几种综合指数方法在土壤重金属污染评价中的应用——以淮南矿区为例

孙 雷，孙世群，杨 晨

（1.安徽省环境科学研究院，安徽 合肥 230022；2.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

几种综合指数方法在土壤重金属污染评价中的应用
——以淮南矿区为例

孙 雷1，孙世群2，杨 晨2

（1.安徽省环境科学研究院，安徽 合肥 230022；2.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

分别应用内梅罗指数法、姚氏综合指数法和混合加权法对淮南矿区土壤的重金属污染进行评价，并对采用三种方法计算的综合污染指数进行对比，以arcgis9.2将计算结果输出表达，认为混合加权法对土壤重金属污染评价具有较好的灵敏性，能将土壤重金属污染程度的差别较好的区分开来.根据混合加权的计算结果，利用反距离加权差值方法，在GIS技术的支持下，得出淮南矿区土壤重金属综合污染指数的分析结果.

综合指数法；土壤污染评价；淮南矿区；重金属污染；GIS

土壤重金属污染主要是由于Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等重金属元素引起的土壤污染，评价土壤中的重金属污染程度对于环境和健康问题有着重要意义[1].土壤中重金属的污染程度评价结果的准确性取决于评价方法的合理性和适用性，目前国内外常用于土壤中重金属评价主要有的综合指数法[2]、模型指数法和地统计学的评价方法.其中，综合指数法主要包括内梅罗指数法、模糊数学综合评价法、姚氏综合指数法、灰色聚类分析法、混合加权法等几种；模型指数法则主要包括模糊数学模型、灰色聚类模型及层次分析法等.

当前常用的土壤污染综合指数的计算公式——内梅罗污染指数法，由于其过分突出污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用，在评价时可能会人为夸大一些因子的影响作用，使其对环境质量评价的灵敏性不够高[3].本文在GIS的支持下，以淮南矿区土壤重金属污染的状况为例，应用混合加权模式对淮南矿区土壤重金属污染程度进行了评价，并与内梅罗污染指数法、姚氏综合指数法的评价结果进行对比，以此说明混合加权法在土壤重金属污染的评价中的优势和特点.

1 几种综合指数评价方法的比较

1.1 重金属污染评价方法

土壤污染风险评估将主要依据《关于印发〈全国土壤污染状况调查重点区域土壤污染风险评估技术规定〉的通知》（环发[2008]115号）进行相应计算，同时，需考虑全面、综合地反映多种土壤污染物的整体污染水平，采用土壤单项污染指数进行评价，按国家土壤环境质量二级标准(GB15618—1995)，计算单项污染指数，计算公式为：

其中：Qi：土壤单个污染物i的风险指数（商值）；

Ci：调查点位土壤中单个污染特i的实测浓度（mg/kg）；

Ri：污染物i的风险评估参考值（mg/kg）.

Qi<1则表明未受污染，Qi>1则表明已受污染，Qi数值越大，说明该项重金属污染就越严重[4].

单项污染指数法的优点是以土壤环境质量标准作为基础,目标明确,但单因子指数法仅仅针对土壤中重金属单元素进行评价,不能反映土壤污染的综合状况，因此在单因子评价的基础上发展了多种综合污染指数法.

1.2 综合指数法的基本原理

1.2.1 内梅罗污染指数法

内梅罗污染指数法计算公式为：

其中：Q综：内梅罗综合污染指数；n：监测污染指标个数；Qi(max)：各指标污染指数中的最大值.由内梅罗污染指数的计算公式可以看出，内梅罗指数法的计算公式中含有评价参数中最大的单项污染分指数，突出了污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用，可以避免由于平均作用削弱污染金属权值现象的发生，但是其过分突出污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用,在评价时可能会人为夸大浓度高的因子或缩小浓度低的因子的影响作用使其对环境质量评价的灵敏性不够高,可能造成计算结果难以区分土壤环境质量污染程度的差别.

1.2.2 姚氏综合指数法

该方法是先确定主要污染物的分指数，再求所有污染物的平均分指数，最后求得两个分指数的几何平均值.指数公式定义为：

式中：Qi——某污染物的浓度；n：监测污染指标个数；max(Qi)：各指标污染指数中的最大值；同内梅罗综合污染指数相比较，姚氏综合指数法在考察平均污染程度的同时，又强调了主要污染物对综合指数的突出影响，克服了算术平均值指数不高的缺陷[5].

