基于三角模糊數(shù)的中國(guó)省會(huì)城市土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陳景輝,郭 毅,屈撐囤,楊 博

(1.西安石油大學(xué) 期刊中心,陜西 西安 710065; 2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣田環(huán)境污染控制技術(shù)與儲(chǔ)層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065; 3.International Laboratory of Air Quality and Health(ILAQH),Queensland University of Technology,Brisbane City,Queensland,4000,Australia; 4.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710065; 5.石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

引 言

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平不斷提高,我國(guó)城市土壤出現(xiàn)了不同程度的重金屬污染,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者采用不同的評(píng)價(jià)方法,開(kāi)展了大量的城市土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的研究工作,評(píng)價(jià)方法主要包括:單因子污染指數(shù)法[1]、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[2]、地累積污染指數(shù)法[3]、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[4]、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[5]等。

傳統(tǒng)的地累積污染指數(shù)法是由整個(gè)研究區(qū)域重金屬含量平均值計(jì)算得出的評(píng)價(jià)結(jié)果,當(dāng)研究區(qū)域采樣點(diǎn)重金屬含量出現(xiàn)較大差異時(shí),研究結(jié)果就具有一定的偶然性。近年來(lái)一些專(zhuān)家學(xué)者將三角模糊數(shù)引入環(huán)境污染評(píng)價(jià)中,開(kāi)展了一系列研究工作,李飛等[6]將三角模糊理論與城市土壤重金屬形態(tài)相結(jié)合建立評(píng)價(jià)模型,認(rèn)為該模型較好地彌補(bǔ)了確定性評(píng)價(jià)的不足。樊夢(mèng)佳[7]研究認(rèn)為,基于三角模糊數(shù)的河流沉積物重金屬評(píng)價(jià)在一定程度上解決了評(píng)價(jià)過(guò)程中的不確定性問(wèn)題。王建國(guó)等[8]通過(guò)三角模糊數(shù)處理技術(shù)描述土壤重金屬污染狀況的模糊性和漸變性,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。但是鮮有將三角模糊數(shù)引入全國(guó)省會(huì)城市土壤重金屬污染狀況的報(bào)道。

本文在傳統(tǒng)地累積污染指數(shù)法的基礎(chǔ)上,分別對(duì)研究區(qū)域6種重金屬含量及其地球化學(xué)背景值進(jìn)行了三角模糊化處理,重新確定了重金屬的生物毒性權(quán)重系數(shù),運(yùn)用α-截集技術(shù)和隸屬度計(jì)算方法,建立了土壤重金屬污染評(píng)價(jià)模型,并采用該模型對(duì)中國(guó)省會(huì)城市土壤重金屬污染情況進(jìn)行了評(píng)價(jià),以期為土壤重金屬的污染評(píng)價(jià)提供新的視角和參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2 地累積污染指數(shù)法

地累積污染指數(shù)Igeo,其計(jì)算公式為:

Igeo=log2[Cn/(K·Bn)]。

(1)

式中:Cn、Bn分別為重金屬n的實(shí)測(cè)含量和所測(cè)元素在全球頁(yè)巖中的平均含量(一般為環(huán)境背景值);K為考慮到背景值波動(dòng)而設(shè)定的常數(shù),常取1.5。地累積污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9]見(jiàn)表1。

表1 地累積污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grading of geo-accumulative pollution index

1.3 三角模糊理論

1.3.1 模糊理論

1965年,美國(guó)加州大學(xué)Zadeh教授首次提出表達(dá)事物模糊性的重要概念[10],該方法被成功應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域[11-12]。通過(guò)計(jì)算隸屬度,能有效解決模糊邊界(污染分級(jí))的問(wèn)題,并且能控制評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差[13-14]。三角模糊數(shù)的定義:設(shè)a、b、c分別為某一模糊變量A的下限、可能性最大的值和上限,則A=(a,b,c)構(gòu)成三角模糊數(shù),其中a≤b≤c(a、b、c∈R),若a=b=c則A∈R。隸屬函數(shù)定義為:

(2)

1.3.2α-截集技術(shù)

在實(shí)際計(jì)算中,通常利用α-截集來(lái)簡(jiǎn)化三角模糊數(shù)[15]。α-截集的定義為:對(duì)α∈[0,1],A={x|μA(x)≥α},稱(chēng)為A的α-截集。根據(jù)已有研究[7],本文選擇α=0.9。設(shè)有2個(gè)三角模糊數(shù)A=(a1,b1,c1)和B=(a2,b2,c2),運(yùn)用α-截集技術(shù)將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為置信水平的區(qū)間數(shù),具體計(jì)算公式為:

Aα=[a1α,c1α]=[(b1-a1)α+a1,c1-(c1-b1)α]。

(3)

