幾種綜合指數(shù)方法在土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用
——以淮南礦區(qū)為例

孫 雷，孫世群，楊 晨

（1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

幾種綜合指數(shù)方法在土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用
——以淮南礦區(qū)為例

孫 雷1，孫世群2，楊 晨2

（1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

分別應(yīng)用內(nèi)梅羅指數(shù)法、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)法對淮南礦區(qū)土壤的重金屬污染進行評價，并對采用三種方法計算的綜合污染指數(shù)進行對比，以arcgis9.2將計算結(jié)果輸出表達，認為混合加權(quán)法對土壤重金屬污染評價具有較好的靈敏性，能將土壤重金屬污染程度的差別較好的區(qū)分開來.根據(jù)混合加權(quán)的計算結(jié)果，利用反距離加權(quán)差值方法，在GIS技術(shù)的支持下，得出淮南礦區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)的分析結(jié)果.

綜合指數(shù)法；土壤污染評價；淮南礦區(qū)；重金屬污染；GIS

土壤重金屬污染主要是由于Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等重金屬元素引起的土壤污染，評價土壤中的重金屬污染程度對于環(huán)境和健康問題有著重要意義[1].土壤中重金屬的污染程度評價結(jié)果的準確性取決于評價方法的合理性和適用性，目前國內(nèi)外常用于土壤中重金屬評價主要有的綜合指數(shù)法[2]、模型指數(shù)法和地統(tǒng)計學(xué)的評價方法.其中，綜合指數(shù)法主要包括內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評價法、姚氏綜合指數(shù)法、灰色聚類分析法、混合加權(quán)法等幾種；模型指數(shù)法則主要包括模糊數(shù)學(xué)模型、灰色聚類模型及層次分析法等.

當前常用的土壤污染綜合指數(shù)的計算公式——內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，由于其過分突出污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，在評價時可能會人為夸大一些因子的影響作用，使其對環(huán)境質(zhì)量評價的靈敏性不夠高[3].本文在GIS的支持下，以淮南礦區(qū)土壤重金屬污染的狀況為例，應(yīng)用混合加權(quán)模式對淮南礦區(qū)土壤重金屬污染程度進行了評價，并與內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、姚氏綜合指數(shù)法的評價結(jié)果進行對比，以此說明混合加權(quán)法在土壤重金屬污染的評價中的優(yōu)勢和特點.

1 幾種綜合指數(shù)評價方法的比較

1.1 重金屬污染評價方法

土壤污染風險評估將主要依據(jù)《關(guān)于印發(fā)〈全國土壤污染狀況調(diào)查重點區(qū)域土壤污染風險評估技術(shù)規(guī)定〉的通知》（環(huán)發(fā)[2008]115號）進行相應(yīng)計算，同時，需考慮全面、綜合地反映多種土壤污染物的整體污染水平，采用土壤單項污染指數(shù)進行評價，按國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準(GB15618—1995)，計算單項污染指數(shù)，計算公式為：

其中：Qi：土壤單個污染物i的風險指數(shù)（商值）；

Ci：調(diào)查點位土壤中單個污染特i的實測濃度（mg/kg）；

Ri：污染物i的風險評估參考值（mg/kg）.

Qi<1則表明未受污染，Qi>1則表明已受污染，Qi數(shù)值越大，說明該項重金屬污染就越嚴重[4].

單項污染指數(shù)法的優(yōu)點是以土壤環(huán)境質(zhì)量標準作為基礎(chǔ),目標明確,但單因子指數(shù)法僅僅針對土壤中重金屬單元素進行評價,不能反映土壤污染的綜合狀況，因此在單因子評價的基礎(chǔ)上發(fā)展了多種綜合污染指數(shù)法.

1.2 綜合指數(shù)法的基本原理

1.2.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計算公式為：

其中：Q綜：內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；n：監(jiān)測污染指標個數(shù)；Qi(max)：各指標污染指數(shù)中的最大值.由內(nèi)梅羅污染指數(shù)的計算公式可以看出，內(nèi)梅羅指數(shù)法的計算公式中含有評價參數(shù)中最大的單項污染分指數(shù)，突出了污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，可以避免由于平均作用削弱污染金屬權(quán)值現(xiàn)象的發(fā)生，但是其過分突出污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用,在評價時可能會人為夸大濃度高的因子或縮小濃度低的因子的影響作用使其對環(huán)境質(zhì)量評價的靈敏性不夠高,可能造成計算結(jié)果難以區(qū)分土壤環(huán)境質(zhì)量污染程度的差別.

1.2.2 姚氏綜合指數(shù)法

該方法是先確定主要污染物的分指數(shù)，再求所有污染物的平均分指數(shù)，最后求得兩個分指數(shù)的幾何平均值.指數(shù)公式定義為：

式中：Qi——某污染物的濃度；n：監(jiān)測污染指標個數(shù)；max(Qi)：各指標污染指數(shù)中的最大值；同內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)相比較，姚氏綜合指數(shù)法在考察平均污染程度的同時，又強調(diào)了主要污染物對綜合指數(shù)的突出影響，克服了算術(shù)平均值指數(shù)不高的缺陷[5].

