探究GIS在土壤重金属污染评价中的应用

金海红，高彩霞，胡煜恒

（1.浙江泓一环保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州市环境保护有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江省环境科学学会，浙江 杭州 310000）

近些年来，我国工业化发展的速度很快，城镇化建设速度更是突飞猛进，虽然很大程度上促进了我国经济发展进程，但是也引发了很多问题，例如土壤重金属污染问题。这些问题对于我国农业发展以及国民生活健康质量都产生很大的负面影响。土壤重金属污染的成因比较复杂、影响范围也比较广，因此很难科学有效地进行评价并且做出预警防治计划。为了贯彻落实党中央提出的绿色生态建设以及可持续发展理念，有关部门需要积极推广使用先进的信息技术手段，凭借这些手段建立土壤重金属污染评价体系和预警机制，全面保障我国土壤重金属污染评价和治理工作的质量。

1 相关理论概述

自从我国开展改革开放之后，市场经济发展迅速，但是随之而来的是各种污染问题。为了保证经济的可持续发展，国家对于污染问题高度重视，制定了很多政策方针减轻污染问题的影响，进一步保证生存环境和发展环境的质量。最开始人们对于环境污染的侧重点在于水污染和空气污染等方面，并没有对土壤污染产生足够的重视，这主要是由于土壤污染产生的影响比较隐蔽，而且时间比较长，因此人们很难在短时间内发现土壤污染的严重危害[1]。但是随着国民环保意识的提升，有关部门和社会大众对土壤污染的重视程度也在不断提高，尤其是对土壤重金属污染情况保持高度重视。土壤的重金属污染物在土壤中移动性比较差，而且很难通过微生物作用降解，因此在土壤中存留时间比较长，也可以通过植物和水源进入到人体内，严重影响人们的身体健康，尤其是土壤重金属污染物中包含的Hg、Cr、Cd、Pb、As等物质都具备很强的毒性，一旦进入人体内会产生很大的危害[2]。例如，20世纪60年代在日本发生的“骨痛病”就是因为当地居民食用了受到Cd污染的土壤上生长的稻米所致，当时富山县出现了很多身患骨痛病的患者，后经调查发现致病原因就是土壤重金属污染，由此可见土壤重金属污染负面影响力之大[3]。

随着科学技术和信息技术的发展，越来越多新的手段出现在人们的视野当中，例如3S技术。3S技术在环境科学领域发挥了很大的价值，尤其是GIS技术更是凭借技术优势在土壤质量检测以及研究时空演变规律方面取得了比较大的进展[4]。工作人员利用GIS技术可以摆脱传统土壤重金属污染评价方式存在的弊端，有效增强检测模型的精准度。我国开展的生态系统重金属分布规律与污染状况的研究为之后土壤重金属污染评价工作的开展奠定了坚实基础。所谓的GIS就是地理信息系统的简称，这项技术在1960年左右出现，主要是利用信息技术优势对空间的数据进行存储、分析、处理，整合，借此为其他工作提供精准的数据来源[5]。从性能的角度分析，GIS技术具备强大的性能，并且可以凭借先进的空间分析功能和技术优势合理规划环境监测网络，按照需求精准分析信息，生成能够展示该地区环境状况的地图、图表以及文字等信息。工作人员利用GIS技术可以有效收集当地土壤污染物的情况，进一步进行分析和研究，制定科学合理的土壤重金属污染评级报告，方便有关部门根据报告采取措施，进一步提升环境治理的效率。

2 GIS在土壤重金属污染评价中应用的可行性分析

土壤重金属污染受到很多因素的影响，与周边环境之间也存在复杂的关联性，很难对每一个因素进行界定，想要准确地利用定量化方式表达出土壤重金属空间分布规律比较困难。如果将土壤样本的平均值作为研究基础分析该地区土壤重金属的空间分布情况，对最终结果会产生一定的干扰，会影响到土壤污染治理方案的准确性。为此，利用GIS技术与土壤重金属采样数据相结合，根据其空间性和多元性的特点制成数据图层，将其作为判断土壤重金属空间污染分布特征和周围环境之间关系的证据，可以为土壤环境污染治理提供参考。

之所以利用GIS技术可以取得巨大的成就，是因为该技术在空间坐标信息以及采样点周围属性信息调查方面具有极高的精准度。利用GIS技术的插值方法，将点源数据转变成为二维数据或者三维数据，凭借精准的测量数值以及GIS的空间分析功能，将土壤重金属污染分布特征以及与周边环境之间的关系通过定量化的方式展现出来，进一步增强其数据的可读性。具体来说，需要从以下三个方面来描述GIS空间分析功能和土壤金属化空间分布特征。一是利用GIS技术的优势来描绘土壤重金属污染专题图，然后利用技术手段解读专题图，进而分析出重金属空间分布特征和周边环境之间的关系，尽量采用定性和定量相结合的方式来表达相关规律。二是利用GIS技术的空间分析功能进一步分析土壤重金属污染影响的范围以及空间分布规律，侧重于使用定量分析的手段。三是，利用GIS技术的二次开发功能，根据收集到的土壤重金属污染数据生成分析功能模块。利用这个模块的功能对土壤重金属污染情况进行进一步追踪，并且提前做出预警，方便工作人员按照跟踪数据制定方案。

