基于GIS的土壤氡浓度空间分布规律探析

2022-08-25阙泽胜吴星根李冠超简锐敏张永智孙功明毛彦明

地理信息世界 2022年4期

阙泽胜，吴星根，李冠超，胡颖，简锐敏，刘兵，张永智，杨波，孙功明，毛彦明

1. 广东省核工业地质局辐射环境监测中心，广东广州 510800；

2. 广东核力工程勘察院，广东广州 510800

0 引言

人类所受辐射主要来自天然辐射的照射，而天然辐射中氡的贡献最大[1]。1998 年，联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）报告，正常本底地区的人群每年由于吸入氡及其短寿命子体而产生的辐射剂量约占该地区全部天然辐射源年有效剂量当量的50%[2]。氡及其子体已被国际癌症研究机构（IARC）划归为I 类致癌因子。根据国外专家研究，在美国[3]每年由于吸入氡及其子体所致新发生肺癌病人约2000 例，此外每年有600 ～3600 名肺癌去世的病人与室内的氡有关。研究土壤氡空间分布规律，对指导城市开发建设有重要意义，依据土壤氡测量结果，可对断裂带和花岗岩高度风化、裂隙过分发育等不适宜地区做出指导[4]。

北江是珠江流域的主要支流之一，也是广东省重要的煤炭、钢铁、火力发电、有色冶金和铀矿采冶的基地。随着区域工业发展，尤其是铀矿业的开发，给北江造成了一定的污染。在过去30 年时间内，未对水系进行过放射性地质环境调查，随着时间的推移及部分工业的改变，部分伴生矿、铀矿的退役，放射性污染状况发生很大的变化，有必要对其进行放射性地质环境调查。本文以土壤氡浓度为研究对象进行探讨，应用GIS 技术和数理统计方法，分析了流域型土壤氡浓度空间分布特征，对研究区城市开发建设和资源环境优化有重要意义。

1 研究区和数据来源

研究区广东省北江下游属于珠江流域，全长83 km，河道平均坡降0.0815‰，流域面积约2912.0 km2，属亚热带季风气候。研究区主要地貌类型有山地、丘陵和平原。山地位于研究区北部边缘、北东部和南西部边缘，标高500 ～900 m，由侏罗系、泥盆系，寒武系砂、页岩及花岗岩组成，地形切割较深，山脊较窄，坡度20°～40°；丘陵位于研究区的中西部和南部，标高200 ～500 m，由花岗岩及变质砂岩和页岩等组成，残坡积物发育，地形切割不深，山峰多为孤立点状；平原位于研究区沿流域两侧的大部分地区，标高10 ～120 m，高出河水面5 ～10 m 不等，宽从数百米至5 km 不等，西部山前较宽，地面微起伏，向东南倾斜坡度约1°～3°。研究区位于粤中断陷带西北边缘，次一级地质构造对北江下游干流走向的控制也具有较大影响，北北东—南南西走向的构造线控制了北江下游干流的流向。研究区内地层除奥陶系和志留系缺失外，由寒武系至第四系地层均有出露，其中上古生界地层主要分布于西北和中南部，中生界地层主要分布于东部，新生界地层在北江下游干流两侧均有分布。

本文研究数据来源于广东省《2017 年度省级地勘事业发展经费项目》的北江下游放射性地质环境调查与评价课题，选择土壤氡浓度为研究对象。首先，按2.5 km×2.5 km 的调查网度布点，点号编码格式为JC+东西向主测线号+连接符+南北向次测线号（图1），即按近垂直于研究区主构造线、地层总体走向以及河流主干走向北东至北北东向布设2.5 km 间距主测线和2.5 km 间距测点，对人口密集区、地质构造、水系分布区等情况适当加密，共布设540 点。其次，使用上海申核电子仪器有限公司生产的FD-3017 型瞬时RaA 氡气测量仪器，按《氡及其子体测量规范》（EJ/T605-91）进行测量，仪器测量前均通过了准确性、稳定性和一致性的三性检查，以确保测量结果的准确可靠。最后，进行单位换算、仪器刻度校正、均值计算等测量数据处理，用仪器校正系数与仪器读数均值的乘积代表测点的土壤氡浓度值，作为后续分析研究数据。

图1 研究区土壤氡浓度调查网格和剖面布设示意图Fig.1 Grid and profile layout of soil radon concentration survey in study area

2 研究方法

2.1 空间自相关分析

同一变量在不同空间位置上的相关性可定义为空间自相关，用于度量空间变量属性值在空间上聚集程度[5-6]。空间自相关分为全局自相关和局部自相关两种[7-8]。

1）全局自相关分析。Moran's I 统计量是空间自相关广泛采用的统计量。本文应用ArcGIS 的空间自相关（Moran I）检验工具，空间关系概念化设为INVERSE_DISTANCE，距离法设为EUCLIDEAN_DISTANCE，不进行标准化，进行研究区土壤氡浓度全局自相关分析。

