基于GIS的哈爾濱城市重金屬鉛元素分析

蘇中達(dá) 董雋

[摘要]哈爾濱作為我國的一個老工業(yè)基地城市，在近半個多世紀(jì)的發(fā)展中，依靠工業(yè)取得了非常良好的經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢，經(jīng)濟水平不斷上升，極大的促進(jìn)了哈爾濱的城市現(xiàn)代化建設(shè)。但是正是因為長期以來的工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展，使得哈爾濱市的環(huán)境遭受了較大的污染，尤其是土壤污染更為嚴(yán)重?，F(xiàn)本文正是針對哈爾濱市土壤污染問題中關(guān)于重金屬鉛元素的空間分布和來源進(jìn)行研究。研究采用GIS技術(shù)，通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)和預(yù)處理，來對哈爾濱市重金屬鉛元素在土壤中的分布規(guī)律進(jìn)行探討，并指出加強環(huán)境污染治理，改善哈爾濱市土壤環(huán)境的重要性和緊迫性。

[關(guān)鍵詞]GIS技術(shù)；重金屬污染；鉛元素；哈爾濱

哈爾濱是我國最早依靠工業(yè)發(fā)展起來的城市之一，為我國的工業(yè)技術(shù)發(fā)展和國民經(jīng)濟水平提高做出了巨大貢獻(xiàn)。隨著經(jīng)濟的增長，哈爾濱的人口數(shù)量也在不斷增多，城市規(guī)模不斷擴大，城市功能逐漸齊全，工業(yè)以外的其他行業(yè)也都隨之得到了快速發(fā)展。在此情況下，人們開始關(guān)注和重視哈爾濱直接關(guān)系自身身體健康和城市可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境質(zhì)量問題。本文中主要采用了GIS技術(shù)，通過調(diào)查和勘測的方式獲取了哈爾濱市土壤環(huán)境污染的基本數(shù)據(jù)，并對其中重金屬鉛元素的分布、含量和來源進(jìn)行了簡單研究，以期為哈爾濱市環(huán)境保護(hù)工作的開展提供一些參考。

1、哈爾濱市概況

哈爾濱位于我國的東北地區(qū)，是黑龍江省省會，也是東北經(jīng)濟、政治、文化和交通的重要交流中心。其所管轄的行政區(qū)劃面積共5.31萬平方公里，2012年戶籍總?cè)丝跒?93.5萬人。其主城區(qū)主要包括道里區(qū)、南崗區(qū)、香坊區(qū)和道外區(qū)、平房區(qū)、松北區(qū)和呼蘭區(qū)等幾個行政區(qū)劃部分。本文的研究考察工作主要是在道里區(qū)、道外區(qū)、香坊區(qū)和南崗區(qū)進(jìn)行，因此研究對象就是這四個區(qū)域的土壤鉛元素分布規(guī)律。其中道外區(qū)是由哈爾濱的老城區(qū)發(fā)展而來的，老城區(qū)建設(shè)規(guī)劃布局較為緊湊，空間相對狹小，但擴張后的道外區(qū)則空間相對較大，其資源更為豐富，擁有哈煉油廠、哈制藥六廠、哈一機廠等等多家大型國有企業(yè)，工業(yè)相對較為發(fā)達(dá)。南崗區(qū)組要為行政管理、金融服務(wù)、科教文化和信息技術(shù)的發(fā)展中心，建有高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，與寒地休閑運行地基，商業(yè)文化氛圍較為濃厚。而香坊區(qū)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和物流業(yè)都相對較為發(fā)達(dá)，尤其是農(nóng)業(yè)高新技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技更為發(fā)達(dá)。道里區(qū)為哈爾濱市的主要金融商貿(mào)中心，旅游文化較為濃厚，是一個以發(fā)展空港經(jīng)濟、旅游經(jīng)濟和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主的現(xiàn)代化生態(tài)城區(qū)。

