基于GIS的土壤氡濃度空間分布規(guī)律探析

闕澤勝，吳星根，李冠超，胡 穎，簡銳敏，劉 兵，張永智，楊 波，孫功明，毛彥明

1. 廣東省核工業(yè)地質(zhì)局輻射環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510800；

2. 廣東核力工程勘察院，廣東 廣州 510800

0 引 言

人類所受輻射主要來自天然輻射的照射，而天然輻射中氡的貢獻(xiàn)最大[1]。1998 年，聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會（UNSCEAR）報(bào)告，正常本底地區(qū)的人群每年由于吸入氡及其短壽命子體而產(chǎn)生的輻射劑量約占該地區(qū)全部天然輻射源年有效劑量當(dāng)量的50%[2]。氡及其子體已被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）劃歸為I 類致癌因子。根據(jù)國外專家研究，在美國[3]每年由于吸入氡及其子體所致新發(fā)生肺癌病人約2000 例，此外每年有600 ～3600 名肺癌去世的病人與室內(nèi)的氡有關(guān)。研究土壤氡空間分布規(guī)律，對指導(dǎo)城市開發(fā)建設(shè)有重要意義，依據(jù)土壤氡測量結(jié)果，可對斷裂帶和花崗巖高度風(fēng)化、裂隙過分發(fā)育等不適宜地區(qū)做出指導(dǎo)[4]。

北江是珠江流域的主要支流之一，也是廣東省重要的煤炭、鋼鐵、火力發(fā)電、有色冶金和鈾礦采冶的基地。隨著區(qū)域工業(yè)發(fā)展，尤其是鈾礦業(yè)的開發(fā)，給北江造成了一定的污染。在過去30 年時(shí)間內(nèi)，未對水系進(jìn)行過放射性地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，隨著時(shí)間的推移及部分工業(yè)的改變，部分伴生礦、鈾礦的退役，放射性污染狀況發(fā)生很大的變化，有必要對其進(jìn)行放射性地質(zhì)環(huán)境調(diào)查。本文以土壤氡濃度為研究對象進(jìn)行探討，應(yīng)用GIS 技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了流域型土壤氡濃度空間分布特征，對研究區(qū)城市開發(fā)建設(shè)和資源環(huán)境優(yōu)化有重要意義。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)廣東省北江下游屬于珠江流域，全長83 km，河道平均坡降0.0815‰，流域面積約2912.0 km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。研究區(qū)主要地貌類型有山地、丘陵和平原。山地位于研究區(qū)北部邊緣、北東部和南西部邊緣，標(biāo)高500 ～900 m，由侏羅系、泥盆系，寒武系砂、頁巖及花崗巖組成，地形切割較深，山脊較窄，坡度20°～40°；丘陵位于研究區(qū)的中西部和南部，標(biāo)高200 ～500 m，由花崗巖及變質(zhì)砂巖和頁巖等組成，殘坡積物發(fā)育，地形切割不深，山峰多為孤立點(diǎn)狀；平原位于研究區(qū)沿流域兩側(cè)的大部分地區(qū)，標(biāo)高10 ～120 m，高出河水面5 ～10 m 不等，寬從數(shù)百米至5 km 不等，西部山前較寬，地面微起伏，向東南傾斜坡度約1°～3°。研究區(qū)位于粵中斷陷帶西北邊緣，次一級地質(zhì)構(gòu)造對北江下游干流走向的控制也具有較大影響，北北東—南南西走向的構(gòu)造線控制了北江下游干流的流向。研究區(qū)內(nèi)地層除奧陶系和志留系缺失外，由寒武系至第四系地層均有出露，其中上古生界地層主要分布于西北和中南部，中生界地層主要分布于東部，新生界地層在北江下游干流兩側(cè)均有分布。

本文研究數(shù)據(jù)來源于廣東省《2017 年度省級地勘事業(yè)發(fā)展經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目》的北江下游放射性地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評價(jià)課題，選擇土壤氡濃度為研究對象。首先，按2.5 km×2.5 km 的調(diào)查網(wǎng)度布點(diǎn)，點(diǎn)號編碼格式為JC+東西向主測線號+連接符+南北向次測線號（圖1），即按近垂直于研究區(qū)主構(gòu)造線、地層總體走向以及河流主干走向北東至北北東向布設(shè)2.5 km 間距主測線和2.5 km 間距測點(diǎn)，對人口密集區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造、水系分布區(qū)等情況適當(dāng)加密，共布設(shè)540 點(diǎn)。其次，使用上海申核電子儀器有限公司生產(chǎn)的FD-3017 型瞬時(shí)RaA 氡氣測量儀器，按《氡及其子體測量規(guī)范》（EJ/T605-91）進(jìn)行測量，儀器測量前均通過了準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和一致性的三性檢查，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。最后，進(jìn)行單位換算、儀器刻度校正、均值計(jì)算等測量數(shù)據(jù)處理，用儀器校正系數(shù)與儀器讀數(shù)均值的乘積代表測點(diǎn)的土壤氡濃度值，作為后續(xù)分析研究數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)土壤氡濃度調(diào)查網(wǎng)格和剖面布設(shè)示意圖Fig.1 Grid and profile layout of soil radon concentration survey in study area

