物元分析法對土壤重金屬質(zhì)量評價的研究及改進(jìn)

謝峻銘

(廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216)

土壤重金屬污染是指由于人類活動，導(dǎo)致重金屬元素進(jìn)入土壤后并超過其自凈能力而造成土壤環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。土壤重金屬污染主要由Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等8種重金屬元素引起的土壤污染[1]，其可通過食物鏈傳遞并累積，具有滯后性、隱蔽性和長期性的特點，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重的危害。因此，對土壤環(huán)境進(jìn)行重金屬污染評價是了解重金屬對土壤的污染狀況、治理與改善土壤環(huán)境的必要手段；同時，土壤重金屬質(zhì)量評價是環(huán)境影響評價的重要組成部分。

在土壤重金屬質(zhì)量評價方面有較多的方法和模型，如模糊數(shù)學(xué)綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、灰色聚類法和物元分析評價法等，這些評價方法各有其獨特的特點，但國內(nèi)目前尚未有統(tǒng)一的評價方法[2]。

本文主要針對物元分析法在土壤重金屬質(zhì)量評價中的應(yīng)用進(jìn)行研究。物元分析理論以研究處理矛盾問題的思維過程并將其數(shù)學(xué)形式化為核心[3]。物元是把事物的質(zhì)和量有機(jī)聯(lián)系在一起的重要概念，“事物”、“特征”及“量值”構(gòu)成了物元三要素。從數(shù)學(xué)角度，給定事物的名稱N，它關(guān)于特征C的量值為X,以有序3元R=(N,C,X)組作為描述事物特征的基本元，簡稱物元[4]。

1 物元分析的方法步驟

物元分析方法的步驟如下：

1.1 建立物元矩陣

根據(jù)事物特征選取多個特征量實測值，建立相應(yīng)物元矩陣R0(待評對象)[5]，則：

式中，P0為待評單元；Ci為待評單元的第i項特征，i=1,2,…,n;Xi為關(guān)于P0的量值，即對待評單元第i項特征進(jìn)行分析的原始數(shù)據(jù)。

1.2 劃定經(jīng)典域和節(jié)域

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或擬定新的準(zhǔn)則,建立經(jīng)典域矩陣Rj和節(jié)域矩陣RP如下：

式中，Nj為第j個質(zhì)量等級；Ci為質(zhì)量等級Nj的第i個特征量,i=1,2,…,n；Xji為第j個質(zhì)量等級中關(guān)于第i項特征(C)所規(guī)定的量值范圍；P為質(zhì)量等級的全體;Xpi為P關(guān)于Ci所取的量值范圍;Ci為質(zhì)量評價的第i個特征量。

1.3 計算關(guān)聯(lián)函數(shù)

①確定各項指標(biāo)屬于各質(zhì)量等級的關(guān)聯(lián)度，公式如下：

式中，Kj(Xi)為第i項特征(指標(biāo))屬于第j級的關(guān)聯(lián)度。

②采用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的計算方法確定各特征量的權(quán)重，公式如下：

③確定待評單元屬于各質(zhì)量等級的綜合關(guān)聯(lián)度，公式如下：

式中，Wi為第i項特征的權(quán)重(采用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的計算方法)；Kj(P0)為待評單元(P0)屬于第j級的綜合關(guān)聯(lián)度。

1.4 待評單元質(zhì)量等級的評定

若Kj=max{ Kj(P0)}，j=1.2.3…m，則待評單元P0的質(zhì)量等級為第j 級。當(dāng)0

2 案例研究背景

在我國，由于地域廣闊、土壤分布類型復(fù)雜、各地氣候不同、且成土母質(zhì)不同等等，用統(tǒng)一的國家土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)并不能準(zhǔn)確地反應(yīng)當(dāng)?shù)氐膶嶋H狀況，因此，國家制定的《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)中一些標(biāo)準(zhǔn)值缺乏可靠的依據(jù)，也導(dǎo)致了一級標(biāo)準(zhǔn)的制定過分強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一及二級標(biāo)準(zhǔn)難以操作等問題[6～8]。鑒于我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》現(xiàn)存的問題，本文為評價方法研究需要，在參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》并閱讀大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，同時借鑒了廣東省土壤(底土和表土)中化學(xué)元素的含量的均值作為背景值，暫定將土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量劃分為4級標(biāo)準(zhǔn)。其中Ⅰ級為優(yōu)級，符合廣東省背景值標(biāo)準(zhǔn)；Ⅱ級為良級，符合我國綠色食品產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件(NY/T391-2000)；Ⅲ級為合格級，符合農(nóng)業(yè)部發(fā)布的無公害食品產(chǎn)地環(huán)境條件(NY5010-2001)中土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所列技術(shù)指標(biāo)；Ⅳ級為劣級，屬于不合格級(見表1)。