2、基于GIS的哈爾濱城市重金屬鉛元素研究背景

近年來，哈爾濱市加大了對城市生態(tài)環(huán)境污染的關(guān)注力度，并開始著手對城市環(huán)境污染進(jìn)行治理。在多年的工業(yè)生產(chǎn)影響下，哈爾濱的水環(huán)境、大氣環(huán)境和土壤環(huán)境都受到了較為嚴(yán)重的污染，治理工作開展難度較大。尤其是土壤環(huán)境的污染，不但具有滯后性和長期性，還具有較強的隱蔽性，更是很難引起人們的正確對待。據(jù)調(diào)查，很多哈爾濱市民對城市的空氣污染治理最為關(guān)心，其次是水污染治理，而對于土壤的污染危害則很少有市民認(rèn)識到并引起足夠的重視。事實上，土壤污染所帶來的危害要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水污染和大氣污染，若土壤中所含的污染物質(zhì)、重金屬或有毒物質(zhì)含量過高時，就很可能導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)發(fā)生變化 ，一旦毒性散發(fā)，所帶來的危害是難以估計的。但是土壤污染的治理工作開展難度更大，費時更長，甚至對土壤污染的分布規(guī)律調(diào)查進(jìn)展都十分緩慢。為了能夠盡快的排除這些隱藏在地下的“化學(xué)定時炸彈”，本文決定利用先進(jìn)科技GIS技術(shù)來對哈爾濱市土壤中鉛元素的分布規(guī)律進(jìn)行分析研究。

GIS技術(shù)就是地理信息系統(tǒng)技術(shù)。其是結(jié)合了計算機技術(shù)、地理學(xué)、幾何學(xué)、測繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)等諸多學(xué)科的新興邊緣科學(xué)。它以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的、動態(tài)的地理信息為地理研究和決策服務(wù)。由于環(huán)境監(jiān)測點在空間上的分布特征，GIS為存儲、處理和管理環(huán)境數(shù)據(jù)提供了極大的方便。本文正是要基于GIS的環(huán)境質(zhì)量管理信息系統(tǒng)，在對哈爾濱市環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價過程中，利用GIS技術(shù)的輔助，實現(xiàn)對哈爾濱市的土壤鉛元素分布進(jìn)行客觀地、全面地評價，以反映當(dāng)?shù)赝寥赖氖芪廴镜某潭纫约翱臻g分布狀態(tài)，并對其污染形成原因進(jìn)行分析，預(yù)測鉛污染的變化趨勢。以為相關(guān)部門治理土壤污染提供一些科學(xué)參考資料。

3、研究分析技術(shù)路線設(shè)計

4、數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理

在采用GIS技術(shù)對重金屬鉛元素的分布規(guī)律進(jìn)行分析之前，首先要做的準(zhǔn)備工作就是要進(jìn)行測量、調(diào)查以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。在本研究中，主要對哈爾濱市的道里區(qū)、道外區(qū)、南崗區(qū)和香坊區(qū)四個區(qū)域的土壤進(jìn)行了調(diào)查。方法為從這四個地區(qū)的主干道交叉口處作為研究樣點，并在該處取得一些表層土壤，并對其進(jìn)行化學(xué)分析，得到該地區(qū)的土壤重金屬鉛元素含量。本次研究共采取了104處研究樣點的土壤。

在對所采集的土壤進(jìn)行化學(xué)分析后，就要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理。即將相關(guān)的基礎(chǔ)圖形（如城區(qū)圖、交通圖等）放在ArcMap軟件中進(jìn)行矢量化轉(zhuǎn)換為.shp的格式，并生成邊界、道路等不同的圖層。在excel表格中的點數(shù)據(jù)，在ArcMap中tools菜單下通過“Add XY data”向?qū)Чぞ咧付╔和Y字段后添加到ArcMap中，并保存成.shp格式的文件。建立數(shù)據(jù)庫，采用國際84坐標(biāo)系統(tǒng)，將處理的數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)集中。

