基于城市地理信息系統(tǒng)的土壤污染不確定性分析及地質(zhì)修復(fù)

張振海

(黑龍江省第六地質(zhì)勘查院，黑龍江 佳木斯 154000)

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市工業(yè)文明迅速崛起，城鎮(zhèn)工業(yè)化水平不斷提高。在工業(yè)快速發(fā)展的同時，由現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的固體廢物及化肥農(nóng)藥已經(jīng)對土壤產(chǎn)生嚴重污染，土壤污染所帶來的生態(tài)環(huán)境問題制約著人類的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。因此,眾多學(xué)者將研究的目光投向了土壤污染及相關(guān)領(lǐng)域。謝云峰等[4]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價方法，采用蟻群算法對土壤污染程度進行了評價分析，根據(jù)土壤中重金屬含量的不同對土壤進行了等級劃分；張寧等[5]利用數(shù)理統(tǒng)計方法根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的方差、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計特征建立了污染評價模型；李鳳果等[6-8]以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，建立了重金屬毒性和重金屬種類的綜合權(quán)重土壤污染評價體系；蒲生彥等[9]利用地理統(tǒng)計方法建立了區(qū)域內(nèi)土壤中重金屬Cu含量分布圖；高陽等[10]利用克里克空間差值方法，分析了德國小鎮(zhèn)土壤中重金屬Pb的分布空間特性。

從以上國內(nèi)外學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，對于土壤污染的不確定性分析中，針對土壤污染的時空變異性研究有待加強，污染區(qū)域劃分有待進一步明確。本文以南方某市為研究對象，結(jié)合城市地理信息系統(tǒng)(GIS)，采用現(xiàn)場取樣實驗的方法，對區(qū)域內(nèi)土壤污染進行了不確定性分析，針對污染狀況提出了治理措施。

1 項目概況

以某市為研究對象，區(qū)域GIS如圖1所示。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季多雨，冬季干燥，年平均降雨量1 521 mm，年平均氣溫16.8 ℃。該市的工業(yè)體系較為完整，工業(yè)發(fā)展水平較高，尤其是化工產(chǎn)業(yè)及服裝加工業(yè)已經(jīng)發(fā)展為當(dāng)?shù)氐?大支柱性產(chǎn)業(yè)，且這2大產(chǎn)業(yè)污染物排放均高于其他工業(yè)行業(yè)。由此可以推斷該市的土壤污染形式已經(jīng)比較嚴峻，有必要對其污染狀況進行一次摸排調(diào)查。

圖1 區(qū)域GISFig.1 Regional GIS

2 土壤污染不確定性分析

2.1 土壤樣品采集與測試

區(qū)域內(nèi)采樣密度是關(guān)系到其評價精確度的重要因素。由于目標(biāo)區(qū)域較大，本文采用GIS系統(tǒng)按照2 km×2 km的方形網(wǎng)格布點，在網(wǎng)格線交點處按照田字形取樣法對交點附近取5組土樣混合作為交點處樣品，對不同點處樣品編號以待實驗進一步分析。

土壤污染是一個由多種重金屬離子共同作用的結(jié)果，必須從重金屬離子種類入手，通過重金屬離子分類和含量測定，采用指標(biāo)控制法對土壤污染狀況做出評價[11-12]。土壤中Cd與Pb的含量采用等離子體質(zhì)譜法，Cr、Zn、Cu、Ni含量采用等離子體光學(xué)發(fā)射光譜法測定，As元素的測定采用氫化物—原子熒光法，Hg元素的測定采用冷蒸氣—原子熒光法。

2.2 不確定性分析

通過以上的取樣和測試方法，對土壤中重金屬離子含量進行了測定，測定結(jié)果見表1。

表1 重金屬含量統(tǒng)計性分析Tab.1 Statistical analysis of heavy metal content

由表1可知，區(qū)域內(nèi)8種重金屬元素含量平均值低于國家標(biāo)準(zhǔn)值，表明區(qū)域內(nèi)土壤整體狀況較好，但8種重金屬含量高于此區(qū)域內(nèi)歷史背景值，說明區(qū)域內(nèi)重金屬污染物已經(jīng)出現(xiàn)了富集現(xiàn)象，區(qū)域內(nèi)土壤污染已經(jīng)初見端倪。地質(zhì)累計指數(shù)Igeo是表征土壤中重金屬離子歷史變化和人為活動造成的土壤中離子變化情況，其計算公式為：

Igeo=log2[Cn/1.5Bn]

(1)