2 研究方法

2.1 空間自相關(guān)分析

同一變量在不同空間位置上的相關(guān)性可定義為空間自相關(guān)，用于度量空間變量屬性值在空間上聚集程度[5-6]?？臻g自相關(guān)分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)兩種[7-8]。

1）全局自相關(guān)分析。Moran's I 統(tǒng)計(jì)量是空間自相關(guān)廣泛采用的統(tǒng)計(jì)量。本文應(yīng)用ArcGIS 的空間自相關(guān)（Moran I）檢驗(yàn)工具，空間關(guān)系概念化設(shè)為INVERSE_DISTANCE，距離法設(shè)為EUCLIDEAN_DISTANCE，不進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行研究區(qū)土壤氡濃度全局自相關(guān)分析。

2）局部空間自相關(guān)分析。局部空間自相關(guān)分析方法通常采用莫蘭（Moran）散點(diǎn)圖和LISA 聚類圖。本文應(yīng)用GeoDa 軟件，通過空間分析菜單下單變量局部Moran's I工具，計(jì)算得到研究區(qū)土壤氡濃度莫蘭散點(diǎn)圖。對莫蘭散點(diǎn)圖進(jìn)一步解析，將其劃分為4 個(gè)象限，分別對應(yīng)4 種不同的空間格局[9]，位于第Ⅰ象限的點(diǎn)定義為高值（HH）區(qū)，位于第Ⅱ象限的點(diǎn)定義為空心（LH）區(qū)，位于第Ⅲ象限的點(diǎn)定義為低值（LL）區(qū)，位于第Ⅳ象限的點(diǎn)定義為異常值（HL）區(qū)。由于莫蘭散點(diǎn)圖無法區(qū)分局部相關(guān)類型和地統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性程度，利用LISA 指數(shù)[10]可以將全局莫蘭指數(shù)分級到各樣本，因此本文進(jìn)一步應(yīng)用GeoDa 軟件進(jìn)行LISA 聚類圖的繪制分析。

2.2 熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)分析工具可對數(shù)據(jù)集中的每一個(gè)要素計(jì)算Getis-Ord Gi*統(tǒng)計(jì)（G-i-星號），返回的Gi*統(tǒng)計(jì)就是z 得分。通過得到的z 得分和p 值，可以知道高值或低值要素在空間上發(fā)生聚類的位置。本文應(yīng)用ArcGIS的熱點(diǎn)分析工具，空間關(guān)系概念化設(shè)為INVERSE_DISTANCE，距離法設(shè)為EUCLIDEAN_DISTANCE，不進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行研究區(qū)土壤氡濃度進(jìn)行熱點(diǎn)分析。

2.3 聚類和異常值分析

ArcGIS 的聚類和異常值分析工具可識別具有高值或低值的空間聚類要素，還可識別空間異常值。聚類和異常值分析結(jié)果可區(qū)分統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性（0.05 水平）高值（HH）聚類、低值（LL）聚類，高值主要由低值圍繞的異常值（HL），低值主要由高值圍繞的異常值（LH）。

2.4 趨勢分析

ArcGIS 的趨勢分析工具，可將數(shù)據(jù)點(diǎn)的值（高度）投影至三維空間，生成趨勢分析圖，圖中的每一根豎棒代表了一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值和位置。這些點(diǎn)被投影到一個(gè)東西向和一個(gè)南北向的正交平面上。通過投影點(diǎn)可以做出一條最佳模擬線，并用它來模擬特定方向上存在的趨勢。如果模擬線是平直的，則表明沒有趨勢存在。

