寬域灰色聚類法在減量化用地復(fù)墾場地土壤環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

張 惠，陳 敏，董聰慧

（1. 上海市巖土工程檢測中心，上海 200436；2. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

針對城市發(fā)展面臨的資源約束，上海市明確了“總量鎖定、增量遞減、存量優(yōu)化、流量增效、質(zhì)量提高”的土地管理思路[1-3]。為貫徹落實減量化用地復(fù)墾相關(guān)規(guī)定，各區(qū)縣積極推動開展減量化用地復(fù)墾工作。減量化用地復(fù)墾，是對不符合土地利用總體規(guī)劃要求，而且社會經(jīng)濟(jì)或者環(huán)境效益較差的低效工業(yè)用地等建設(shè)用地，通過拆除、平整等土地整治工作，恢復(fù)農(nóng)地生產(chǎn)能力，發(fā)揮生態(tài)用地功能。減量化地塊由于其用地歷史原因存在環(huán)境質(zhì)量差或環(huán)境污染的潛在風(fēng)險，且復(fù)墾農(nóng)用后關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品安全問題，因此須對減量化用地復(fù)墾場地進(jìn)行必要的環(huán)境質(zhì)量調(diào)查，并基于調(diào)查結(jié)果對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。

減量化用地復(fù)墾場地的土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，目前大多采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)，根據(jù)土壤應(yīng)用功能和保護(hù)目標(biāo)，分級評價。環(huán)境保護(hù)部組織修改完成了《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（三次征求意見稿）》，刪除了一級標(biāo)準(zhǔn)，整合調(diào)整了二級和三級標(biāo)準(zhǔn)；同步完成了《土壤環(huán)境質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（二次征求意見稿）》，擬定了土壤環(huán)境質(zhì)量評價的程序、內(nèi)容、方法和要求；并與農(nóng)業(yè)部頒布《農(nóng)用地土壤環(huán)境管理辦法（試行）》，制定了對農(nóng)用地開展的土壤污染預(yù)防、環(huán)境質(zhì)量類別劃分等相關(guān)活動及其監(jiān)督管理辦法。

國內(nèi)關(guān)于土壤質(zhì)量評價方法主要有T值分級法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、灰色聚類法、等斜率灰色聚類法、寬域灰色聚類法。文獻(xiàn)[4]對太原市5個區(qū)縣的土壤進(jìn)行評價，通過對寬域灰色聚類法、模糊綜合評判法和綜合指數(shù)法三種評價結(jié)果進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)寬域灰色聚類法的評價結(jié)果較另外兩種方法更為合理。文獻(xiàn)[5]對湖南某地10個土壤監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別采用T值分級法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、灰色聚類法、等斜率灰色聚類法、寬域灰色聚類法進(jìn)行評價。通過比對各評價方法的結(jié)果，認(rèn)為寬域灰色聚類法的評價結(jié)果更為合理。目前還沒有明確的減量化用地復(fù)墾場地的土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法。本文以某區(qū)域多個復(fù)墾地塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用寬域灰色聚類法對復(fù)墾地塊的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，以期為管控計劃內(nèi)農(nóng)用地的土壤環(huán)境風(fēng)險、保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供數(shù)據(jù)支持。

1 寬域灰色聚類法評價步驟

參照文獻(xiàn)[4]、[6]等資料，設(shè)某一環(huán)境質(zhì)量評價問題有m個評價點、n個評價指標(biāo)和h個評價級別，且記i=1,2,…,n為評價指標(biāo)，j=1,2,…,h為評價級別，k=1,2,…,m為評價點，聚類步驟主要包括構(gòu)造白化函數(shù)、確定污染物權(quán)重、求修正系數(shù)、求聚類系數(shù)、求聚類結(jié)果。

1.1 構(gòu)造白化函數(shù)

白化函數(shù)反映了污染物（評價指標(biāo)）對污染級別的親疏關(guān)系，其表達(dá)式如下：

第1類（j=1）白化函數(shù)為

第j類（j=2,3,…,h-1）白化函數(shù)為

第h類（j=h）白化函數(shù)為

式中，fij(x)—i種污染物關(guān)于第j個級別的白化函數(shù)；λij—i種污染物關(guān)于第j個級別的白化函數(shù)的閾值；x—污染物監(jiān)測濃度值。

其中，閾值λij即為級別的中心值，由下式計算：

式中，Sij為i種污染物的第j級標(biāo)準(zhǔn)值（j=1,2,…,h）。

1.2 確定污染物權(quán)重

本文采用下式計算權(quán)重：

式中，Wkij—第k個評價點的第i種污染物在第j個級別中的權(quán)重；

xki—第k個評價點的第i種污染物的濃度值。

1.3 求修正系數(shù)

修正系數(shù)用來對白化函數(shù)值進(jìn)行修正，以保證相鄰兩類白化函數(shù)在分級值上（即級別標(biāo)準(zhǔn)值處）具有相同的函數(shù)值。它由下式計算：

式中，Cij—第i種污染物關(guān)于第j類白化函數(shù)的修正系數(shù)。

1.4 求聚類系數(shù)

