001.510.800.5x 10城區(qū)二維等高線分布圖300250.20015010050200001800(2.8160002.62.4 140002.2 1200022 10000Y1.880001.6,60001.41.2 4000-等高線 生活區(qū) 工業(yè)區(qū) 山區(qū) 交通區(qū) 公園綠地區(qū)2.54x 10圖二重金屬整體污染指數(shù)圖一城區(qū)各功能區(qū)采樣圖另外，我們對(duì)各功能區(qū)的各個(gè)采樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，歸類得到表5.表5各功能區(qū)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)情況生活區(qū)工業(yè)區(qū)山區(qū)交通區(qū)公園綠地區(qū)清潔/個(gè)00200警戒線/個(gè)105

15、11輕度污染/個(gè)114402612重度污染/個(gè)2624197617重污染/個(gè)680355總計(jì)44366613835進(jìn)行歸一化處理，且各污染等級(jí)的權(quán)重W(0.7,1,2,3,5)生活區(qū) 工業(yè)區(qū) 山區(qū) 交通區(qū)公園綠地區(qū)清潔/個(gè)000.0300警戒線/個(gè)0.0200.080.010.03輕度污染/個(gè)0.250.110.610.190.34重度污染/個(gè)0.590.670.290.550.49重污染/個(gè)0.140.2200.250.14得分2.983.332.173.302.89我們認(rèn)為表格最后一行代表著各功能區(qū)整體污染狀況。得分越高，說明該功能區(qū)被 污染的越嚴(yán)重，只有少部分土壤是良好的，大部分都被嚴(yán)重

16、污染了。從表中我們得出工 業(yè)區(qū)污染交通區(qū) 生活區(qū)公園綠地區(qū) 山區(qū)。這一結(jié)論與之前從圖中對(duì)比著看出來的結(jié)論是一致的三、重金屬的污染來源分析3.1 Pearson 相關(guān)性分析 為調(diào)查重金屬之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)各功能區(qū)土壤表層中的8種重金屬濃度進(jìn)行了Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果見表 4。表4各功能區(qū)土壤表層中重金屬濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)生活區(qū)工業(yè)區(qū)As CdCrCuHg NiPbZnAsCdCrCuHgNiPbZnAs1 0.3810.2380.5310.293 0.605 0.45-0.017As10.3290.380.1530.1810.690.3950.518Cd10.3490.499

17、0.397 0.283 0.802 0.346Cd10.5410.5660.5330.4890.8290.754Cr10.3760.15 0.527 0.4160.412Cr10.920.9020.6980.6750.695Cu10.198 0.434 0.5020.238Cu10.9830.5030.670.622Hg1 0.211 0.340.242Hg10.4790.6120.59Ni10.300 0.334Ni10.5780.634Pb10.328Pb10.739Zn1Zn1山區(qū)交通區(qū)As CdCrCuHg NiPbZnAsCdCrCuHgNiPbZnAs1 -0.2910.113 0

18、.527 0.075 0.078 -0.205 -0.176As10.1210.1390.092-0.004 0.228 0.060.188Cd10.0660.09 0.246 0.0490.766 0.606Cd10.3730.4240.2110.3510.6150.294Cr10.364 -0.006 0.9450.1070.627Cr10.8940.0120.8690.4280.395Cu1 0.505 0.3580.1220.252Cu10.0320.8860.5060.432Hg1 -0.0450.2260.17Hg10.040.2660.118Ni10.0280.629Ni10.3

19、960.503Pb10.59Pb10.482Zn1Zn1公園綠地AsCdCrCuHgNiPbZnAs10.3580.6890.1070.1760.6910.2650.285Cd10.5640.5000.0540.4330.5980.712Cr10.3570.0230.7390.3970.509Cu10.1360.2670.7560.521Hg1-0.0480.3890.063Ni10.1680.298Pb10.748Zn 1注：在0. 01 水平上顯著相關(guān) .由表可以看出：a. 生活區(qū)中存在明顯相關(guān)性的重金屬有 3組，一組為As,Ni ,另一組為Cd,Pb,還有Ni, Cr。其中，Cd與Pb存

20、在極強(qiáng)相關(guān)，As與Ni存在強(qiáng)相關(guān)。但同時(shí)，Cu與As，Ni，Cd, Pb存 在中等程度的相關(guān)性。b. 工業(yè)區(qū)除As外所有的重金屬相互之間有著顯著相關(guān)性。而 As與Ni，Zn之間存在顯 著相關(guān)性。c. 山區(qū)中存在明顯相關(guān)性的重金屬有2組，一組為Cd,Pb,Zn，另一組為Cr,Ni,Zn 。d. 交通區(qū)中存在明顯相關(guān)性的重金屬有 2組，一組為Cd,Pn,另一組為Cr,Cu,Ni。e. 公園綠地中存在明顯相關(guān)性的重金屬有 2組，一組為As，Ni，Cr,另一組為Cd,Pb,Z n,Cu。若幾種重金屬含量在沉積物中存在顯著的相關(guān)性，通常認(rèn)為這幾種重金屬有著相似 的來源或受某些因素共同控制4。例如對(duì)于生活