1.2.3 混合加權(quán)模式

混合加權(quán)法的計算公式為：

式中：Ii為各重金屬的單項污染指數(shù)；∑1為所有Ii>1，即單項污染指數(shù)大于1的各項求和；∑2為所有單項污染指數(shù)Ii求和；Wi1和Wi2為組成系數(shù)，當對于所有的Ii：則有.由上面的公式可以看出，混和加權(quán)模式法由兩部分給出，一部分是單因子未超標的，一部分是單因子超標的，二者對土壤污染的作用是不一致的，因此應(yīng)該根據(jù)二者貢獻的大小確定不同權(quán)重，分別賦予不同的系數(shù)，所以混和加權(quán)法反映土壤污染的真實情況.

2 以淮南礦區(qū)為例

2.1 評價范圍

本次評價選擇潘三礦和新莊孜礦所在淮南市部分區(qū)域，重點評價區(qū)域為淮南礦區(qū)，同時添加淮南礦區(qū)界線圖、淮南縣區(qū)界線圖、水系圖和監(jiān)測點位分布圖等要素.

2.2 樣品采集與分析

2.2.1 樣品采集

（1）采樣時間：2011年.

（2）樣點布置：土壤樣點采自淮南市域范圍內(nèi)的礦區(qū)，數(shù)據(jù)主要分為三個部分，一個是按照采樣區(qū)平均布點，第二個是潘三礦和新莊孜礦礦區(qū)內(nèi)重點采樣，第三個是礦區(qū)周圍地區(qū)采樣，每個采樣點均使用GPS進行準確定位，獲得該采樣點的經(jīng)緯度坐標，并相應(yīng)記錄樣點周圍的土地利用和環(huán)境情況，樣點和評價區(qū)域分布如圖1所示.

（3）樣點數(shù)量：60個.

（4）樣品處理方法:土壤樣品在實驗室內(nèi)自然風干后去雜.

（5）主要測試儀器:M6型原子吸收分光光度計,AFS-230 E型原子熒光光度計,ADVANTcXP+型X-射線熒光光譜儀.

圖1 采樣點位和評價區(qū)域分布圖

2.2.2 分析比較

選取淮南礦區(qū)采集的4個土壤樣點，計算9項重金屬單項污染指數(shù)分別用內(nèi)梅羅指數(shù)、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)進行評價，結(jié)果如表1所示.

由表1中的計算結(jié)果可以看出，用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和姚氏指數(shù)法評價結(jié)果比較接近,但結(jié)果也不一樣,內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法雖然考慮了分指數(shù)的算術(shù)平均值和突出了污染最嚴重元素貢獻率,而忽略了各分指數(shù)對綜合污染影響貢獻的差異;姚氏指數(shù)法是對內(nèi)梅羅指數(shù)法的改進，把最大值和平均值的比作為權(quán)重，減小污染指數(shù)最大的污染物在評價中對環(huán)境質(zhì)量的影響作用，但仍未考慮各分指數(shù)對綜合污染影響貢獻的差異；此外由表中計算結(jié)果還可以看出，用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和姚氏指數(shù)法均難以區(qū)分土壤環(huán)境質(zhì)量污染程度的差別.

表1 評價結(jié)果對比表

混合加權(quán)方法特點在于首先對單項污染指數(shù)進行比較和分析，將單項污染指數(shù)分成超標和未超標兩個部分，每一部分分別賦予不同的權(quán)重.因此當某一采樣點各重金屬污染物的濃度都未超標時，由混和加權(quán)法算出來的綜合污染指數(shù)也一定不超過相關(guān)標準，但當有一項重金屬超標時，其綜合污染指數(shù)也一定會超標.這就避免了內(nèi)梅羅污染指數(shù)法由于平均作用削弱污染金屬權(quán)值，從而夸大濃度高的因子或縮小濃度低的因子的影響作用現(xiàn)象的發(fā)生.

2.3 土壤重金屬污染評價

利用ESRI公司GIS桌面版軟件Arcgis9.2的空間分析，在計算出單項污染指數(shù)的基礎(chǔ)上，由內(nèi)梅羅指數(shù)法、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)計算各監(jiān)測點位的綜合污染指數(shù).將計算結(jié)果和淮南行政區(qū)界圖、水系、礦區(qū)界線圖疊加處理后分別得到如下土壤重金屬綜合污染指數(shù)超標點位分布情況，如圖2所示.

圖2 綜合污染指數(shù)超標點位分布圖

由圖2可以看出內(nèi)梅羅指數(shù)法、混合加權(quán)法和姚氏綜合指數(shù)法評價結(jié)果的基本趨勢是相同的，即三種污染評價方法對區(qū)域污染評估的大致趨勢是相同的，但不同之處在于用混合加權(quán)計算出來的綜合污染指數(shù)的超標點位要比用內(nèi)梅羅指數(shù)和姚氏綜合指數(shù)法計算出來的多.

內(nèi)梅羅和混合加權(quán)的評價結(jié)果統(tǒng)計如表2所示.