2）局部空间自相关分析。局部空间自相关分析方法通常采用莫兰（Moran）散点图和LISA 聚类图。本文应用GeoDa 软件，通过空间分析菜单下单变量局部Moran's I工具，计算得到研究区土壤氡浓度莫兰散点图。对莫兰散点图进一步解析，将其划分为4 个象限，分别对应4 种不同的空间格局[9]，位于第Ⅰ象限的点定义为高值（HH）区，位于第Ⅱ象限的点定义为空心（LH）区，位于第Ⅲ象限的点定义为低值（LL）区，位于第Ⅳ象限的点定义为异常值（HL）区。由于莫兰散点图无法区分局部相关类型和地统计学显著性程度，利用LISA 指数[10]可以将全局莫兰指数分级到各样本，因此本文进一步应用GeoDa 软件进行LISA 聚类图的绘制分析。

2.2 热点分析

热点分析工具可对数据集中的每一个要素计算Getis-Ord Gi*统计（G-i-星号），返回的Gi*统计就是z 得分。通过得到的z 得分和p 值，可以知道高值或低值要素在空间上发生聚类的位置。本文应用ArcGIS的热点分析工具，空间关系概念化设为INVERSE_DISTANCE，距离法设为EUCLIDEAN_DISTANCE，不进行标准化，进行研究区土壤氡浓度进行热点分析。

2.3 聚类和异常值分析

ArcGIS 的聚类和异常值分析工具可识别具有高值或低值的空间聚类要素，还可识别空间异常值。聚类和异常值分析结果可区分统计学上的显著性（0.05 水平）高值（HH）聚类、低值（LL）聚类，高值主要由低值围绕的异常值（HL），低值主要由高值围绕的异常值（LH）。

2.4 趋势分析

ArcGIS 的趋势分析工具，可将数据点的值（高度）投影至三维空间，生成趋势分析图，图中的每一根竖棒代表了一个数据点的值和位置。这些点被投影到一个东西向和一个南北向的正交平面上。通过投影点可以做出一条最佳模拟线，并用它来模拟特定方向上存在的趋势。如果模拟线是平直的，则表明没有趋势存在。

3 结果分析

3.1 研究区土壤氡浓度总体空间分布特征

本文应用SPSS 软件的累积频率图和QQ 图工具，对样本进行正态分布检验，得到原始样本的偏度系数为5.754，峰度系数为44.267，两个系数都大于1，可判断为原始样本为非近似正态分布。取10 为底对数，对土壤氡浓度调查结果进行对数转换后，进一步检验正态分布特征，得到偏度系数为0.361，峰度系数为0.719，两个系数均小于1，对数转换后的样本服从近似正态分布特征，可进行克里格插值方法[11-12]绘制等值线（图2）。

由图2 可知，研究区土壤氡浓度值总体位于20000 Bq/m3以下水平，土壤氡浓度高值点27 处（土壤氡浓度值大于20000 Bq/m3），最大值为95324.6 Bq/m3。研究区出现两个高值片区，第一片区分布在研究区东北部的泥盆纪碎屑岩区，平均值为13378.56 Bq/m3，测值范围为78.84 ～140982.33 Bq/m3，该区构造发育，由于构造不仅是氡的储藏空间，也是氡的运移通道[13]，所以地下氡气通过裂隙构造经地下水的向上涌出向地表流动；第二片区分布在研究区西南部花岗岩区，平均值为9430.34 Bq/m3，测值范围为1159.67 ～18597.60 Bq/m3，反映出成土母岩不同期次岩浆岩放射性水平较高。此外，研究区南部为冲积平原区，土壤氡浓度相对较高，平均值为9379.69 Bq/m3，测值范围为265.07 ～63649.13 Bq/m3，水流速度降低，沉积物质细且含泥质土（具备粉土夹泥浆），具有强吸附作用，主要表现泥质岩对氡进行吸附聚集，开始形成一个新的氡富集区域。

图2 研究区土壤氡浓度等值线分布图Fig.2 Isoline distribution of soil radon concentration in study area

3.2 研究区不同地形因子的土壤氡浓度分布特征

1）地貌因子。研究区土壤氡浓度调查点主要分布于平原和丘陵，其次是山地，最后是冲积扇。其中平原有257 个点位，土壤氡浓度范围为99.4 ～72893.3 Bq/m3；丘陵有190 个点位，土壤氡浓度范围为265.1 ～80712.8 Bq/m3；山地有89 个点位，土壤氡浓度范围为795.2 ～140982.3 Bq/m3；冲积扇有3 个点位，土壤氡浓度范围为3444.0 ～15075.7 Bq/m3。冲积扇及山地地貌的土壤氡浓度均值较高，分别为11082.3±6617.2 Bq/m3及11043.4±21422.0 Bq/m3，平原次之，丘陵最低。由于山地地貌区剥蚀强烈，基岩裸露或坡残积层薄，直接反映基岩氡浓度高，而冲积扇沉积物厚，主要为淤泥质土，含泥炭，对氡是有强烈吸附作用，从而土壤氡浓度高。