3 土壤重金属污染评价研究

我国实行的土壤重金属污染评价标准是在1995年颁布的国家土壤环境质量标准的基础上生成的，其中规定了8种重金属以及两种难降解农药对土壤环境的影响标准，包括Hg、Zn、Pb、As、Cr、Ni、Cu、Cd以及六六六和滴滴涕。工作人员对土壤环境污染的重要参考依据是土壤环境背景值，土壤环境背景值是指土壤在受到人类活动影响比较小的条件之下，自身化学组成和结构特征所呈现出的状态，这种状态是判断土壤是否遭受污染的重要依据。工作人员判断土壤重金属污染主要采用以下几种方法，包括内梅罗指数法，地累积指数法，潜在生态风险指数法等。

3.1 内梅罗指数法

内梅罗指数法也分为单因子指数法和综合指数法。单因子指数法是指针对某一个地区的土壤重金属元素污染情况进行分析和研究，根据单一重金属元素的污染程度来判断整个地区土壤重金属污染程度。比较常用的公式为Pi=Ci/Si。这个公式中P代表的是单一重金属元素的污染指数，C代表的是单一重金属元素的实际含量，S表示的是单一重金属元素在本地区土壤环境质量的标准值。考虑到土壤环境质量标准值中并没有去除土壤自然背景值的因素，不能排除外来干扰，因此需要对公式进行修正，修改为Pi=（Ci-bi）/（Si-bi）。修改之后的公式，增加了土壤自然背景值的数据。根据公式计算出的单因子污染指数，对其按照如下标准进行分级，若P≥1即为非污染，若1＜P≤2即为轻污染，若2＜P≤3即为中污染，P>3则为重污染。综合指数法与单因子指数法最大的区别就是从一个重金属元素标准变成了多个重金属元素标准。通过多种重金属元素产生影响分析结果对本地区土壤污染情况进行评价。采用的公式如下所示：

其中P综是指多个重金属元素产生的综合污染指数，P平均是指多个土壤重金属元素单因子污染指数的平均值，P最大是指多个重金属元素单因子污染指数的最大值。根据公式计算结果，对土壤污染情况进行评价的标准是综合污染指数大于0.7即为清洁；若大于0.7小于1表示为尚清洁；若大于1小于或等于2为轻污染；若大于2小于或等于3为中污染；若大于3为重污染。

3.2 地累积指数法

地累积指数法可以反映出土壤重金属含量的空间分布特征以及人类活动对土壤重金属含量产生的影响。具体公式如下：

C是土壤重金属元素的实测含量，B是本地区土壤背景值的数值，K是能够引起土壤背景值变化的因素。经过以上公式分析得到的数值，按照如下标准进行分级：若最终得到的数值小于或等于0则表示地区土壤环境无累积污染；若最终得到的数值大于0小于或等于1则表示该地区土壤环境污染程度从无到中；若最终得到的数值大于1小于或等于2则该地区土壤环境为中等累积污染；若最终的数值大于2小于等于3则该地区土壤环境污染从中到强；若最终得到的数值大于3小于或等于4则该地区土壤环境污染程度较强；若最终得到的数值大于4小于或等于5则该地区土壤环境污染从强到极强；若最终得到的数值大于5则该地区土壤环境污染程度为极强。

3.3 污染负荷指数法

污染负荷法是指针对某个地区土壤重金属综合污染程度进行评价的方式。其公式为：

根据该公式得到的数值按照以下标准进行评级。若最终得到的数值小于或等于1表示该地区无污染；若最终得到的数值大于1小于等于2表示该地区为中等污染；若最终得到的数值大于2小于或等于3表示该地区为强污染；若最终得到的数值大于3表示该地区为极强污染。

3.4 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是综合生物学知识、毒理学知识、环境学知识、化学知识等多个学科知识内容，在此基础上采用定量分析的方法对该地区土壤重金属污染情况进行等级划分。但是这种方法存在一定的主观性，尤其是在毒性和加权评价方面。这种方式涉及的公式如下所示：