表2 評價結(jié)果統(tǒng)計表

本次評價區(qū)域所采集的樣點監(jiān)測點中單元素超標點位（即監(jiān)測樣點中的9項重金屬有任意一項超標的點位）個數(shù)共5個.綜合評價結(jié)果分別由內(nèi)梅羅指數(shù)、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)計算給出，可以看出，混合加權(quán)計算出來的超標點位和單元素超標點位的個數(shù)是一致的，其統(tǒng)計結(jié)果與評價圖所反映的情況也是一致的.

2.4 結(jié)果分析

通過兩者的對比可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)梅羅指數(shù)法和姚氏綜合指數(shù)法不能明確區(qū)分環(huán)境是清潔還是已經(jīng)被污染，對于已有單因子污染指數(shù)大于1的點位用內(nèi)梅羅指數(shù)法和姚氏綜合指數(shù)法計算出的結(jié)果可能并不超標，認為環(huán)境并未被污染，這就與實際結(jié)果不相一致.此次實驗中，內(nèi)梅羅指數(shù)法和姚氏綜合指數(shù)法分別有4個點和5個點單因子污染指數(shù)大于1，但是綜合污染指數(shù)被認為是清潔的.由此對比可以看出混合加權(quán)法的優(yōu)勢，混合加權(quán)法根據(jù)單項污染指數(shù)的屬性進行了分類加權(quán)求和，將超標的污染物進行單獨計算，這就使得混合加權(quán)法對各種環(huán)境質(zhì)量有較靈敏的分辨率，可以體現(xiàn)土壤中超標污染物和未超標污染物的不同作用，能將其他方法無法區(qū)別的環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)別開來.

3 GIS支持下的三種綜合指數(shù)法評價分析

由于土壤是一個不均勻、具有高度空間變異性的混合體，而監(jiān)測點位只能代表監(jiān)測點本身的土壤質(zhì)量狀況，以各監(jiān)測點的平均值表示區(qū)域土壤污染的程度誤差較大，無法從真正意義上表達區(qū)域土壤污染的分布情況[3].反距離加權(quán)插值（Inverse Distance to a Power），也可以稱為距離倒數(shù)乘方法，綜合了泰森多邊形的自然鄰近法和多元回歸漸變方法的長處，它是一種精確的插值法.是研究空間分布比較穩(wěn)健的工具，可以最大限度的保留空間信息，在地理信息系統(tǒng)軟件（GIS）的支持下，可以用來揭示區(qū)域土壤各重金屬元素污染的空間分布特征和規(guī)律.

圖3 綜合污染指數(shù)評價圖

本文即在arcgis9.2支持下利用反距離加權(quán)插值分析技術(shù)根據(jù)評價單元生成基于監(jiān)測點位的預(yù)測表面，從而可視化顯示區(qū)域的土壤污染的空間分布情況，如圖3所示.可以看出，潘三礦西部，新莊孜礦南部等區(qū)域，重金屬濃度偏高，這一結(jié)果與上圖中超標樣點的分布大致趨于一致.

4 結(jié)論

(1)通過內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、姚氏綜合污染指數(shù)法和混合加權(quán)法三種方法的比較可以看出，混合加權(quán)法是可以克服內(nèi)梅羅污染指數(shù)及姚氏綜合污染指數(shù)法的缺陷和不足，更好的反應(yīng)土地重金屬污染現(xiàn)狀，相比其它兩種方法具有更好的靈敏性，但由于混合加權(quán)還沒有相應(yīng)的污染分級劃分標準，只能根據(jù)標準判斷該區(qū)域是污染而不能區(qū)分污染的程度和級別，因此對混合加權(quán)法還需要進一步的改進.

(2)利用GIS強大的空間分析功能可以對環(huán)境檢測場地進行分析和評價，是對環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的分析和評價工具，也是環(huán)境質(zhì)量預(yù)測的有效工具，在GIS支持下進行淮南礦區(qū)土壤的重金屬污染評價結(jié)果顯示：潘三礦西部，新莊孜礦南部地區(qū)土壤重金屬濃度偏高，主要污染物為砷（As），可能與這些區(qū)域長期進行采礦作業(yè)導(dǎo)致土壤中重金屬的蓄積有關(guān)，尤其是礦山開采中的伴生礦中很容易導(dǎo)致砷污染.

(3)反距離加權(quán)空間插法一種局部插值法，其假設(shè)前提是未知值的點受較近控制點的影響比較遠控制點的影響更大[7].該方法要求對受影響的局部控制點有清楚的認識，且其結(jié)論直接受到采樣點數(shù)值的影響，采樣點越多，對局部的真實反映越強，利用反距離加權(quán)插值法所確定的污染范圍就越準確.

〔1〕師榮光,高懷友,趙玉杰,劉鳳枝,王躍華,鄭向群,姚秀榮,王斌.基于GIS的混合加權(quán)模式在天津城郊土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006,25(增刊): 17-20.

〔2〕曾毅軍,林宗振.計算環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的K--級混合加權(quán)模型[J].暨南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1997,15(3):88-93.

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