聚類系數(shù)反映了評價點與各級別之間的親疏關(guān)系，由下述確定：

式中，ηki—第k個評價點關(guān)于第j個級別的聚類系數(shù)；

fij(xki)—第k個評價點的第i種污染物濃度值在該污染物第j類白化函數(shù)中的函數(shù)值。

1.5 求聚類結(jié)果

每個評價點對各個級別都有一個聚類系數(shù)，其中最大聚類系數(shù)所對應(yīng)的級別即為所評價監(jiān)測點應(yīng)屬的級別，把各個評價點的級別歸納起來，便是聚類的結(jié)果。同時，根據(jù)各評價點關(guān)于級別的聚類系數(shù)的大小，可以確定它們之間環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣（系數(shù)越大，環(huán)境質(zhì)量越好）。

2 評價實例

場地的歷史用地狀況對場地的土壤環(huán)境質(zhì)量存在潛在的影響。通過選取某區(qū)域不同用地歷史的10個減量化地塊進(jìn)行土壤環(huán)境調(diào)查，每個地塊采集的土壤樣品均分析了重金屬（銀、砷、鈹、鎘、鉻、銅、鎳、鉛、銻、硒、鉈、鋅、汞）、總石油烴、揮發(fā)性有機(jī)物、半揮發(fā)性有機(jī)物、有機(jī)氯農(nóng)藥和有機(jī)磷農(nóng)藥。由于各地塊土壤樣品中有機(jī)物類、重金屬銀、鎘、銻、硒、鉈含量均低于檢出限，因此本文不對上述監(jiān)測因子進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評價。各減量化地塊土壤樣品中均檢出了砷、鉻、銅、鎳、鉛、鋅、汞7種重金屬，將各地塊監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值作為對應(yīng)地塊的監(jiān)測結(jié)果（表1）。

表1 各地塊用地歷史與監(jiān)測結(jié)果Table 1 The land use history and testing results of monitoring sites

參考文獻(xiàn)[7]中的上海市土壤環(huán)境背景值、《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)、《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（三次征求意見稿）》及文獻(xiàn)[8]的分級原則，將土壤環(huán)境質(zhì)量分為5個級別。并由此得出各污染物的各類白化函數(shù)閾值及其修正系數(shù)（表2）。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)與污染物白化函數(shù)閾值及其修正系數(shù)Table 2 The classification standards of soil environmental quality and threshold values and theirs correction factors of different whitening functions of pollutants

同一污染物在不同級別的權(quán)重和不同污染物在同一級別的權(quán)重都可能不相同，本文列出監(jiān)測區(qū)域1的權(quán)重結(jié)果（表3）。

表3 監(jiān)測區(qū)域1中各污染物的權(quán)重及其白化函數(shù)值Table 3 The weights and whitening function values of different pollutants in site No.1

各監(jiān)測區(qū)域的聚類系數(shù)見表4。

表4 各監(jiān)測區(qū)域的聚類系數(shù)Table 4 Clustering coefficients of monitoring sites

按最大原則確定各監(jiān)測區(qū)域所述的類別，如監(jiān)測區(qū)域1的5個聚類系數(shù)中，級別Ⅱ的聚類系數(shù)最大，因此監(jiān)測區(qū)域1的污染級別為Ⅱ級。同理可求得其它監(jiān)測區(qū)域的污染級別，然后按級別Ⅰ的聚類系數(shù)大小確定各監(jiān)測區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣，系數(shù)越大，表明對應(yīng)監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量最好。聚類結(jié)果見表5。

表5 各監(jiān)測區(qū)域灰色聚類結(jié)果Table 5 Clustering results of monitoring sites

3 結(jié)果與討論

灰色聚類結(jié)果表明，監(jiān)測區(qū)域1、3、5、7均屬于級別Ⅱ，監(jiān)測區(qū)域2、4、6、8、10均屬于級別Ⅲ，監(jiān)測區(qū)域9屬于級別Ⅳ，對應(yīng)的污染程度分別為尚清潔、起始污染和中等污染。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)制定的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，并結(jié)合各監(jiān)測區(qū)域土壤樣品的pH值，屬于級別Ⅱ和級別Ⅲ的各監(jiān)測區(qū)域適用于農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤用途；屬于級別Ⅳ的監(jiān)測區(qū)域9適用于果園用途。

監(jiān)測區(qū)域9位于原化工廠區(qū)域，主要生產(chǎn)水性油墨、水性色漿等化工原料及產(chǎn)品，使用歷史約15年，土壤環(huán)境質(zhì)量差。監(jiān)測區(qū)域5和監(jiān)測區(qū)域1分別位于原醫(yī)院區(qū)域和原村委會區(qū)域，土壤環(huán)境質(zhì)量較好。結(jié)合各監(jiān)測區(qū)域的用地歷史的回顧，各監(jiān)測區(qū)域的污染級別與實際潛在污染狀況較為吻合，因此本案例土壤環(huán)境質(zhì)量采用灰色聚類評價效果較好，得出的結(jié)論也與文獻(xiàn)[3]等人研究得出的化工等行業(yè)工業(yè)區(qū)的監(jiān)測點的聚類系數(shù)比位于清潔區(qū)域的監(jiān)測點的聚類系數(shù)小、土壤環(huán)境質(zhì)量差的結(jié)論相似。

在進(jìn)行減量化地塊環(huán)境調(diào)查中，可以充分利用已知的多個監(jiān)測因子的結(jié)果，以寬域式結(jié)構(gòu)確定白化函數(shù)，并在評價過程中引入修正系數(shù)對白化函數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對不同歷史用地狀況的地塊的土壤環(huán)境進(jìn)行污染級別評價，并就土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行排序，以直觀的反映出各減量化地塊的土壤環(huán)境質(zhì)量，給后續(xù)減量化地塊用作耕地、林地等提供數(shù)據(jù)支持。

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