5、基于GIS的土壤鉛元素空間分布規(guī)律分析

本文之所以采用GIS技術(shù)來對哈爾濱市的土壤重金屬鉛元素進(jìn)行研究分析，是因為將GIS技術(shù)與傳統(tǒng)地統(tǒng)計學(xué)結(jié)合在一起使用，能夠在發(fā)揮地統(tǒng)計學(xué)的強大數(shù)據(jù)空間結(jié)構(gòu)分析功能的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)實現(xiàn)這些空間結(jié)構(gòu)的可視化效果，更利于研究人員直觀的察看和總結(jié)鉛元素的空間分布規(guī)律，方便使用者更快的掌握土地污染狀態(tài)和發(fā)展趨勢。具體的研究分析流程和方法主要如下所示：

5.1探索性數(shù)據(jù)分析

本研究中所進(jìn)行的探索性數(shù)據(jù)分析主要是在ArcGIS軟件平臺上實現(xiàn)的。ArcGIS可以利用全面系統(tǒng)的圖形工具和相應(yīng)的插值方法來對原始數(shù)據(jù)圖文進(jìn)行整理，從而確定本次研究需要統(tǒng)計的數(shù)據(jù)屬性和探索數(shù)據(jù)的主要分布，并能夠通過分析全局和局部異常值來判斷全局的變化走向，并能夠得出多種數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。其所具備的這些強大功能為用戶更深入形象的了解研究對象提供了較大便利。尤其是在對土壤重金屬含量的空間分布特征研究分析上，ArcGIS更具優(yōu)越性。其能夠?qū)ρ芯繕狱c進(jìn)行插值計算，并將其計算結(jié)果以點狀分布的方式呈現(xiàn)出來，獲得土壤重金屬污染的空間分布圖。雖然采用ArcGIS軟件對探索性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析具有很大的優(yōu)越性，但是需要注意的是這個優(yōu)越性是建立在一定條件基礎(chǔ)上的，這個條件就是指空間數(shù)據(jù)插值結(jié)果預(yù)算誤差應(yīng)當(dāng)盡量控制在最小的范圍內(nèi)。為此，本研究決定采用GIS Arcmap/info10軟件技術(shù)，利用其中的擴展模塊Geostatistical Analyst只能夠的探索數(shù)據(jù)菜單來對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析。

5.2剔除異常值

在對其探索性數(shù)據(jù)進(jìn)行計算前，需要將其中存在異?，F(xiàn)象的研究樣點值剔除掉。若判別不準(zhǔn)確或剔除不完全，就會使異常值嚴(yán)重影響到變異函數(shù)的計算準(zhǔn)確性。所謂異常值，就是指所測量采集取得的觀測數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)存在較大的差異，如測量值過大或過小，屬于異常值。之所以在觀測數(shù)據(jù)中存在異常值，可能因為土壤采樣過程中或化驗分析過程中存在著操作不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，或者是受外界因素條件變化而使得土壤性質(zhì)發(fā)生變化等等。異常值并不能夠代表觀測值的實際水平，因而不能作為判斷土壤重金屬污染狀況的判斷依據(jù)，必須要進(jìn)行相應(yīng)的剔除。

5.3數(shù)據(jù)正態(tài)檢驗

運用基于地統(tǒng)計學(xué)的空間變異理論并結(jié)合GIS的空間分析功能對哈爾濱市城市表層土壤中重金屬含量的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。在進(jìn)行分析前同樣要求數(shù)據(jù)成正態(tài)分布，對哈爾濱市城市表層土壤各重金屬元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換和用域法剔除異常值后，滿足正態(tài)分布（Pb含量數(shù)據(jù)為近似正態(tài)分布），從而消除了比例效應(yīng)。用分位圖思想作Pb元素的QQ—plot圖（圖1），直線表示正態(tài)分布。如果不屬于正態(tài)分布，則要求對其進(jìn)行變換。變換的方法包括Box—Cox變換、平方根變換、Log數(shù)變換、反正弦變換等。Box—Cox的變換公式是：Y=（Z（s）λ-1）/λ，當(dāng)λ等于1/2時，為平方根變換；當(dāng)λ等于0時，為對數(shù)變換。變換后，如果數(shù)據(jù)的分布還不滿足上述正態(tài)分布條件，則不適合進(jìn)行普通克里格插值。

