基于两种模型的城市土壤重金属污染等级研究

龚 杰，张 敏，雷 林

(重庆交通大学 航海学院，重庆 400074)

全世界范围内，城市表层土壤已受到了不同程度的重金属污染[1]。城市表层土壤是城市生态系统的有机组成部分，是土壤圈中受人类活动影响最为强烈的部分。这类土壤广泛分布于公园、道路、体育场、城郊、废弃工厂及矿山周围，有着不同于自然土壤的理化性质。

重金属是有害元素，可通过污染食物危害人类健康。当重金属在土壤中的累积与储存超过土壤承载能力的限度时，或当气候、土地的利用方式，以及土壤理化性质等外部环境发生改变时，就会突然活化导致严重的环境灾害[2]。研究城市土壤中的重金属污染状况，对有针对性地采取污染治理措施，具有重要的科学价值和现实意义。

近年来，重庆市南岸区作为重庆市主城核心区的重要部分，区域开放度、经济融合度不断提升，在经济建设方面取得较大进步。同时，由于经济建设带来环境问题不容忽视。在收集重庆市南岸区表层土壤重金属含量的基础上，笔者将南岸区划分为4块功能区：生活区、农业区、工业区和交通区。然后采用综合评价的方式对各个功能区污染程度进行划分。目的是为了了解南岸区各功能区重金属污染情况，分析造成重金属污染原因，便于日后采取针对性治理措施。

1 两种土壤重金属污染模型

1.1 综合污染指数模型

根据不同区域中重金属污染物的浓度实测值，采用模糊分析法对每个功能区中的污染程度进行等级评价[3]。具体方法如下：

选取8种重金属作为评价因子，其权重模糊子集[4]为A，记为：

A=(w1,w2,…,wn)

(1)

同时建立wi：

(2)

对于第i个因子的单因子背景值上的比值模糊子集Ri，有：

Ri=(ri1,ri2,…,rim)

(3)

从而构成一个单因子的评价矩阵R：

(4)

R表示8种不同重金属污染物的浓度集合与背景值集合之间的模糊关系。根据矩阵的运算法则[5]，R确定了一个模糊的子集B，即重金属污染物的浓度集合映射到背景值集合上的一个模糊子集：

B=A·R

(5)

模糊子集B为多因子综合评价的结果。bj,ai,rij分别为式(5)中各子集的元素，且有关系：

(6)

则，重金属的综合污染指数CPLI：

(7)

依照土壤重金属污染一级国家标准中各元素的标准值[6]作为计算中的输入数据，具体数值见表1。

表1 各元素在土壤中的标准

运用MATLAB计算CPLI，根据文献[6]建立污染级别评价指标及对应的污染等级划分，见表2。

表2 CPLI评价标准及对应的污染等级划分

1.2 内梅罗指数模型

内梅罗指数是当前国内外进行综合污染指数计算最常用的方法之一。结合离散数学理论，创立一个新的综合评价指标——内梅罗指数，其评价标准见表3：

(8)

表3 内梅罗指数评价标准

2 实例验证

2.1 数据来源及取样

以重庆市南岸区为研究区域进行数据采集。按多目标地球化学调查要求进行土壤样品采样[7-8]，样品采集控制在南岸全区范围之内，面积为265 km2，地理坐标为：东经106°3′14″～ 106°47′2″，北纬29°27′2″～29°37′2″。

将所考察的城区划分为间距 1 km左右的网格区域，按照每平方公里1个采样点对表层土(0～10 cm深)进行取样、编号，并用GPS记录采样点的位置。应用智能多元素分析仪进行测试分析，获得了每个样本所含的多种化学元素的浓度数据。另一方面，以2 km间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样，将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。具体取样过程如下：生活区按照 1 km的间距进行取样，农业区和生活区及交通区区域面积较大，按照2 km的间距取样。最终农业区样品25份，生活区样品30份，工业区样品27份，交通区样品25份，总计107份样品。

2.2 研究区域划分

各采集点的数据分类为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类进行数据处理[9]。南岸区7个街道和7个镇具体划分标准如下：

Ⅰ类，农业区。包括迎龙镇(45.7 km2)、广阳镇(37.12 km2)、峡口镇(23 km2)，区域辽阔，主要依靠农业发展。

Ⅱ类，生活区。包括南坪镇(116.7 km2)，南坪街道(3.6 km2)、海棠溪街道(4.1 km2)，人群居住活动密集区域。

Ⅲ类，工业区。包括鸡冠石镇(15.4 km2)、涂山镇(7.1 km2)、弹子石街道(5.1 km2)、弹子石示范区(CBD南区)10.68 km2。

Ⅳ类，交通区。包括长生桥镇(65.6 km2)、铜元局街道(2.9 km2)、南山街道(33 km2)、龙门浩街道(1.7 km2)和花园路街道(4.4 km2)，区域交通条件好，连接各交通干道。

2.3 两种模型验证

以综合污染指数模型及内梅罗指数模型分别进行程序计算，同时，对照综合污染指数模型确定的指标(表1)和内梅罗指数模型指标(表3)进行污染等级评定，可以得出各功能区CPLI，Pi计算值和各区污染等级评价，如表4。由表4可见，两种模型计算得出的结论具有一致性。

表4 各功能区CPLI，Pi计算值及各区污染级别划分

2.4 重金属污染特征及分析

1)农业区最主要污染重金属元素为铬，其最主要来源为农业区域内农药的使用，并长时间富集土壤当中。

2)生活区最主要污染重金属元素是锂和铅，主要来源是居民人口众多，车辆流通量大，电子产品使用量大且对其产生污染并未引起足够重视。

3)交通区最主要污染重金属元素为铅和锌[10]，由油类燃烧产生，由于汽车尾气长期排放，多种重金属长时间积累，在表层土壤的堆积最为严重，同时由于人为因素产生的污染也较其他地区严重。

4)工业区最主要污染重金属元素为汞和铜，主要污染源是工业生产过程向环境中释放的重金属。例如机械加工、化工过程当中产生废水、废气、废渣均为工业区污染的不同形式。

3 建 议

根据模型得出结果，对不通功能区可以采取相应的减少土壤环境重金属污染的措施：

1)对农业区应采取生物修复措施和直接作用于土壤改良的措施，并重视农药使用的富集作用，例如土壤植物修复技术，蜈蚣草生态降污；土壤施加改良剂、改变耕作制度、客土深翻等防治土壤污染等。

2)对生活区要进行居民生活环保引导，实行垃圾分类、电子产品分类处理，车辆分行及绕行，加大环境监测力度。

3)对交通区应加大新兴科学技术投入力度，注重对环保型车辆使用的推广，大力推广无铅汽油及天然气等清洁能源，减少汽车污染尾气排放。

4)对工业区应时刻重视污染监控，加强重金属排放的工业控制，推进工业净化装置在工业区配置进程，完善相关法律法规形成强制防污治污手段。

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