1.2.3 混合加权模式

混合加权法的计算公式为：

式中：Ii为各重金属的单项污染指数；∑1为所有Ii>1，即单项污染指数大于1的各项求和；∑2为所有单项污染指数Ii求和；Wi1和Wi2为组成系数，当对于所有的Ii：则有.由上面的公式可以看出，混和加权模式法由两部分给出，一部分是单因子未超标的，一部分是单因子超标的，二者对土壤污染的作用是不一致的，因此应该根据二者贡献的大小确定不同权重，分别赋予不同的系数，所以混和加权法反映土壤污染的真实情况.

2 以淮南矿区为例

2.1 评价范围

本次评价选择潘三矿和新庄孜矿所在淮南市部分区域，重点评价区域为淮南矿区，同时添加淮南矿区界线图、淮南县区界线图、水系图和监测点位分布图等要素.

2.2 样品采集与分析

2.2.1 样品采集

（1）采样时间：2011年.

（2）样点布置：土壤样点采自淮南市域范围内的矿区，数据主要分为三个部分，一个是按照采样区平均布点，第二个是潘三矿和新庄孜矿矿区内重点采样，第三个是矿区周围地区采样，每个采样点均使用GPS进行准确定位，获得该采样点的经纬度坐标，并相应记录样点周围的土地利用和环境情况，样点和评价区域分布如图1所示.

（3）样点数量：60个.

（4）样品处理方法:土壤样品在实验室内自然风干后去杂.

（5）主要测试仪器:M6型原子吸收分光光度计,AFS-230 E型原子荧光光度计,ADVANTcXP+型X-射线荧光光谱仪.

图1 采样点位和评价区域分布图

2.2.2 分析比较

选取淮南矿区采集的4个土壤样点，计算9项重金属单项污染指数分别用内梅罗指数、姚氏综合指数法和混合加权进行评价，结果如表1所示.

由表1中的计算结果可以看出，用内梅罗综合指数法和姚氏指数法评价结果比较接近,但结果也不一样,内梅罗综合指数法虽然考虑了分指数的算术平均值和突出了污染最严重元素贡献率,而忽略了各分指数对综合污染影响贡献的差异;姚氏指数法是对内梅罗指数法的改进，把最大值和平均值的比作为权重，减小污染指数最大的污染物在评价中对环境质量的影响作用，但仍未考虑各分指数对综合污染影响贡献的差异；此外由表中计算结果还可以看出，用内梅罗综合指数法和姚氏指数法均难以区分土壤环境质量污染程度的差别.

表1 评价结果对比表

混合加权方法特点在于首先对单项污染指数进行比较和分析，将单项污染指数分成超标和未超标两个部分，每一部分分别赋予不同的权重.因此当某一采样点各重金属污染物的浓度都未超标时，由混和加权法算出来的综合污染指数也一定不超过相关标准，但当有一项重金属超标时，其综合污染指数也一定会超标.这就避免了内梅罗污染指数法由于平均作用削弱污染金属权值，从而夸大浓度高的因子或缩小浓度低的因子的影响作用现象的发生.

2.3 土壤重金属污染评价

利用ESRI公司GIS桌面版软件Arcgis9.2的空间分析，在计算出单项污染指数的基础上，由内梅罗指数法、姚氏综合指数法和混合加权计算各监测点位的综合污染指数.将计算结果和淮南行政区界图、水系、矿区界线图叠加处理后分别得到如下土壤重金属综合污染指数超标点位分布情况，如图2所示.

图2 综合污染指数超标点位分布图

由图2可以看出内梅罗指数法、混合加权法和姚氏综合指数法评价结果的基本趋势是相同的，即三种污染评价方法对区域污染评估的大致趋势是相同的，但不同之处在于用混合加权计算出来的综合污染指数的超标点位要比用内梅罗指数和姚氏综合指数法计算出来的多.

内梅罗和混合加权的评价结果统计如表2所示.

表2 评价结果统计表

本次评价区域所采集的样点监测点中单元素超标点位（即监测样点中的9项重金属有任意一项超标的点位）个数共5个.综合评价结果分别由内梅罗指数、姚氏综合指数法和混合加权计算给出，可以看出，混合加权计算出来的超标点位和单元素超标点位的个数是一致的，其统计结果与评价图所反映的情况也是一致的.