Aα+Bα=[a1α+a2α,c1α+c2α]。

(4)

Aα·Bα=[a1α·a2α,c1α·c2α]。

(5)

Aα/Bα=[a1α/c2α,a2α/c1α]。

(6)

通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)值上下限分析原理[16]來(lái)確定三角模糊數(shù)中a、b和c,下限值和均值減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差的值確定為a,數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值確定為b,上限值和均值加上2倍標(biāo)準(zhǔn)差的值確定為c。

1.4 基于三角模糊數(shù)的評(píng)價(jià)模型

為了較好地反映土壤中重金屬污染的真實(shí)情況,將重金屬元素濃度和背景值作為三角模糊數(shù)。設(shè)研究區(qū)域重金屬金屬元素i的濃度為:Ci=(C1i,C2i,C3i),地球化學(xué)背景值為:Bi=(B1i,B2i,B3i),將其轉(zhuǎn)化為α-截集后,再代入式(1),得到包含三角模糊數(shù)的地累積污染指數(shù)評(píng)價(jià)模型:

蔣春豬說(shuō)，平時(shí)，你一點(diǎn)看不出秀容月明是元帥，他和士兵吃一樣的飯，睡一樣的席子，天熱了，就把上衣脫了，手朝胳肢窩一掏，就掏出一把黑灰，天冷了，士兵們?cè)谙茨_，他見(jiàn)了，就坐下來(lái)，把腳也伸進(jìn)去。

Igeoi=log2[Ci/(KBi)]。

(7)

(8)

由式(7)得到Igeoi對(duì)各個(gè)等級(jí)的隸屬度,基于地累積污染指數(shù)等級(jí)劃分得出Igeoi的重金屬污染程度的表達(dá)式:

Igeoi=∑A(λ)·V(λ)。

(9)

式中:Igeoi是重金屬i的地累積指數(shù)模糊值;V(λ)為各污染等級(jí)賦值。結(jié)合污染權(quán)重,得到研究區(qū)域綜合評(píng)價(jià)值為:Ri=Wi·Igeoi。

(10)

傳統(tǒng)的地累積指數(shù)法只能判斷單一重金屬污染程度,不能很好地反映研究區(qū)域重金屬污染的綜合程度,因此,考慮到各重金屬的生物毒性存在差異,確定重金屬的污染權(quán)重W。將污染權(quán)重分為4個(gè)級(jí)別,并表示為三角模糊數(shù),4個(gè)級(jí)別分別定義為:1=(0,1,2), 2=(1,2,3), 3=(2,3,4),4=(3,4,5)。根據(jù)各種重金屬的生物毒性大小,結(jié)合已有研究[7],將As、Cr、Cu、Pb、Zn、Cd的污染權(quán)重分別確定為2、1、1、1、1、4。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量參數(shù)

中國(guó)省會(huì)城市土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)1.3.1節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法,將重金屬的含量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得出下限、可能性最大的值和上限,并將處理結(jié)果以三角模糊數(shù)的形式表示。以北京市為例,三角模糊處理后的土壤中6種重金屬元素的含量分別為:As(1.00,11.97,26.00),Cr(26.60,63.57,489.00),Cu(14.70,35.49,90.90),Pb(7.70,36.43,92.40),Zn(69.20,145.68,288.00),Cd(0.17,0.49,0.87)。

表2 中國(guó)省會(huì)城市土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of heavy metal content in soils of provincial capital cities in China

可以看出,重金屬含量數(shù)據(jù)的下限和上限差別很大,會(huì)給計(jì)算帶來(lái)較大不便。選取α=0.9,通過(guò)α-截集技術(shù)將重金屬含量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù),得出基于三角模糊數(shù)的省會(huì)城市土壤重金屬統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。以北京市為例,α-截集處理后的土壤中重金屬的含量分別為As[10.87,13.37],Cr[59.87,106.11],Cu[33.41,41.03],Pb[33.56,42.03],Zn[138.03,159.91],Cd[0.46,0.53]。

2.2 地球化學(xué)背景值參數(shù)

