基于模糊數(shù)學(xué)方法的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

安 卓

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院宣鋼分院，河北 張家口 075100)

重金屬污染屬于土壤無(wú)機(jī)物污染的一種，該污染無(wú)法被微生物分解，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累后，會(huì)產(chǎn)生甲基化合物并進(jìn)入糧食、蔬菜等農(nóng)作物中，嚴(yán)重影響人類健康。在對(duì)土壤重金屬進(jìn)行治理前，首先要做好針對(duì)重金屬污染的評(píng)價(jià)工作，可供選擇的評(píng)價(jià)方法較多，但實(shí)際操作中普遍面臨缺乏評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題[1-3]。在重金屬污染治理工作中，單純的土壤重金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)難以直接用于指導(dǎo)污染治理工作。需要在土壤重金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)土壤污染程度進(jìn)行分級(jí)處理，為有關(guān)單位提供一個(gè)定性的評(píng)級(jí)指標(biāo)，在污染評(píng)級(jí)指標(biāo)的指導(dǎo)下，管理者能夠更加便捷且有針對(duì)性地制定重金屬污染治理方案，避免治污藥物的濫用，防止產(chǎn)生二次污染，提高治污管理工作效率。因此，研究通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)對(duì)土壤重金屬污染程序進(jìn)行定性分析，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣并建立綜合評(píng)價(jià)模型，基于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)土壤重金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)明確土壤樣點(diǎn)綜合隸屬度及其等級(jí)，為礦區(qū)土壤重金屬的治理工作提供定性的指標(biāo)依據(jù)，方便煤礦企業(yè)制定土壤重金屬治理方案，環(huán)保部門(mén)也可以根據(jù)以定性指標(biāo)為主的重金屬污染評(píng)價(jià)級(jí)別來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的監(jiān)督工作，在降低重金屬染污治理成本的同時(shí)提高治理方案的針對(duì)性。

1 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法

1.1 建立評(píng)價(jià)因素的因素集

研究設(shè)U為評(píng)價(jià)因素的因素集，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素為u1、u2、u3，…，則有U={u1，u2，…，un}。在此基礎(chǔ)上，依照重金屬元素污染及礦區(qū)施工工藝的特點(diǎn)建立土壤重金屬元素污染的因素集[4-5]。研究所建立的重金屬元素為因素集包括Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As重金屬元素，并將目標(biāo)評(píng)價(jià)因子設(shè)定為各重金屬污染物的實(shí)測(cè)濃度，建立評(píng)價(jià)目標(biāo)的評(píng)價(jià)集。研究設(shè)V為評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合，各指標(biāo)因素分別為v1、v2、v3，…，則有V={v1，v2，…，vn}。在此基礎(chǔ)上，依照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2009)，通過(guò)Ⅰ級(jí)(清潔)、Ⅱ級(jí)(尚清潔)、Ⅲ級(jí)(輕污染)、Ⅳ級(jí)(中污染)、Ⅴ級(jí)(重污染)5個(gè)等級(jí)對(duì)重金屬元素污染進(jìn)行劃分，建立V={v1，v2，v3，v4，v5}的重金屬元素污染評(píng)價(jià)集，表1為各項(xiàng)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]。

表1 評(píng)價(jià)目標(biāo)的評(píng)價(jià)集V

1.2 確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重集

將A={a1，a2，a3，a4，a5，a6}定義為各重金屬元素的權(quán)重值集。研究基于各重金屬元素的危害程度和毒理特性，通過(guò)毒性系數(shù)來(lái)確定各重金屬元素的權(quán)重值集。計(jì)算權(quán)重的具體方法為[9-10]：

(1)

式中，i為重金屬元素類別；Ti為毒理系數(shù)；Si為各類標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值；Ci為實(shí)測(cè)濃度；Wi為權(quán)重。

Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As重金屬元素的毒理系數(shù)分別為1、5、5、2、30、10。

針對(duì)各單項(xiàng)權(quán)重實(shí)施歸一化處理[11]：

(2)

1.3 確定隸屬度函數(shù)

基于模糊數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)需要事先確定用來(lái)計(jì)算隸屬度的函數(shù)，研究所采用的隸屬度函數(shù)基于半梯形分布模型原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為j，隸屬度計(jì)算函數(shù)具體形式如下。

(1)在j=1的情況下，隸屬度的計(jì)算方法為：

(3)