根据分析结果可以发现，从毒性大小来看As＞Cu＝Ni＝Pb＞Cr＞Zn，因此，各种重金属污染元素潜在的生态危害系数规律为As＞Cu＝Ni＝Pb＞Cr＞Zn。

4 GIS在土壤重金属污染评价中的应用

4.1 利用GIS技术制作污染评价专题图

GIS技术最大的优势就在于制图，根据已有的数据信息绘制成等值线图，然后利用图形以及空间分析功能对地区土壤重金属污染情况进行评价。通过这样的方式反映出该地区土壤重金属污染的情况，帮助工作人员进一步了解该地区土壤重金属污染的空间分布特征以及与周边环境之间的关系。在土壤重金属污染分布图的基础上，添加土壤重金属污染指数与交通日平均数据的详细内容以此生成三维立体图，方便工作人员更加直观详细地了解污染指数的变化情况。也有相关的专家学者会利用地形图、土地利用现状图、耕地分布图等各种数据共同制作土壤重金属综合污染评价图以及土壤重金属空间分布污染图等，结合所有数据评估该地区土壤的环境容量。

除了利用GIS技术制作污染专题图之外，一些专家学者也会利用这项技术将生成的专题图和其他地理图进行对比，以此来揭示土壤重金属污染空间分布情况与周边环境之间的潜在关系，例如土壤重金属污染物含量与土地利用类型之间的关系以及土壤重金属污染物含量和工厂、汽车尾气之间的关系。通过对比可以发现在主干道交通路口或者工业区附近，土壤重金属污染物含量比较高，因此这些地区的重金属污染程度也比较严重。

4.2 利用GIS技术分析重金属污染空间

一般情况下是将土壤重金属空间分布特征图与该地区的成土母质图进行对比，经过对比分析该地区土壤重金属空间分布特征和该地区地质环境、大气成分以及人类活动等各种因素之间的关系，从而为土壤重金属污染评价研究提供参考，并且在分析和研究的基础上制定土壤重金属污染的治理方案。其原理是利用GIS的叠加分析功能，将重金属污染物的数据和该地区环境背景数据进行叠加，从而生成新的数据，利用这些数据来表示土壤重金属污染程度和自然要素以及人文要素之间的关联性。另外也可以将该地区土壤中各种重金属元素的空间分布特征和周边的土地利用类型以及地表设施数据进行叠加，进而分析出该地区重金属元素空间分布与自然因素、人文因素之间的关系。由此可见，GIS技术的应用并不仅仅是将数据和图层进行简单对比或叠加，而是综合所有数据生成一个包含多种要素属性的新图层。通过这样的方式丰富数据内容，方便工作人员更清楚准确的了解各个要素之间的关系。

一般来说重金属污染物主要是来源于工厂以及垃圾填埋站或是道路河流产生的污染源。利用 GIS技术将这些污染物的源头联系起来，在其周围建立缓冲区域，可以更有效地揭示重金属污染物与周边环境之间存在的关系。经过研究可以发现以工厂为中心向周围辐射，距离越远土壤重金属污染物的含量就越低。根据这个原理可以利用土壤重金属污染物的扩散特性来帮助有关部门开展垃圾填埋场的选址与设计工作。

4.3 利用GIS技术开展实验数据管理以及二次功能的开发工作

针对土壤重金属污染评价的研究，如果数据分析量比较小可以采用传统的软件进行管理。但是涉及大区域或者是时间比较长的污染评价研究工作就需要建立专题数据库。利用数据库中地区空间数据以及采样点检测数据和元数据等信息，综合分析当地土壤重金属污染情况，根据土壤重金属污染情况开展相关的治理工作。如果现有的软件功能模块不能满足工作需求的话，需要对其进行二次开发，例如在现有GIS平台功能模块的基础上建立土壤质量预警模块以及土壤重金属超标年限预测模块等，借此完善土壤重金属污染评价的预警机制。另外部分学者也在GIS技术的基础上结合多智能体技术，完善了土壤重金属污染评价以及安全预警机制。通过完善机制确保土壤重金属污染数据分析的可视化管理，并且根据管理情况对该地区进行治理。在发展GIS技术的基础上强化其在土壤重金属污染方面应用范围，提升土壤治理效果，进一步保证我国工农业发展进程。

5 结语

综上所述，GIS技术凭借其优越的技术性能，在土壤重金属污染评价工作中发挥了重要的价值。工作人员利用这项技术可以全面分析土壤重金属污染物的种类和含量，进而了解土壤重金属污染物空间分布特征与周边环境之间的关系，根据分析的结果建立预警机制，并且对当地土壤重金属污染情况进行治理。凭借GIS强大的空间分析功能以及数据处理功能可以有效提升重金属污染评价和预警的工作效率，大幅度改善我国土壤重金属污染治理的工作效果，贯彻落实生态环保建设以及可持续发展的理念，保证我国市场经济发展的持续性和稳定性，为新时期社会主义市场经济建设奠定坚实的基础。虽然现在GIS技术在土壤重金属污染评价方面还没有完全普及，但是随着时代的发展，这项技术将会得到完善和发展，为国家土壤污染治理工作贡献出更大的力量，全面改善我国环境保护工作的效果，提升环保意识。