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)土壤氡濃度總體空間分布特征

本文應(yīng)用SPSS 軟件的累積頻率圖和QQ 圖工具，對樣本進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，得到原始樣本的偏度系數(shù)為5.754，峰度系數(shù)為44.267，兩個(gè)系數(shù)都大于1，可判斷為原始樣本為非近似正態(tài)分布。取10 為底對數(shù)，對土壤氡濃度調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)一步檢驗(yàn)正態(tài)分布特征，得到偏度系數(shù)為0.361，峰度系數(shù)為0.719，兩個(gè)系數(shù)均小于1，對數(shù)轉(zhuǎn)換后的樣本服從近似正態(tài)分布特征，可進(jìn)行克里格插值方法[11-12]繪制等值線（圖2）。

由圖2 可知，研究區(qū)土壤氡濃度值總體位于20000 Bq/m3以下水平，土壤氡濃度高值點(diǎn)27 處（土壤氡濃度值大于20000 Bq/m3），最大值為95324.6 Bq/m3。研究區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)高值片區(qū)，第一片區(qū)分布在研究區(qū)東北部的泥盆紀(jì)碎屑巖區(qū)，平均值為13378.56 Bq/m3，測值范圍為78.84 ～140982.33 Bq/m3，該區(qū)構(gòu)造發(fā)育，由于構(gòu)造不僅是氡的儲藏空間，也是氡的運(yùn)移通道[13]，所以地下氡氣通過裂隙構(gòu)造經(jīng)地下水的向上涌出向地表流動；第二片區(qū)分布在研究區(qū)西南部花崗巖區(qū)，平均值為9430.34 Bq/m3，測值范圍為1159.67 ～18597.60 Bq/m3，反映出成土母巖不同期次巖漿巖放射性水平較高。此外，研究區(qū)南部為沖積平原區(qū)，土壤氡濃度相對較高，平均值為9379.69 Bq/m3，測值范圍為265.07 ～63649.13 Bq/m3，水流速度降低，沉積物質(zhì)細(xì)且含泥質(zhì)土（具備粉土夾泥漿），具有強(qiáng)吸附作用，主要表現(xiàn)泥質(zhì)巖對氡進(jìn)行吸附聚集，開始形成一個(gè)新的氡富集區(qū)域。

圖2 研究區(qū)土壤氡濃度等值線分布圖Fig.2 Isoline distribution of soil radon concentration in study area

3.2 研究區(qū)不同地形因子的土壤氡濃度分布特征

1）地貌因子。研究區(qū)土壤氡濃度調(diào)查點(diǎn)主要分布于平原和丘陵，其次是山地，最后是沖積扇。其中平原有257 個(gè)點(diǎn)位，土壤氡濃度范圍為99.4 ～72893.3 Bq/m3；丘陵有190 個(gè)點(diǎn)位，土壤氡濃度范圍為265.1 ～80712.8 Bq/m3；山地有89 個(gè)點(diǎn)位，土壤氡濃度范圍為795.2 ～140982.3 Bq/m3；沖積扇有3 個(gè)點(diǎn)位，土壤氡濃度范圍為3444.0 ～15075.7 Bq/m3。沖積扇及山地地貌的土壤氡濃度均值較高，分別為11082.3±6617.2 Bq/m3及11043.4±21422.0 Bq/m3，平原次之，丘陵最低。由于山地地貌區(qū)剝蝕強(qiáng)烈，基巖裸露或坡殘積層薄，直接反映基巖氡濃度高，而沖積扇沉積物厚，主要為淤泥質(zhì)土，含泥炭，對氡是有強(qiáng)烈吸附作用，從而土壤氡濃度高。

2）土壤因子。研究區(qū)土壤氡濃度調(diào)查點(diǎn)主要分布于黃棕壤和黃壤，其次是紅壤，最少的是水稻土。土壤氡濃度均值最高的土壤類型為黃壤，為10299.4±21168.3 Bq/m3，土壤氡濃度均值最低的土壤類型為紅壤，為3309.4±5069.4 Bq/m3。與現(xiàn)場γ輻射劑量變化一致，也反映出放射性母巖水平，決定土壤氡濃度。

3.3 研究區(qū)不同地質(zhì)剖面土壤氡濃度分布特征

在剖面布設(shè)過程中，充分考慮所布設(shè)剖面分布的均勻性和所包含地貌單元垂直調(diào)查區(qū)的構(gòu)造線方向，10 號主測線和24 號主測線分別布置A-A'剖面線和B-B'剖面線，同時(shí)平行于主干流，兩側(cè)各布一條剖面線，即C-C'剖面和D-D'剖面，對4 條剖面線進(jìn)行土壤氡濃度測量（圖3）。