目前,國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者習(xí)慣運(yùn)用地累積污染指數(shù)法評(píng)價(jià)(中國(guó))城市土壤重金屬的污染狀況,在對(duì)不同重金屬元素地球化學(xué)背景值Bi選取時(shí),有的學(xué)者選用中國(guó)土壤元素背景值[3],有的學(xué)者選用研究區(qū)域所在省份的土壤元素背景值[4]。表3列出了幾種常見(jiàn)的地球化學(xué)背景值,通過(guò)表3可以看出,Zn元素在黏土中的含量值是中國(guó)土壤元素背景值的2倍多,若分別采用這兩個(gè)參考值進(jìn)行評(píng)價(jià),得出的結(jié)論很難使人信服。所以即使當(dāng)研究區(qū)域污染物數(shù)據(jù)一致時(shí),不同研究者采用不同的地球化學(xué)背景值,會(huì)得出不一樣的結(jié)論,甚至有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)較大差距。因此通過(guò)引入三角模糊數(shù)來(lái)解決這種不確定性帶來(lái)的差異,運(yùn)用α-截集技術(shù)(α取0.9)對(duì)表3的地球化學(xué)背景值進(jìn)行處理,使之轉(zhuǎn)化成為區(qū)間數(shù)(表4)。

表3 幾種常見(jiàn)的地球化學(xué)背景值Tab.3 Background values of several common elements in different rock soils

表4 α-截集后的地球化學(xué)背景值Tab.4 Geochemical background values of several common elements after interception

2.3 重金屬評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果

根據(jù)α-截集處理后的土壤重金屬含量和截集后的地球化學(xué)背景值(表4)數(shù)據(jù),利用公式(7)計(jì)算得到中國(guó)省會(huì)城市土壤中各重金屬元素的模糊地累積指數(shù)結(jié)果(見(jiàn)表5)。由表5可知,?？谑兄亟饘傥廴境潭认鄬?duì)其余32個(gè)省會(huì)城市較低,Cd的地累積指數(shù)在0到1之間,屬于輕度污染之外,其余的5種重金屬的地累積指數(shù)均小于0,無(wú)污染。除此之外,太原、合肥、銀川、拉薩、澳門(mén)等城市的地累積污染指數(shù)也較小,6種重金屬的污染都介于無(wú)污染和輕度污染之間。而與之相反的是,昆明的重金屬污染比較嚴(yán)重,Cu屬于中度污染,Zn、Cd都屬于偏中度污染,而長(zhǎng)春的As污染、長(zhǎng)沙的Cd污染都介于偏中度污染和中度污染之間,西寧的Cr地累積污染指數(shù)介于0和2之間,上海市Pb 的地累積指數(shù)的跨度較大,在1和4之間,表明污染物污染程度判斷的確存在較大的模糊性。從整個(gè)表格中可以看出,6種重金屬污染物在省會(huì)城市土壤的污染等級(jí)差別較大。

表5 地累積指數(shù)區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Regional statistical results of geo-accumulative index

僅僅從數(shù)字表面不能很明確地判斷出它們所屬的污染級(jí)別,引入三角模糊數(shù)之后,使評(píng)價(jià)中的數(shù)據(jù)包含了更多信息。通過(guò)隸屬度的計(jì)算,可以較全面地了解城市土壤重金屬污染的真實(shí)情況,通過(guò)公式(8),可以得到省會(huì)城市土壤重金屬不同污染水平對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的隸屬度值。將研究區(qū)域6種重金屬在模糊評(píng)價(jià)下的等級(jí)結(jié)果整理,見(jiàn)表6。

表6 不同評(píng)價(jià)模型下的分級(jí)結(jié)果和綜合評(píng)價(jià)值Tab.6 Geo-accumulative pollution grading results and comprehensive evaluation values of common elements using different evaluation models

從表6中的模糊評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果可以看出,33個(gè)省會(huì)城市土壤6種重金屬污染程度各有不同,Cd污染最為嚴(yán)重,長(zhǎng)沙和昆明2個(gè)城市達(dá)到了3級(jí),屬于中度污染,9個(gè)城市達(dá)到了2級(jí),屬于偏中度污染,10個(gè)城市為1級(jí)輕度污染;而Cr僅在上海、長(zhǎng)春、西寧、武漢、長(zhǎng)沙、烏魯木齊、呼和浩特7個(gè)城市為1級(jí)輕度污染,其余26個(gè)省會(huì)城市均屬于0級(jí),無(wú)污染程度,說(shuō)明省會(huì)城市土壤受Cr污染較輕。As除在長(zhǎng)春、合肥、拉薩3個(gè)城市為2級(jí)偏中度污染之外,其余28個(gè)城市介于無(wú)污染和輕度污染之間。Cu在昆明為3級(jí)中度污染,在上海、蘭州、武漢、貴陽(yáng)為1級(jí)輕度污染,其余28個(gè)省會(huì)城市均為0級(jí)無(wú)污染。Pb除在上海和貴陽(yáng)分別為3級(jí)(中度污染)和2級(jí)(偏中度污染)之外,其余21城市均為無(wú)污染和輕度污染之間。Zn除在上海、武漢、貴陽(yáng)、昆明4個(gè)城市均為2級(jí)偏中度污染之外,其余29個(gè)城市介于無(wú)污染和輕度污染之間。研究區(qū)域6種重金屬元素按照地累積污染指數(shù)等級(jí)所反映的富集程度,由大到小排列順序依次為:Cd>Pb>Cu>Zn>Cr>As。