5.4趨勢分析

在進(jìn)行趨勢分析時，需要注意全局趨勢和局部趨勢的差異，并分別進(jìn)行相應(yīng)的趨勢分析。其中在對局部進(jìn)行趨勢分析時，需要在全局趨勢中剔除不相關(guān)的局部趨勢。這樣有利于減少不相關(guān)局部趨勢對其他局部趨勢的影響。之所以要對數(shù)值進(jìn)行趨勢分析，主要是為了將研究區(qū)平面圖上獲得的相關(guān)信息通過屬性轉(zhuǎn)化，生成三維視圖。對將這些點按照兩個方向投影到與地圖平面正交的平面上，每個方向可用一個多項式來擬合。如果擬合曲線為平直的，說明沒有全局趨勢；如果擬合的曲線為確定的曲線（二次函數(shù)曲線和指數(shù)函數(shù)曲線等），則存在某種全局趨勢。一旦存在全局趨勢，則可以通過確定性內(nèi)插進(jìn)行插值。對Pb元素進(jìn)行探索性的趨勢分析見（圖2）。

其中上圖中，紅色線代表著南北方向，而黃色線則代表著東西方向。從Pb元素的趨勢分析圖能夠看出，無論是在南北方向還是在東西方向，都出現(xiàn)了輕微的弧形，這代表著研究樣點的存在具有二維函數(shù)趨勢。所以我們可以利用空間二維函數(shù)趨勢為依據(jù)來剔除空間插值中的異常值。

5.5普通克呂格插值計算

從上述分析可以看出，采用GIS探索性空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)對土壤鉛含量數(shù)據(jù)分析可以得知研究區(qū)土壤重金屬數(shù)據(jù)Pb經(jīng)Box—Cox變換后呈正態(tài)分布、有空間相關(guān)、存在二價函數(shù)趨勢、半方差函數(shù)方向?qū)儆诟黜椡裕m合普通克里格方法進(jìn)行空間插值。因此接下來就可以利用ArcGIS10來對空間插值進(jìn)行相應(yīng)計算。計算步驟如下所示：

1）在ArcMap中加載mp數(shù)據(jù)。

2）右擊工具欄，啟動地理統(tǒng)計模塊 Geostatistical Analyes。

3）選擇Geostatistical Analyes |【地統(tǒng)計向?qū)А棵睢?/p>

4）彈出對話框，在【數(shù)據(jù)集】中選擇mp數(shù)據(jù)及屬性Pb，選擇 Kriging/CoKriging內(nèi)插方法，點擊【下一步】。

5）彈出對話框，在Kriging Type列表中選擇普通克里金Ordinary，在Output Type列表框中選擇預(yù)測圖Prediction，DataSet #1的Transformation Type里選擇Box-Cox變換方式，在Power parametet里填0.5，點擊【下一步】。

6）在半變異函數(shù)/協(xié)方差建模對話框中，設(shè)置參數(shù)值，在這里可以設(shè)置類型，步長等。

7）在搜索鄰域?qū)υ捒蛑性O(shè)置參數(shù)，點擊【下一步】。

8）彈出交叉驗證對話框。

9）得出計算結(jié)果。

6、研究成果分析

6.1哈爾濱城市重金屬鉛元素的空間分布特征

通過上述GIS技術(shù)研究，我們得到了哈爾濱城市土壤中重金屬鉛元素的空間分布圖，并結(jié)合相關(guān)圖文數(shù)據(jù)可以總結(jié)出其分布規(guī)律。即在哈爾濱的道里區(qū)、道外區(qū)、南崗區(qū)和香坊區(qū)這四個行政區(qū)域中，道外區(qū)和香坊區(qū)的土壤中重金屬鉛元素含量較高，每千克土壤中鉛元素的含量都超過了28.1mg。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了環(huán)境保護(hù)相關(guān)準(zhǔn)則中的重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)，可見哈爾濱當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重。