圖3 研究區(qū)不同地質(zhì)剖面土壤氡濃度分布Fig.3 Soil radon concentrations in different geological profiles in study area

1）A-A'剖面土壤氡濃度變化特征。由圖1 和圖3a可知，A-A'剖面線地形地貌趨勢是起點(diǎn)海拔550 m 往南東約8 km 平緩地經(jīng)沖積平原，穿越北江，在約23 km緩坡上升約15 km，海拔升至約200 m 為終點(diǎn)。在23 km 的平原區(qū)段，偶見有微丘、殘丘陵地貌，起點(diǎn)附近為低山地貌區(qū)，剖面走向118°。A-A'剖面線全長約47.5 km，其中山地以種植和森林養(yǎng)護(hù)、旅游景點(diǎn)為主，平地則以農(nóng)耕和種、養(yǎng)殖為主。由圖2 可知，土壤氡濃度在距A 點(diǎn)水平距約32 km 的JC10-16 和36 km 的JC10-17之間出現(xiàn)異常波動值。JC10-17 距離近東西向構(gòu)造較近，見人工剝土，風(fēng)化土層厚，可能有次級小構(gòu)造經(jīng)過點(diǎn)位。在距A 點(diǎn)水平距約45 km 的JC10-21 位置剖面終點(diǎn)出現(xiàn)異常值，該點(diǎn)位于某山脈的最高端，附近風(fēng)化層較厚，微型山溝可見構(gòu)造出露，局部基巖出露較完整，礦化、蝕變較強(qiáng)烈。

2）B-B'剖面土壤氡濃度變化特征。由圖1 和圖3b可知，B-B'剖面線起于丘陵山地，往南東經(jīng)某山，穿越北江至某鎮(zhèn)北西，剖面走向118°，全長約58 km。由圖2 可知，在距B 點(diǎn)40 km 的JC24-17 位置有突變?yōu)楦咧惮F(xiàn)象（異常值），附近有魚塘及養(yǎng)殖場，巖性為第四系沖積粘土及砂、礫，土層較為潮濕，孔隙大，滲透性好，推測與其他地質(zhì)現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)。

3）C-C'剖面土壤氡濃度變化特征。由圖1 和圖3c可知，C-C'剖面北起山區(qū)，南跨北江，整條剖面線均設(shè)在北江西側(cè)，剖面走向208°，全長67.5 km。最高海拔在北部起點(diǎn)位置，海拔高約430 m，經(jīng)河流沖積平原區(qū)，在南部經(jīng)過某山海拔約200 m，然后經(jīng)河流沖積平原跨北江南至終點(diǎn)。由圖2 可知，土壤氡濃度基本屬于正常值范圍，波動小，僅在距離C 點(diǎn)約22.5 km的JC11-10 產(chǎn)生較大波動出現(xiàn)異常值，可能受隱伏地質(zhì)現(xiàn)象和周邊其他較為特殊的外部環(huán)境干擾所致。

4）D-D'剖面土壤氡濃度變化特征。由圖1 和圖3d可知，D-D'剖面位于北江東側(cè)，北起某鎮(zhèn)北西約25 km的調(diào)查區(qū)邊界上，剖面走向208°，全長約87.5 km。沿剖面線交通發(fā)達(dá)，地勢平坦開闊，以河流沖積平原為主，部分地段經(jīng)過低矮的殘丘、微丘地貌區(qū)，地形起伏變化小。沿途人口較密集，見較大密集國土開發(fā)利用工程活動，南部穿越了某區(qū)繁華地段。由圖3 可以看出，土壤氡濃度偏高值及異常值不連續(xù)，為單點(diǎn)式高值，無明顯規(guī)律，推測可能受地質(zhì)現(xiàn)象或氣候、地表水、淺層孔隙水及第四系沖積土體沉積物質(zhì)等外部特殊條件的影響或干擾所致。

4 土壤氡濃度空間分布規(guī)律探討

4.1 研究區(qū)土壤氡濃度空間自相關(guān)分析

全局自相關(guān)分析測算得到研究區(qū)Moran I 指數(shù)為-0.250843，說明研究區(qū)的土壤氡濃度調(diào)查結(jié)果呈負(fù)的空間自相關(guān)，相似的觀測值趨于分散分布。