本文采用各省會(huì)城市土壤重金屬含量平均值和中國(guó)土壤元素背景值對(duì)6種重金屬進(jìn)行了確定性評(píng)價(jià)分級(jí)(表6)。通過(guò)對(duì)比表6中的兩列數(shù)據(jù)可以看出,確定性評(píng)價(jià)的結(jié)果僅是模糊評(píng)價(jià)結(jié)果區(qū)間中的一個(gè)數(shù),確定性評(píng)價(jià)忽略了評(píng)價(jià)因子不確定性,從而導(dǎo)致表6中模糊評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果和確定性評(píng)價(jià)分級(jí)污染等級(jí)評(píng)判結(jié)果的差異。

從表中還可以看出,確定性評(píng)價(jià)下的污染程度和模糊評(píng)價(jià)下基本一致,但是也存在著個(gè)別差異,主要表現(xiàn)在:研究區(qū)域內(nèi)As污染在模糊評(píng)價(jià)下的等級(jí)略高于確定性評(píng)價(jià),例如長(zhǎng)春、合肥、拉薩污染級(jí)別在模糊評(píng)價(jià)下為2級(jí),而在確定性評(píng)價(jià)下為1級(jí)。Cd污染在模糊評(píng)價(jià)下的等級(jí)略低于確定性評(píng)價(jià),例如在模糊評(píng)價(jià)下長(zhǎng)沙污染級(jí)別為3級(jí),南京、貴陽(yáng)、南寧、香港都為2級(jí),而在確定性評(píng)價(jià)下長(zhǎng)沙為4級(jí),南京、貴陽(yáng)、南寧、香港都為3級(jí)。造成這種差異的原因是基于三角模糊數(shù)的污染評(píng)價(jià)中重金屬濃度和地球化學(xué)背景值的選取范圍更大,比傳統(tǒng)采用平均濃度和單一的地球化學(xué)背景值包含了更多的信息,在一定程度上減少了污染物濃度和地球化學(xué)背景值的不確定性。這也說(shuō)明基于三角模糊數(shù)的評(píng)價(jià)模型為解決城市環(huán)境污染評(píng)價(jià)中的不確定性問(wèn)題提供了一種新思路。

2.4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表6中模糊評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果得到的地累積污染指數(shù),結(jié)合各重金屬元素的污染權(quán)重,通過(guò)式(10)可以得出省會(huì)城市土壤重金屬的綜合評(píng)價(jià)值(表6最后一列)。

從表6最后一列可以看出,省會(huì)城市土壤中As、Cr、Cu、Pb、Zn和Cd重金屬污染程度較高的城市主要有:昆明、貴陽(yáng)、長(zhǎng)沙、南寧等。我國(guó)西南地區(qū)是伴生鎘礦產(chǎn)分布的密集區(qū),區(qū)內(nèi)分布有很多鉛鋅礦,區(qū)內(nèi)的株洲、黃石、郴州、銅陵、昆明等城市均是我國(guó)金屬礦產(chǎn)的采礦、選礦及冶煉工業(yè)高度發(fā)達(dá)的城市,株洲市有色金屬的采礦、選礦及冶煉歷史已達(dá)70年之久,因此,以工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?yàn)橹鞯牡V業(yè)活動(dòng)是造成城市土壤重金屬污染的主要原因。這些結(jié)論與田恒川等[55]、Wang等[56]和米艷華等[57]的研究結(jié)論一致。

3 結(jié) 論

(1)與確定性模型評(píng)價(jià)相比,基于三角模糊數(shù)的評(píng)價(jià)模型較好地彌補(bǔ)了確定性評(píng)價(jià)的不足,評(píng)價(jià)結(jié)論更加準(zhǔn)確、全面、合理,能較好地反映研究區(qū)域的重金屬污染狀況,提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可分辨性和可拓展性,為土壤重金屬的污染評(píng)價(jià)提供了新視角。

(2)采用三角模糊數(shù)的評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)中國(guó)省會(huì)城市土壤重金屬污染狀況,結(jié)果表明,土壤中6種重金屬的綜合污染程度存在差異,由大到小的順序依次為:Cd>Pb>Cu>Zn>Cr>As,此結(jié)果與確定性評(píng)價(jià)的結(jié)果相同。

(3)中國(guó)省會(huì)城市土壤中,Cd、Pb、Cu為主要污染因子,以工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?yàn)橹鞯牡V業(yè)活動(dòng)是造成重金屬污染的主要原因。