6.2土壤重金屬鉛元素的主要來源分析

在對哈爾濱市道外區(qū)和香坊區(qū)等部分地區(qū)進(jìn)行實際調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在土壤鉛元素含量較高的地區(qū)，往往都分布著冶金廠、鋼鐵加工廠、鉛冶煉廠、機械生產(chǎn)廠、鉛字印刷廠、化工廠、光學(xué)儀器生產(chǎn)廠、紡織廠或皮革加工廠等可能會排出較多廢氣、廢水和固體垃圾的工業(yè)廠區(qū)。正是因為這些廠區(qū)在日常生產(chǎn)中向自然環(huán)境排出大量的“三廢”，才導(dǎo)致了土壤表層中鉛元素含量的劇增。如含有鉛元素的廢水未經(jīng)處理直接排入河流或地下道中，在長期的滲透中，鉛元素在土壤中的含量就會越來越多，含量越來越大。再例如將一些含有鉛元素的固體廢物直接掩埋在土層中，也會造成當(dāng)?shù)氐耐寥乐亟饘傥廴尽?/p>

除了工業(yè)污染因素以外，造成哈爾濱城市土壤重金屬鉛元素含量超標(biāo)的影響因素還包括城市發(fā)展進(jìn)程中大量的汽車尾氣排放。這是因為汽油中加入的防爆劑含有一定的鉛元素，在尾氣排放過程中，重金屬元素逐漸沉降在土壤表層，長期以來造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染。從調(diào)查顯示結(jié)果也可以證實，在哈爾濱市區(qū)主干道兩邊的土壤檢測中，鉛元素的含量要高于其200m以外地區(qū)的土壤鉛含量值。由此也可以得出鉛元素在土壤中的分布規(guī)律，即距離排放污染物的廠家或道路越近，鉛污染就越嚴(yán)重，距離越遠(yuǎn)，鉛污染越小。

7、結(jié)語

綜上所述，在對哈爾濱市主要的行政區(qū)域進(jìn)行土壤檢測和GIS技術(shù)分析研究后，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前哈爾濱市的土壤重金屬污染現(xiàn)象已經(jīng)極為嚴(yán)重，且鉛元素在土壤中的空間分布具有一定的規(guī)律性。本研究以鉛元素為研究對象，通過樣點采集數(shù)據(jù)，在地統(tǒng)計學(xué)技術(shù)和GIS空間分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，對土壤重金屬污染的狀況進(jìn)行分析研究，取得了科學(xué)合理的研究成果。證明在對城市土壤污染分析和研究中，采用GIS技術(shù)是非?？尚星矣行У?。本文的研究成果也可以為相關(guān)決策部門制定環(huán)境保護(hù)策略提供一定的參考，并讓廣大市民認(rèn)識到當(dāng)?shù)赝寥牢廴镜膰?yán)重性，積極倡導(dǎo)全市群眾都投入到環(huán)保工作中，以促進(jìn)哈爾濱城市生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步改善。

參考文獻(xiàn)

[1][蘇]E.明金著，王藹玲，常連貴，廖進(jìn)德譯.地下水污染調(diào)查與預(yù)測計算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1978.

[2]陳杰.城市化對周邊土壤資源與環(huán)境的影響[J].中國人口資源與環(huán)境，2002，12（2）：70—74

[3]李德仁等.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：測繪出版社，1993

[4]屈圣，王喜眉.地理信息系統(tǒng)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用[J].山西科技，2005，3：21一22

作者簡介

通訊作者：董雋，副教授，研究方向為GIS技術(shù)及應(yīng)用。

基金項目

哈爾濱學(xué)院學(xué)生科研項目：基于GIS的哈爾濱城市土壤重金屬元素分析（HXS2013011）