根據(jù)圖4 的莫蘭散點(diǎn)圖，第Ⅰ象限的高值（HH）區(qū)點(diǎn)共155 個(gè)，主要分布在花崗巖分布區(qū)及地質(zhì)構(gòu)造附近；第Ⅱ象限的空心（LH）區(qū)點(diǎn)共127 個(gè)，主要分布在水系附近；第Ⅲ象限的低值（LL）區(qū)點(diǎn)共145 個(gè)，主要分布在地勢低洼、水系密布區(qū)域；第Ⅳ象限異常值（HL）區(qū)的點(diǎn)共113 個(gè)，主要隨機(jī)分布在除花崗巖以外的區(qū)域。

圖4 研究區(qū)土壤氡濃度局部空間自相關(guān)分析圖Fig.4 A local spatial auto-correlation analysis of soil radon concentration in study area

由圖5 的LISA 聚類圖可知，高-高集聚點(diǎn)分布在研究區(qū)東北和西南的花崗巖分布區(qū)，低-低集聚點(diǎn)分布在研究區(qū)南部和西南部花崗巖破碎帶的某支流附近，低-高集聚點(diǎn)和高-低集聚點(diǎn)在研究區(qū)隨機(jī)分布?；◢弾r中土壤氡濃度較高的特征，在1998 年陳明光等人的研究中得到進(jìn)一步驗(yàn)證[14]。

圖5 研究區(qū)土壤氡濃度LISA 聚類地圖Fig.5 A clustered map of soil radon concentrations in study area

4.2 研究區(qū)土壤氡濃度熱點(diǎn)、聚類和異常值分析

熱點(diǎn)分析結(jié)果表明，研究區(qū)土壤氡濃度調(diào)查點(diǎn)形成13 個(gè)熱點(diǎn)區(qū)，主要位于研究區(qū)的東北部、西南部、南部和河流沿程區(qū)。

從表1 可以看出，研究區(qū)土壤氡濃度調(diào)查點(diǎn)形成5個(gè)高值聚類點(diǎn)，屬于HH 型，5 個(gè)異常點(diǎn)，包括兩個(gè)低-高值（LH）型異常點(diǎn)和3 個(gè)高-低值（HL）型異常點(diǎn)。

表1 聚類和異常值分析結(jié)果Tab.1 Clustering and outliers analysis results

4.3 研究區(qū)土壤氡濃度趨勢分析

經(jīng)剔除離群值后研究區(qū)的土壤氡濃度值，應(yīng)用ArcGIS 的趨勢分析圖工具，可得到研究區(qū)土壤氡濃度空間變化趨勢（圖6）。研究結(jié)果表明，研究區(qū)土壤氡濃度投影至南北方向上的趨勢線表現(xiàn)為倒“U”型，而東西方向的趨勢線呈遞增的直線型。

圖6 研究區(qū)土壤氡濃度趨勢分析圖Fig.6 Trend analysis of soil radon concentration in study area

5 結(jié) 論

本文以廣東省北江下游為研究區(qū)，以土壤氡為研究對象，按2.5 km×2.5 km 的調(diào)查網(wǎng)度布點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場采樣監(jiān)測。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的土壤氡濃度數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法和GIS 空間分析技術(shù)，進(jìn)行研究區(qū)土壤氡濃度空間分布規(guī)律探討，得出主要結(jié)論如下。

1）研究流域型土壤氡濃度的調(diào)查網(wǎng)格布設(shè)時(shí)，宜綜合考慮研究區(qū)的主要構(gòu)造線走向、地層總體走向和河流主干走向，同時(shí)對人口密集區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶、水系分布區(qū)等情況適當(dāng)加密布設(shè)。

2）通常土壤氡在空間上總體呈隨機(jī)分布，但在區(qū)域構(gòu)造作用附近和花崗巖分布地區(qū)，土壤氡濃度相對較高，形成不同熱點(diǎn)區(qū)、高值聚類點(diǎn)和異常點(diǎn)。

3）地表物質(zhì)受到水體搬運(yùn)作用，在研究區(qū)南部進(jìn)行堆積，沉積物如含泥炭淤泥質(zhì)土，對土壤氡有強(qiáng)烈吸附作用，研究區(qū)南部土壤氡濃度也相對較高。

4）不同地形因子（地貌和土壤）內(nèi)測點(diǎn)數(shù)量受調(diào)查網(wǎng)度影響，而土壤氡濃度現(xiàn)狀水平與測點(diǎn)所在地質(zhì)單元影響較密切。

受到研究經(jīng)費(fèi)和項(xiàng)目時(shí)間限制，調(diào)查網(wǎng)度有待提高。下一步，希望結(jié)合地下空間開發(fā)利用，應(yīng)用工程鉆探和化探技術(shù)，開展地質(zhì)體內(nèi)部土壤氡濃度變化規(guī)律研究。