表1 土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)(單位：mg/kg)

本文采用東莞市12個監(jiān)測點的土壤重金屬監(jiān)測數(shù)據(jù)為例(見表2)，采用物元分析評價法對土壤重金屬污染情況進(jìn)行評價。

表2 東莞市12個監(jiān)測點的土壤重金屬含量現(xiàn)狀(單位：mg/kg)

3 案例分析評價

3.1 建立待評物元矩陣。以東莞市厚街水田監(jiān)測點為例，建立物元矩陣如下：

同理，按照上面的建立方法建立其他11個監(jiān)測點的物元矩陣。

3.2 建立經(jīng)典域和節(jié)域。根據(jù)土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)(表1)建立經(jīng)典域和節(jié)域如下：

同理，建立R2、R3、R4和RP。

注：由于Cu和Pb在待評的12個監(jiān)測點中的最大值已經(jīng)超過了土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)中的第Ⅳ級，故R4和Rp中的Cu和Pb的量值范圍上限分別取105.60、120.12。

3.3 確定各特征量權(quán)重

由于各評價要素對某一環(huán)境綜合體的貢獻(xiàn)存在差異，即對綜合體的作用不同，相應(yīng)有不同的側(cè)重。因此對各評價要素要給予一定的權(quán)重。計算權(quán)重的方法很多，本文主要采用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的計算方法確定各特征量的權(quán)重，它反映了超標(biāo)多，加權(quán)大的特點。利用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的計算公式(2)可以得到厚街水田測點的特征量權(quán)重(表3)，同理可得其他11個測點的特征量權(quán)重。

表3 各特征量的權(quán)重

3.4 確定待評單元屬于各質(zhì)量等級的綜合關(guān)聯(lián)度

利用公式(1)和公式(3)，可以計算出12個監(jiān)測點在不同評價等級的關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度。根據(jù)計算結(jié)果可知，厚街水田屬于第二級的綜合關(guān)聯(lián)度為-0.003，為其它所有級別中最大的，故由K2=max{ Kj(P0)}可知，該水田屬于第二級；以此類推，可得其它11個監(jiān)測點的最大綜合關(guān)聯(lián)度和所屬等級(表4)。并由評價結(jié)果可知，本次評價的7個測點屬于Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)(良級)，1個測點屬于Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)(合格級)，其它4處測點為Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)(屬于不合格級)。

表4 東莞市12個監(jiān)測點的綜合關(guān)聯(lián)度

4 對物元分析評價法的改進(jìn)

通過對物元分析評價法的剖析，可知采用合理的權(quán)重計算方法，可以提高物元分析評價法評價結(jié)果的準(zhǔn)確性及客觀性，其評價結(jié)果主要由兩個部分求得：關(guān)聯(lián)度和權(quán)重。關(guān)聯(lián)度是物元評價法本身具有的特點，因此權(quán)重的確定對評價結(jié)果有重要的影響。

本文嘗試將土壤風(fēng)險評價中的毒性系數(shù)引用到土壤重金屬質(zhì)量評價中，對權(quán)重進(jìn)行改進(jìn)，充分利用土壤重金屬各元素毒性不同的特點，采用加權(quán)毒性的權(quán)重計算方法對物元分析方法進(jìn)行研究，通過對本文12個監(jiān)測點的土壤重金屬監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，以求獲得更合理、更可靠、更準(zhǔn)確的評價結(jié)果。

4.1 基于毒性的物元分析評價法

本文引用了土壤重金屬風(fēng)險評價中的毒性系數(shù)，將毒性系數(shù)歸一化作為各特征量固定的權(quán)重來代替原來指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的權(quán)重計算方法，對12個監(jiān)測點進(jìn)行評價。毒性系數(shù)歸一化結(jié)果見表5。

表5 毒性系數(shù)歸一化

由上表可知，土壤中各重金屬元素的毒性并不相同，所占的比重也不同。將毒性歸一化后的數(shù)值作為各特征量固定的權(quán)重，并利用公式(1)和公式(3)，按照物元分析評價法同樣的計算過程，可以計算出12個監(jiān)測點在不同評價等級的關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度。計算結(jié)果見表6。