2.4 结果分析

通过两者的对比可以发现，内梅罗指数法和姚氏综合指数法不能明确区分环境是清洁还是已经被污染，对于已有单因子污染指数大于1的点位用内梅罗指数法和姚氏综合指数法计算出的结果可能并不超标，认为环境并未被污染，这就与实际结果不相一致.此次实验中，内梅罗指数法和姚氏综合指数法分别有4个点和5个点单因子污染指数大于1，但是综合污染指数被认为是清洁的.由此对比可以看出混合加权法的优势，混合加权法根据单项污染指数的属性进行了分类加权求和，将超标的污染物进行单独计算，这就使得混合加权法对各种环境质量有较灵敏的分辨率，可以体现土壤中超标污染物和未超标污染物的不同作用，能将其他方法无法区别的环境质量较好的区别开来.

3 GIS支持下的三种综合指数法评价分析

由于土壤是一个不均匀、具有高度空间变异性的混合体，而监测点位只能代表监测点本身的土壤质量状况，以各监测点的平均值表示区域土壤污染的程度误差较大，无法从真正意义上表达区域土壤污染的分布情况[3].反距离加权插值（Inverse Distance to a Power），也可以称为距离倒数乘方法，综合了泰森多边形的自然邻近法和多元回归渐变方法的长处，它是一种精确的插值法.是研究空间分布比较稳健的工具，可以最大限度的保留空间信息，在地理信息系统软件（GIS）的支持下，可以用来揭示区域土壤各重金属元素污染的空间分布特征和规律.

图3 综合污染指数评价图

本文即在arcgis9.2支持下利用反距离加权插值分析技术根据评价单元生成基于监测点位的预测表面，从而可视化显示区域的土壤污染的空间分布情况，如图3所示.可以看出，潘三矿西部，新庄孜矿南部等区域，重金属浓度偏高，这一结果与上图中超标样点的分布大致趋于一致.

4 结论

(1)通过内梅罗污染指数法、姚氏综合污染指数法和混合加权法三种方法的比较可以看出，混合加权法是可以克服内梅罗污染指数及姚氏综合污染指数法的缺陷和不足，更好的反应土地重金属污染现状，相比其它两种方法具有更好的灵敏性，但由于混合加权还没有相应的污染分级划分标准，只能根据标准判断该区域是污染而不能区分污染的程度和级别，因此对混合加权法还需要进一步的改进.

(2)利用GIS强大的空间分析功能可以对环境检测场地进行分析和评价，是对环境质量现状的分析和评价工具，也是环境质量预测的有效工具，在GIS支持下进行淮南矿区土壤的重金属污染评价结果显示：潘三矿西部，新庄孜矿南部地区土壤重金属浓度偏高，主要污染物为砷（As），可能与这些区域长期进行采矿作业导致土壤中重金属的蓄积有关，尤其是矿山开采中的伴生矿中很容易导致砷污染.

(3)反距离加权空间插法一种局部插值法，其假设前提是未知值的点受较近控制点的影响比较远控制点的影响更大[7].该方法要求对受影响的局部控制点有清楚的认识，且其结论直接受到采样点数值的影响，采样点越多，对局部的真实反映越强，利用反距离加权插值法所确定的污染范围就越准确.

〔1〕师荣光,高怀友,赵玉杰,刘凤枝,王跃华,郑向群,姚秀荣,王斌.基于GIS的混合加权模式在天津城郊土壤重金属污染评价中的应用[J].农业环境科学学报，2006,25(增刊): 17-20.

〔2〕曾毅军,林宗振.计算环境质量指数的K--级混合加权模型[J].暨南大学学报(自然科学版),1997,15(3):88-93.

〔3〕郭笑笑,刘丛强,朱兆洲,王中良,李军.土壤重金属污染评价方法[J].生物学杂志2011,30(5):885-896.

〔4〕徐燕,李淑芹,郭书海,李凤梅,刘婉婷.土壤重金属污染评价方法的比较[J].安徽农业科学2008,36(11):4615-4617.

〔5〕辛悦,刘振江,邓小文.基于姚氏综合指数法和空气污染指数法的天津市北辰区大气环境质量评价[J].中国科技成果2008(11):20-22.

〔6〕李晓勇.农田土壤重金属污染评价方法研究——以株洲市白马乡为例.土壤通报2009,40(2):390-393.

〔7〕Chang KT.2002.Trans.Chen J-F(陈健飞).2003.Introduction to Geographic Information Systems.Beijing: Science Press:245-254(in Chinese).

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1673-260X（2013）11-0034-03