基于GIS的城市表層土壤重金屬污染分析

邵禹豪　薛順奎

摘? 要：隨著城市化進程加快，城市用地面積不斷增加，功能區(qū)種類繁多，重金屬污染日漸嚴重。本文首先通過構造泰森多邊形劃分功能區(qū)，再使用反距離權重內插法對8種重金屬元素進行空間內插，獲取重金屬空間分布狀況，隨后通過因子聚類分析各種重金屬之間的相關關系，進而進行污染等級排序和評定。

關鍵詞：土壤重金屬? 空間內插? 因子聚類? 最小二乘法

中圖分類號：X53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0048-04

Abstract： With the acceleration of urbanization， urban land area is increasing， there are many kinds of functional areas， and heavy metal pollution is becoming more and more serious. In this paper， Tyson polygon is constructed to divide the functional area， and then the inverse distance weight interpolation method is used to spatially interpolate 8 kinds of heavy metal elements to obtain the spatial distribution of heavy metals， and the correlation between various heavy metals is analyzed by factor clustering， so as to sort and evaluate the pollution level.

Key Words： Soil heavy mental; Spatial interpolation; Factor clustering; Least square method

隨著經濟發(fā)展，城市化進程加快，城市表層土壤重金屬污染日益成為人們關注的焦點。當前，嚴飛、蘇維詞等人[1]采用累積指數法及鉛污染指數法分析城市街道土壤重金屬鉛污染范圍，胡明等人[2]采用單因子污染指數及綜合污染指數法研究農田土壤重金屬分布特征與污染評價，汪婷等人[3]利用ArcGIS的地統計模塊分析土壤中重金屬元素污染的空間特征，并采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態(tài)危害指數法對研究區(qū)土壤重金屬污染程度進行評價。王美艷等人[4]對天津市中心城區(qū)部分綠地4種土壤利用類型中的5種重金屬含量及土壤pH值進行了測定分析。孟源思等人[5]綜述了國內外常用于農田土壤重金屬評價的傳統指數模型及延伸的評價方法。本文基于GIS技術，對城市表層重金屬污染情況進行評定和分析。通過對檢測點海拔、重金屬含量的檢測值進行反距離內插，得到重金屬污染分布情況，進而通過構建泰森多邊形進行功能區(qū)劃分，得出城市重金屬污染情況并通過因子聚類探究各種重金屬污染之間的相關性。最后，本文通過建立擴散方程，使用最小二乘法進行擬合，求出污染源的分布坐標。

1? 單因子污染空間插值

由地理學第一定律，地表地物具有自相關性，距離越近的空間重金屬含量越相近，因此本文使用與測量點距離平方的倒數作為權重進行擬合。根據站點所處的功能區(qū)類型，通過構建泰森多邊形，劃分功能區(qū)范圍，并對同一功能區(qū)進行合并，得到劃分好的功能區(qū)，詳見圖1。

1.1 空間插值

由于各種重金屬在各個區(qū)域的濃度都不同，所以對不同區(qū)域的影響程度也不同[8]，根據題中所給采樣點的坐標和各重金屬的濃度，對數據使用反距離權重法進行空間內插。與點距離為d的觀察點的擬合權重為ω，對應的擬合值為。

1.2 插值結果分析

通過反距離權重法對8種重金屬進行空間內插，得到8種重金屬元素的插值結果，如圖2所示。

根據圖2（a），Ar元素的5個含量較高的位置均位于海拔高度為40m處山體的東南處，在海拔高于80m以上幾處，Ar元素的含量相對較低。根據圖2（b），Cd元素的含量較高的位置分布較為零散，且多分布于海拔40～60m之間地帶。在海拔高于80m以上幾處，Cd元素的含量相對較低。根據圖2（c），Cr（鉻）元素集中分布于西南側，在其余地區(qū)分布相對較少。根據圖2（d），Cu（銅）元素集中分布于西南側，在其余地區(qū)分布相對較少。根據圖2（e），Hg（汞）元素含量在3個生活區(qū)含量較高，其余地區(qū)含量較少。根據圖2（f），Ni（鎳）元素含量在西南側生活區(qū)較高，其余地區(qū)含量較少。根據圖2（g），Pb（鉛）元素含量在西南側生活區(qū)較高，其余地區(qū)含量較少。根據圖2（h），Zn（鋅）元素含量集中分布在幾個零散的點，其余地區(qū)含量較少。