表6 基于毒性的物元分析的綜合關(guān)聯(lián)度及評價結(jié)果

4.2 基于加權(quán)毒性的物元分析評價法

土壤中的重金屬并不等同于其它污染物，不僅影響和改變城市土壤的生態(tài)功能,而且通過揚塵或者直接接觸危害人體健康。不同的重金屬的其毒性不一樣，對人類的危害也不一樣,因此，把毒性系數(shù)引入到土壤重金屬質(zhì)量評價中是至關(guān)重要的。

本文采用權(quán)重與毒性相結(jié)合的方法，在利用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的計算方法確定各特征量的權(quán)重的基礎(chǔ)上與毒性系數(shù)歸一化結(jié)果相乘，使權(quán)重的結(jié)果中包含有毒性的信息，彌補原先方法中權(quán)重計算的不足，增加其權(quán)重的合理性和準(zhǔn)確性。計算結(jié)果見表7。

表7 各特征量的加權(quán)毒性

采用上表各特征量的加權(quán)毒性計算結(jié)果，并利用公式(1)和公式(3)，按照物元分析評價法同樣的計算過程，可以算出12個監(jiān)測點在不同評價等級的關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度。計算結(jié)果見表8。

表8 基于加權(quán)毒性的物元分析的綜合關(guān)聯(lián)度及評價結(jié)果

5 三種結(jié)果的比較及分析

采用不同的權(quán)重計算方法(指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率、毒性系歸一化和毒性加權(quán))的評價結(jié)果見表9。

表9 三種評價結(jié)果比較表

從上述比較表9可知，采用加權(quán)毒性的評價結(jié)果與采用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的評價結(jié)果比較相近，只有3個監(jiān)測點有差異。而采用毒性歸一化的比較結(jié)果，有5個監(jiān)測點有差異。三種結(jié)果的分析如下：

(1)加權(quán)毒性是在采用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的基礎(chǔ)上考慮重金屬各元素的毒性，從監(jiān)測的數(shù)據(jù)上可以看出，之所以采用加權(quán)毒性的評價結(jié)果與采用指標(biāo)污染貢獻(xiàn)率的評價結(jié)果有所差異，其主要原因是在于毒性大的重金屬含量高，那么評價的等級就差。例如茶山蕉地，其監(jiān)測數(shù)據(jù)中超過標(biāo)準(zhǔn)值最多的是Cu和Pb，Cu超過Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)，Pb超過Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，但是它們的毒性系數(shù)都是5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及Hg-40、Cd-30和As-10大，所以根據(jù)加權(quán)毒性評價出來的等級相比之下就比較好；同樣，麻涌蕉地，其監(jiān)測數(shù)據(jù)中超過標(biāo)準(zhǔn)值最多的是Hg和As，都超過Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，而其它們的毒性系數(shù)分別是40和10，都很高，所以評價出來的等級是Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)是合理的；同理，也可以得到石排菜地監(jiān)測點的評價結(jié)果是合理的，符合東莞市土壤中重金屬的污染現(xiàn)狀。

(2)采用毒性歸一化的評價方法過于單一化，其權(quán)重的計算只考慮了毒性系數(shù)，并沒有考慮不同評價因子現(xiàn)狀值的大小對整體環(huán)境質(zhì)量影響貢獻(xiàn)的差異，導(dǎo)致了評價結(jié)果差異比較大。例如萬江水田，其監(jiān)測數(shù)據(jù)中超過標(biāo)準(zhǔn)值最多的是Cd、As和Cu，都超過Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，但是它們的毒性系數(shù)依次為30，10，5，都比較高，所以評價結(jié)果為Ⅰ級是不合理的；同樣，石排菜地B，其監(jiān)測數(shù)據(jù)中超過標(biāo)準(zhǔn)值最多的是Hg和Pb，都超過Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，而它們的毒性系數(shù)分別是40和5，其中Hg最高，毒性最強(qiáng)，所以評價出來的等級是Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)是不合理的；同理，分析可知其它3個監(jiān)測點的評價結(jié)果也是不合理的。

6 結(jié)論

通過以上的分析比較可知，“基于加權(quán)毒性的物元分析法”是對物元分析評價法中的權(quán)重進(jìn)行改進(jìn)研究，在原來的計算方法上考慮土壤中重金屬各元素的毒性，使權(quán)重中包含毒性的信息，結(jié)果證明，該方法在土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用是合理的，評價結(jié)果是準(zhǔn)確的，符合東莞市土壤中重金屬的污染現(xiàn)狀，是一種客觀、可靠、準(zhǔn)確的評價方法。該方法不僅反映了土壤中各重金屬元素現(xiàn)狀值對整體環(huán)境質(zhì)量影響貢獻(xiàn)的的大小，也反映了土壤中各重金屬元素毒性對環(huán)境和人類的危害的大小。

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