2）土壤因子。研究区土壤氡浓度调查点主要分布于黄棕壤和黄壤，其次是红壤，最少的是水稻土。土壤氡浓度均值最高的土壤类型为黄壤，为10299.4±21168.3 Bq/m3，土壤氡浓度均值最低的土壤类型为红壤，为3309.4±5069.4 Bq/m3。与现场γ辐射剂量变化一致，也反映出放射性母岩水平，决定土壤氡浓度。

3.3 研究区不同地质剖面土壤氡浓度分布特征

在剖面布设过程中，充分考虑所布设剖面分布的均匀性和所包含地貌单元垂直调查区的构造线方向，10 号主测线和24 号主测线分别布置A-A'剖面线和B-B'剖面线，同时平行于主干流，两侧各布一条剖面线，即C-C'剖面和D-D'剖面，对4 条剖面线进行土壤氡浓度测量（图3）。

图3 研究区不同地质剖面土壤氡浓度分布Fig.3 Soil radon concentrations in different geological profiles in study area

1）A-A'剖面土壤氡浓度变化特征。由图1 和图3a可知，A-A'剖面线地形地貌趋势是起点海拔550 m 往南东约8 km 平缓地经冲积平原，穿越北江，在约23 km缓坡上升约15 km，海拔升至约200 m 为终点。在23 km 的平原区段，偶见有微丘、残丘陵地貌，起点附近为低山地貌区，剖面走向118°。A-A'剖面线全长约47.5 km，其中山地以种植和森林养护、旅游景点为主，平地则以农耕和种、养殖为主。由图2 可知，土壤氡浓度在距A 点水平距约32 km 的JC10-16 和36 km 的JC10-17之间出现异常波动值。JC10-17 距离近东西向构造较近，见人工剥土，风化土层厚，可能有次级小构造经过点位。在距A 点水平距约45 km 的JC10-21 位置剖面终点出现异常值，该点位于某山脉的最高端，附近风化层较厚，微型山沟可见构造出露，局部基岩出露较完整，矿化、蚀变较强烈。

2）B-B'剖面土壤氡浓度变化特征。由图1 和图3b可知，B-B'剖面线起于丘陵山地，往南东经某山，穿越北江至某镇北西，剖面走向118°，全长约58 km。由图2 可知，在距B 点40 km 的JC24-17 位置有突变为高值现象（异常值），附近有鱼塘及养殖场，岩性为第四系冲积粘土及砂、砾，土层较为潮湿，孔隙大，渗透性好，推测与其他地质现象有关联。

3）C-C'剖面土壤氡浓度变化特征。由图1 和图3c可知，C-C'剖面北起山区，南跨北江，整条剖面线均设在北江西侧，剖面走向208°，全长67.5 km。最高海拔在北部起点位置，海拔高约430 m，经河流冲积平原区，在南部经过某山海拔约200 m，然后经河流冲积平原跨北江南至终点。由图2 可知，土壤氡浓度基本属于正常值范围，波动小，仅在距离C 点约22.5 km的JC11-10 产生较大波动出现异常值，可能受隐伏地质现象和周边其他较为特殊的外部环境干扰所致。

4）D-D'剖面土壤氡浓度变化特征。由图1 和图3d可知，D-D'剖面位于北江东侧，北起某镇北西约25 km的调查区边界上，剖面走向208°，全长约87.5 km。沿剖面线交通发达，地势平坦开阔，以河流冲积平原为主，部分地段经过低矮的残丘、微丘地貌区，地形起伏变化小。沿途人口较密集，见较大密集国土开发利用工程活动，南部穿越了某区繁华地段。由图3 可以看出，土壤氡浓度偏高值及异常值不连续，为单点式高值，无明显规律，推测可能受地质现象或气候、地表水、浅层孔隙水及第四系冲积土体沉积物质等外部特殊条件的影响或干扰所致。

4 土壤氡浓度空间分布规律探讨

4.1 研究区土壤氡浓度空间自相关分析

全局自相关分析测算得到研究区Moran I 指数为-0.250843，说明研究区的土壤氡浓度调查结果呈负的空间自相关，相似的观测值趋于分散分布。

根据图4 的莫兰散点图，第Ⅰ象限的高值（HH）区点共155 个，主要分布在花岗岩分布区及地质构造附近；第Ⅱ象限的空心（LH）区点共127 个，主要分布在水系附近；第Ⅲ象限的低值（LL）区点共145 个，主要分布在地势低洼、水系密布区域；第Ⅳ象限异常值（HL）区的点共113 个，主要随机分布在除花岗岩以外的区域。