21、區(qū)，由于Cu與As,Ni,Cd,Pb存在中等程度的相關(guān)性。說明As,Ni與Cd,P 并非來自不同的來源或受不同因素控制。3.2主成分分析為進(jìn)一步探討重金屬的污染來源，對(duì)土壤表層中的重金屬進(jìn)行了主成分分析.主成 分分析作為一種重要的統(tǒng)計(jì)方法已在確定污染源及自然和人為因素對(duì)重金屬的貢獻(xiàn)等 方面得到了廣泛的應(yīng)用5。用SPS軟件對(duì)該城區(qū)五個(gè)功能區(qū)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果 見表5。表5主成分分析主要計(jì)算結(jié)果生活區(qū)工業(yè)區(qū)交通區(qū)項(xiàng)目第一主成分第二主成分第三主成分第一主成分第二主成分第一主成分第二主成分特征值3.6161.1331.0755.2541.2633.7511.287貢獻(xiàn)率/%45.19914.1661

22、3.43265.67015.79946.88316.084累積貢獻(xiàn)率/%45.19959.36572.79765.67081.45646.88362.967As0.35-0.61-0.010.230.670.12-0.12Cd0.410.16-0.400.340.070.320.40Cr0.340.220.480.40-0.180.45-0.28載荷Cu0.38-0.230.020.38-0.410.47-0.22Hg0.260.12-0.420.37-0.410.090.65Ni0.36-0.240.500.330.370.46-0.28Pb0.420.11-0.340.370.040.36

23、0.42Zn0.260.650.260.370.170.330.10山區(qū)公園綠地區(qū)項(xiàng)目第一主第二主第三主第一主第二主第三主成分成分成分成分成分成分特征值 貢獻(xiàn)率/%3.04238.0222.03625.4551.54919.3623.90748.8401.61520.1821.05613.202累積貢獻(xiàn)率/%45.19963.46782.82945.19969.02382.225As-0.010.470.380.32-0.450.34載荷Cd0.34-0.480.110.410.08-0.23Cr0.440.34-0.290.41-0.340.00Cu0.300.330.49Hg0.19-0.

24、050.60Ni0.420.35-0.33Pb0.35-0.440.140.52-0.12-0.15Zn3.3各功能區(qū)重金屬污染的主要來源的確定0.340.100.340.400.400.360.28-0.490.430.23-0.150.870.010.09-0.243.3.1生活區(qū)重金屬污染的主要來源的確定生活區(qū)44個(gè)采樣點(diǎn)表層土中8種重金屬（8個(gè)變量）的濃度信息可由3個(gè)主成分反映 72.797%，可見對(duì)這3個(gè)主成分進(jìn)行分析能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息 （見表5）。a. 第一主成分的貢獻(xiàn)率為45.199% ,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Cd, Pb,Cu的濃度上有較 高的正載荷.一般鎘鎳電池含有C

25、c和鉛酸蓄電池含有Pbo Cu主要來自工業(yè)污水因此從 Cd,Pb,Cu三種重金屬對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)就可以理解第一主成分所代表的實(shí)際意義,即反映了工業(yè)排污和廢棄電池對(duì)沉積物的污染。第一主成分主要支配著沉積物中重金屬 Cd,Pb和CU勺來源。b. 第二主成分貢獻(xiàn)率為14.166%,其特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量Zn有較高的正載荷。Zn主 要來自交通粉塵，第二主成分表征了交通運(yùn)輸對(duì)重金屬污染的貢獻(xiàn)。c. 第三成分其特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量Ni, Cr在重金屬濃度上有較高的正載荷。從前面的相關(guān)性分析得知Ni, Cr有非常顯著的相關(guān)性。通常，土壤母質(zhì)中含有一定量的Ni,Cr對(duì)植物生長(zhǎng)有利，仍處于自然濃度水平。由此可以認(rèn)

26、為生活區(qū)土壤中，因此可認(rèn)為第 三成分是自然來源因素。重金屬污染的主要來源的總結(jié)對(duì)剩下的四個(gè)區(qū)進(jìn)行同樣的分析，我們可以得到各功能區(qū)重金屬污染的主要來源及 污染的主要原因，見表6o表6各功能區(qū)重金屬來源分析及污染的主要原因生活區(qū)工業(yè)區(qū)交通區(qū)項(xiàng) 目第一主成分第二主成分第三主成分第一主成分第二主成分第一主成分第二主成分貢 獻(xiàn) 率45.19914.16613.43265.67015.79946.88316.084/%原 因 分Cu, Cd, PbZn的載Ni, Cr工業(yè)區(qū)除AsAs與Cr,Cu,Ni ,Hg具有兩兩顯著相荷很來自土外所有的重Ni, ZnCd,P n占明顯較咼載關(guān)占較咼的大，來壤母金屬相互之之間存大的載荷，這荷子，可載荷。反映源于生質(zhì)，在 生活區(qū)間在顯著些重金屬主要認(rèn)為是析了工業(yè)排污活垃圾有著顯著相相關(guān)來自含鉛汽油使用農(nóng)和廢棄電池 對(duì)沉積物的 污染。第一 主成分主要 支配著沉積 物中重金屬Cd,Pb和 Cu的來源的堆 放。第 二主成 分為生活垃 圾、工 業(yè)廢氣 來源因素。污染指 數(shù)低。為自然 來源因 素。關(guān)性，來自同 一源，可認(rèn)為 第一主成分 是工業(yè)廢水， 廢氣人為因 素的貢獻(xiàn)。性，可 認(rèn)為是 生產(chǎn)中 金屬堆 積造成 的。的燃燒。在交 通區(qū)重金屬污 染中是首要原 因?？烧J(rèn)為 第一主成分表 明了