式中，Cn為測試樣品中元素n的濃度；Bn為樣品背景濃度。

根據(jù)式(1)得到了區(qū)域內(nèi)累計指數(shù)評價結(jié)果見表2。

表2 地質(zhì)累計指數(shù)評價結(jié)果Tab.2 Evaluation results of geological cumulative index

按照統(tǒng)計學(xué)方法，給出了地質(zhì)累計指數(shù)在均值、中位數(shù)等5個不同統(tǒng)計數(shù)據(jù)下的值。從表2可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)地質(zhì)累積指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)[13]，從均值考慮，區(qū)域內(nèi)Cd與 Hg元素在無污染到中度污染狀態(tài)，其他元素均為無污染狀態(tài)；從極值分析，這8種重金屬離子最嚴重的處于中度污染狀態(tài)；以中位數(shù)分析，Cd與 Hg元素在無污染到中度污染狀態(tài)，其他元素均為無污染狀態(tài)。以上分析表明，該地區(qū)的重金屬已經(jīng)出現(xiàn)了一定的富集現(xiàn)象，但從8種金屬離子總體考慮，該地區(qū)重金屬離子富集程度較弱，處于治理較為輕松階段。

從表1和表2的檢驗結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬污染范圍和程度都具有很大的波動性，本文借助GIS系統(tǒng)對土壤重金屬污染的不確定性進行了分析。由于本文的采樣方法為2 km×2 km的網(wǎng)格采樣法。因此，將某一點的采樣值代表4 km2范圍內(nèi)土壤污染狀況，且此處采樣點污染程度衡量標(biāo)準(zhǔn)采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值。利用GIS得到了區(qū)域內(nèi)重金屬污染范圍，如圖2所示。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，污染區(qū)域主要分布于區(qū)域位置的中部，且有一定的集中現(xiàn)象，除此之外，區(qū)域內(nèi)南北部均有零星土壤污染情況。從實際情況出發(fā)，中部為城鎮(zhèn)居住區(qū)。因此，會出現(xiàn)較為密集的污染區(qū)域，南北部零星區(qū)域為工業(yè)園區(qū)，石化及紡織工業(yè)的污染物排放對土壤環(huán)境造成了一定的污染。

圖2 土壤重金屬污染范圍Fig.2 Pollution range of heavy metals in soil

3 土壤污染治理措施

目前常用的土壤重金屬污染修復(fù)方法有3種，分別為異位化學(xué)還原、土壤異位淋洗、原位化學(xué)還原。異位化學(xué)還原是針對1 m深度范圍內(nèi)表層土壤，采用化學(xué)置換的方法將重金屬從污染的土壤中還原出來；土壤異位淋洗是將1～5 m內(nèi)淺層土壤中重金屬采用含有化學(xué)溶劑的液體將土壤中重金屬采用置換的方法還原析出；深層原位注入是針對5～18 m內(nèi)污染土壤，采用高壓噴射的方法對土壤進行化學(xué)處理，以降低其重金屬濃度。

土壤治理的目的是改善環(huán)境，在土壤修復(fù)過程中要避免對環(huán)境造成二次污染。本文采用影響因子價值評價方法，用標(biāo)準(zhǔn)化綜合環(huán)境影響單一計分指數(shù)表示污染修復(fù)過程中對環(huán)境的影響，如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化綜合環(huán)境影響單一計分指數(shù)Fig.3 Standardized integrated environmental impact single score index

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)土壤污染治理實際情況，將人體健康、生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化和資源消耗為指標(biāo)，得到了3種修復(fù)方式下環(huán)境影響百分比如圖4所示。

圖4 環(huán)境影響百分比Fig.4 Environmental impact percentage

由圖4可知，3種土壤污染治理方法均對人體健康損害最大，對生態(tài)系統(tǒng)破壞最低。因此，在今后的環(huán)境治理中要加強材料及施工過程中的環(huán)?？刂?。

4 結(jié)論

城市土壤污染是城市發(fā)展過程中不可避免的問題，本文以我國某市為例，采用地理信息系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)對研究區(qū)域進行邊界劃分后又對區(qū)域內(nèi)土壤樣品采用點進行了布設(shè)，使用網(wǎng)格采樣法對目標(biāo)區(qū)域土壤進行了抽樣提取，通過分析土壤中8種重金屬含量及地質(zhì)累計指數(shù)的統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)值法對區(qū)域污染狀況進行了不確定分析。針對區(qū)域內(nèi)3種污染治理方法，采用影響因子價值評價方法分析了各種方法的環(huán)境影響百分比，得出3種土壤污染治理方法均對人體健康損害最大，對生態(tài)系統(tǒng)破壞最低，在今后的環(huán)境治理中要加強材料及施工過程中的環(huán)?？刂?。