2? 對重金屬污染程度的評定

根據內插得到的各地區(qū)重金屬含量，通過計算內梅羅指數[9]，對各地污染指數進行評定首先，分別求出各重金屬因子的指數，即超標倍數。再分別對8種重金屬進行單因子評價，以重金屬含量實測值和評價標準相比除去量綱來計算污染指數：

其中，Pi為重金屬元素的污染指數;Ci為重金屬含量實測值;Si為土壤環(huán)境質量標準值，表1給出參考標準。

由式（2）計算得到每種重金屬含量的單因子污染指數，求出重金屬污染物單項污染指數中的最大值Pimax與單因子平均值，利用求得的Pimax、計算綜合污染指數。

用計算綜合污染指數，做出綜合污染指數分布圖。

如圖3所示，在中部山谷區(qū)、西南側生活區(qū)及南側生活區(qū)，綜合污染指數較高，在城市西北山區(qū)與西南地區(qū)，綜合污染指數較低。

由于不同的重金屬污染物質對土壤的產生的影響程度有很大的差異，為了簡化對8種重金屬物質對土壤的影響的研究，采用最短距離法對這8種重金屬物質進行聚類，找出其中對土壤的作用相近的重金屬物質，將8種重金屬物質分為較少的類別，便于評定各地區(qū)污染狀狀況。

2.1 變量間距離的定義

在最短距離法中，定義兩類變量的距離為：

（4）

，這時兩類變量的距離R于樣本中相似性最大的2個變量間的相似性度量值有關[6]。根據最短距離聚類法將這8個重金屬污染因素分為三類按上述距離分為三類。

如圖4所示，聚類結果為As、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn為對土壤的毒性較相近的一類，Cu和Hg各單獨成一類。

2.2 聚類結果疊合分析

將As、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn進行疊合得到綜合污染情況，并將疊合后的圖層與Cu、Hg內插結果圖層進行疊合，權重分別為6、1、1，用自然間斷點分級法對疊合后的圖層進行分級。

通過對重金屬元素聚類后的分級結果知：西南側生活區(qū)綜合污染等級較高，部分零散分布的工業(yè)區(qū)污染也比較嚴重。整體上西部比東部污染狀況更嚴重。

結果中給出了不同地區(qū)的重金屬污染指數的情況。如圖5所示，工業(yè)區(qū)與山區(qū)具有較高的重金屬污染指數，公園綠地區(qū)具有較低的重金屬污染指數，可以判斷工業(yè)區(qū)與山區(qū)具有特殊的某些性質導致重金屬污染指數較高，推測工業(yè)區(qū)與山區(qū)這樣具有較大重金屬污染指數的區(qū)域里含有某些污染源的存在。

3? 結語

通過對8種重金屬的進行插值，得到其空間分布并分析其影響，發(fā)現各種金屬元素均對城市污染有一定影響，城市理應根據不同重金屬的物理化學性質進行一定的治理。通過聚類分析發(fā)現了部分金屬污染之間存在一定的相關性，這對于重金屬污染的治理和溯源有指導意義。

參考文獻

[1] 嚴飛，蘇維詞.城市街道土壤重金屬鉛污染分布特征及評價——以貴陽市為例[J].環(huán)境科學與管理，2012，37（6）：79-83，88.

[2] 胡明.大荔縣農田土壤重金屬分布特征與污染評價[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（1）：79-84.

[3] 汪婷，王哲，易發(fā)成，等.攀西某芒果產區(qū)土壤重金屬污染評價[J].科學技術與工程，2020，20（16）：6688-6696.

[4] 王美艷，柳洋，朱惟琛，等.天津市中心城區(qū)綠地土壤重金屬污染分布現狀分析[J].環(huán)境科學與技術， 2020，43（4）：184-191.

[5] 孟源思，高琳琳，李子杰，等.農田土壤重金屬污染風險評價模型與方法研究[J].地球與環(huán)境，2020，48（4）： 489-495

[6] 郭紹英，林皓，謝妤，等.基于改進灰色聚類法的礦區(qū)土壤重金屬污染評價[J].環(huán)境工程，2017，35（10）： 146-150.

[7] 劉秋榮.某礦區(qū)土壤重金屬的空間分布研究及健康風險評價[D].湘潭：湘潭大學，2020.

[8] 吳倩鑫，楊聯安，于世鋒，等.蔬菜地土壤重金屬含量空間插值精度分析[J].中國農學通報，2016，32（23）： 81-86.

[9] 郭笑笑，劉叢強，朱兆洲，等.土壤重金屬污染評價方法[J].生態(tài)學雜志，2011，30（5）：889-896.