(2)在j=2，3，4的情況下，隸屬度的計(jì)算方法為：

(4)

(3)在j=5的情況下，隸屬度的計(jì)算方法與j=1時(shí)的計(jì)算方法相同[12]。

式(3)和式(4)將評(píng)價(jià)因素i對(duì)j級(jí)重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度記為rij，將評(píng)價(jià)因素i的第j級(jí)土壤重金屬元素國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)記為Si，j，將參數(shù)i的實(shí)測(cè)濃度值記為Si。

1.4 構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

以各評(píng)價(jià)因子的隸屬度構(gòu)成的矩陣即為模糊關(guān)系矩陣，以Ri(ri1，ri2，…，rim)代表單因子模糊矩陣，在此基礎(chǔ)上建立R=(rij)m×n模糊評(píng)判矩陣。

1.5 建立綜合評(píng)價(jià)模型

由于評(píng)價(jià)集V與因素集U之間存在映射關(guān)系，因此可以建立綜合評(píng)價(jià)模型(U，V，R)，通過(guò)B代表綜合評(píng)判集，則B=A×R即為模糊運(yùn)算表達(dá)式[13]。

2 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 采樣點(diǎn)選取

實(shí)測(cè)地址位于陜西省榆林市神樹(shù)畔井田礦區(qū)，土壤采樣點(diǎn)共計(jì)20個(gè)，所在位置如圖1所示。

圖1 礦區(qū)土壤采樣點(diǎn)位置

2.2 現(xiàn)場(chǎng)土壤樣本采集

利用P3600型手持式土壤重金屬檢測(cè)儀分別對(duì)各采樣點(diǎn)土壤中的Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As五種重金屬元素進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)采樣方式如圖2所示。

圖2 土壤重金屬現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

各土壤樣本中的重金屬元素含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各土壤樣本中的重金屬元素含量檢測(cè)結(jié)果

3 數(shù)據(jù)處理

采用章節(jié)1所提出的計(jì)算流程可以對(duì)20個(gè)樣點(diǎn)的綜合隸屬度及等級(jí)進(jìn)行計(jì)算。為了驗(yàn)證模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的可靠性，研究還通過(guò)業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的綜合指數(shù)法對(duì)同樣一組檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 土壤樣點(diǎn)綜合隸屬度及其等級(jí)

模糊數(shù)學(xué)方法與綜合指數(shù)法土壤重金屬污染等級(jí)評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩組土壤重金屬污染等級(jí)評(píng)價(jià)方法對(duì)比結(jié)果

經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究所提出的模糊數(shù)學(xué)法與業(yè)界普遍采用的綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果相近，具有較為充分的可靠性。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，榆林市神樹(shù)畔井田礦區(qū)20個(gè)土壤采樣點(diǎn)中，土壤Ⅰ類樣點(diǎn)數(shù)量為7個(gè)，Ⅱ類樣點(diǎn)數(shù)量為2個(gè)，Ⅲ類樣點(diǎn)數(shù)量為4個(gè)，Ⅳ類樣點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)，Ⅴ類樣點(diǎn)數(shù)量為4個(gè)。為了進(jìn)一步了解榆林市神樹(shù)畔井田礦區(qū)的土壤重金屬污染情況，研究將20個(gè)土壤采樣點(diǎn)擴(kuò)大至624個(gè)，采用同樣的數(shù)據(jù)處理方法，得到該礦區(qū)土壤Ⅰ類樣點(diǎn)數(shù)量為56個(gè)，Ⅱ類樣點(diǎn)數(shù)量為71個(gè)，Ⅲ類樣點(diǎn)數(shù)量為85個(gè)，Ⅳ類樣點(diǎn)數(shù)量為212個(gè)，Ⅴ類樣點(diǎn)數(shù)量為200個(gè)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，榆林市神樹(shù)畔井田礦區(qū)中、重污染率達(dá)到66%，重金屬污染較為嚴(yán)重，且重金屬污染以銅、鎘、鉛元素為主，說(shuō)明該地區(qū)煤炭資源存在不合理開(kāi)發(fā)的問(wèn)題。煤炭礦物經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)、冶選后，在地下水、地表水、風(fēng)力的作用下，重金屬元素已經(jīng)大量進(jìn)入土壤，需要對(duì)煤礦開(kāi)發(fā)方案以及重金屬污染治理方案進(jìn)行調(diào)整。