城市表層土壤重金屬污染分析

冉慶波+張麗穎+肖松平

摘 要：建立模糊綜合評價(jià)模型采用基于雙權(quán)重因子的模糊數(shù)學(xué)模型綜合考慮重金屬濃度和毒性作用，既反映污染物的濃度超標(biāo)狀況，又反映污染物的毒性作用，在綜合考慮金屬的濃度與毒性作用后，建立雙權(quán)重因子的模糊數(shù)學(xué)模型，較好的反映了污染物的濃度超標(biāo)情況與其毒性因素對每個(gè)取樣點(diǎn)給予不同的權(quán)重，計(jì)算出取樣點(diǎn)的隸屬度，評出等級。并根據(jù)各區(qū)取樣點(diǎn)的等級進(jìn)一步評價(jià)各區(qū)土壤現(xiàn)狀，考慮到各區(qū)面積較大，不能一概而論的給定生硬的評價(jià)等級，因而本文采取百分比的形式評價(jià)各區(qū)土壤，得出結(jié)論：工業(yè)區(qū)污染較為嚴(yán)重，山區(qū)重金屬污染程度較低，且該城市受到Hg、Zn、Cu的污染較為嚴(yán)重，受到Ni、As的污染程度較弱。

每個(gè)土壤樣品的重金屬元素組成并不是各自獨(dú)立、互不相干的，來自同一種源的那些成分之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，因此采用因子分析法來研究多個(gè)變量的相關(guān)性。通過將龐雜的原始數(shù)據(jù)按照成因上的聯(lián)系進(jìn)行歸類，由果及因地理出幾條比較客觀地成因線索，以導(dǎo)出正確的成因結(jié)論。本文在土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果基礎(chǔ)上將城市土壤八種重金屬元素的數(shù)據(jù)系列使用分析軟件SPSS進(jìn)行因子分析，得出六個(gè)主因子，并據(jù)此畫出各主因子的等高線圖描述重金屬污染的原因。

關(guān)鍵詞：重金屬污染、雙權(quán)重因子的模糊數(shù)學(xué)模型、因子相關(guān)性分析法

1.引言

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與人口的不斷增長，人類的活動對城市環(huán)境的破壞日益突出，而土壤更是成為其中污染最為嚴(yán)重的一項(xiàng)。因此如何對城市土壤異常進(jìn)行調(diào)查以及如何用調(diào)查得來的海量數(shù)據(jù)對土壤進(jìn)行合理的評價(jià)就變得尤為重要。而近些年來隨著工業(yè)，農(nóng)業(yè)，交通業(yè)的發(fā)展，各種化學(xué)試劑，農(nóng)藥以及排放尾氣更是對土壤造成不可估量的污染。在這種形勢下，更需要急切的對土壤作出客觀、切實(shí)的綜合評價(jià)，以便及時(shí)作出合理的調(diào)整，確保土壤的可持續(xù)發(fā)展。

2.城區(qū)各區(qū)域重金屬污染程度的評判

通過分析各采樣點(diǎn)土壤分類，得出各區(qū)各類土壤所占百分比如下表：

通過表格可以發(fā)下，生活區(qū)采樣點(diǎn)大多數(shù)屬于清潔土壤，但也有少數(shù)土壤受到污染，分析原因，主要是由于居民生活垃圾亂丟亂棄以及焚燒垃圾所造成的結(jié)果。工業(yè)區(qū)輕污染的土壤達(dá)到55.36%，說明該區(qū)長期受到工業(yè)的污染較為嚴(yán)重，政府相關(guān)部門應(yīng)提起重視，防止污染進(jìn)一步惡化。山區(qū)清潔土壤比例達(dá)到86.49%，說明該區(qū)基本沒有受到污染。交通區(qū)中污染土壤達(dá)到44.74%，說明該區(qū)污染最為嚴(yán)重，究其原因，主要是汽車尾氣中的有害重金屬造成的危害，因此應(yīng)加強(qiáng)對交通車輛的管理，淘汰排放不合格車輛。公園綠地區(qū)清潔土壤占大多數(shù)，但尚清潔和輕污染土壤達(dá)到33.33%，主要是由于人們丟棄垃圾所致。

為了更好的進(jìn)行分析、評價(jià)，利用因子分析所得到的2個(gè)因子經(jīng)過方差極大正交旋轉(zhuǎn)后的表層土壤單點(diǎn)樣樣本在4個(gè)主因子上的得分可作出各個(gè)因子在空間分布的等直線圖，能更直觀地說明各個(gè)元素在空間平面上的分布特征。

從圖4可以看出，來源關(guān)聯(lián)比較密切的Cr和Ni集中處于生活區(qū)與工業(yè)區(qū)?？梢钥闯鑫廴局饕捎谄髽I(yè)的工業(yè)污染排放產(chǎn)生，可能由于地理地形和風(fēng)向的特點(diǎn)，污染物向西遷移，集中在生活區(qū)和工業(yè)區(qū)，這些必需引起有關(guān)部門的足夠重視。

而根據(jù)圖5所顯示的信息，來源關(guān)系比較密切的Cd和Pb在空間上的分布可近似認(rèn)為是帶狀污染，主是交通區(qū)輪胎摩擦和汽車尾氣的排放產(chǎn)生，經(jīng)查閱資料，Cd傳播可能與風(fēng)向有關(guān)，而大氣中的Cd沉降也是造成污染的重要原因。

因子5為元素Cu，高含量Cu 主要集中在工業(yè)區(qū)和交通區(qū)，為局部面積型污染，主要因?yàn)楣I(yè)區(qū)的廢物排放、工業(yè)污染，以及尾氣排放，交通來源等。

圖7為元素Zn的分布，可以看出Zn在該區(qū)污染并不是很嚴(yán)重，局部有富集情況，也是由尾氣排放，城市居民生活污染所致。

綜上所述：該地區(qū)重金屬污染的主要原因有五個(gè)方面：工礦企業(yè)污染，燃煤污染，交通污染，商業(yè)活動和居民生活污染。

3.結(jié)論

建立了模糊綜合評價(jià)模型，依據(jù)超標(biāo)量和毒性兩個(gè)方面分別評價(jià)每個(gè)取樣點(diǎn)，避免了統(tǒng)一的權(quán)重所造成各取樣點(diǎn)適用度不高的問題，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。計(jì)算時(shí)借用MATLAB編程進(jìn)行，減少人工消耗以及避免不必要的錯(cuò)誤。

確定污染原因的過程中運(yùn)用了因子分析算法，考慮到每個(gè)重金屬元素污染成因并不是相互獨(dú)立的，運(yùn)用SPSS軟件建立每個(gè)重金屬元素間的相關(guān)系數(shù)矩陣，利用相關(guān)系數(shù)矩陣求出了相應(yīng)的因子特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率，通過主因子的屬性確定重金屬元素的污染原因。優(yōu)點(diǎn)在于將每個(gè)重金屬元素聯(lián)系起來而不是單獨(dú)分析每個(gè)元素的產(chǎn)生原因，這樣更貼近實(shí)際，得出的結(jié)果也相對較準(zhǔn)。為解決實(shí)際問題提供一定參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜啟源，謝金星，葉 俊 ，數(shù)學(xué)模型，北京，高等教育出版社，2004

[2] 丁國盛，SPSS統(tǒng)計(jì)教程，機(jī)械工業(yè)出版社，2006

[3] 鄧朝生， 尚金城， 陳鵬，我國環(huán)境污染的因子分析[J]. 內(nèi)蒙古環(huán)境保護(hù)， 2003