基于GIS技術(shù)的城市重金屬污染分析區(qū)域測(cè)繪研究

文章編號(hào)：1674-6139（2025）07-0131-04

中圖分類(lèi)號(hào)：X833文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Regional Surveying and Mapping of Urban Heavy Metal Pollution Analysis Based on GIS Technology

MaYoulu，LiuXiaojie，SongShenglei，DingYi （Qinghai Provincial Natural Resources Survey and Monitoring Institute，Xining 81Oooo，China）

Abstract：Heavymetalpollutantsposeaseriousthreattothehealthofurbanresidents.Inodertofectivelyontrolthem，itisnc esarytounderstandtedistribtioofavetalpltionaeasToisdseachogioalapigofurbanavtalp tionanalysisbasedonGIStechnology.Takingaresearchareainacityasanexample，thisstudysetupsamplingpointstocolectand processamples，determiningthetypeandoncentrationofheavymetalpolution，calculating theNemeropolutionindex，ndsingG technologytoimplementspatialinterpolationnddrawsurveying maps.TeresultsshowthatAsheavymetalpolutionismainlyconcen trated in the western and northern regions，and the distribution range is relatively wide，while Pb pollutionis mainly distributed near the northernregions.TepolutionindexofNmerointewesternregionissignificantlyhighertanthatintheasteregionInsomre as，the index even exceeds 3.O，reaching a level of severe pollution.

Keywords：GIS technology；urbanheavymetalpolution；sampling；concentrationdetection；regionalsurveyingandmapping

前言

重金屬污染是一個(gè)嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，不僅影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，還可能通過(guò)食物鏈傳遞，對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成潛在威脅，包括引發(fā)各種疾病和生理功能障礙[1]。鑒于對(duì)環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)的深遠(yuǎn)影響，對(duì)城市重金屬污染進(jìn)行精確分析和有效監(jiān)測(cè)顯得尤為關(guān)鍵，這不僅關(guān)乎當(dāng)前的生態(tài)安全，也是對(duì)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的保障。地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)在此背景下展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與價(jià)值。作為一項(xiàng)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理與分析工具，GIS技術(shù)為城市重金屬污染問(wèn)題的研究與監(jiān)測(cè)提供了不可或缺的技術(shù)支撐。能夠高效地集成、存儲(chǔ)、管理和查詢海量的地理空間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括土壤樣本的重金屬含量、地形地貌、水文條件以及人類(lèi)活動(dòng)信息等。更重要的是，GIS技術(shù)通過(guò)空間分析、模型模擬等功能，能夠深入挖掘這些數(shù)據(jù)背后的規(guī)律與趨勢(shì)，為城市重金屬污染的分析提供科學(xué)的決策依據(jù)?；贕IS技術(shù)的城市重金屬污染分析區(qū)域測(cè)繪研究，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)城市重金屬污染源的精準(zhǔn)定位，準(zhǔn)確劃定污染范圍，并對(duì)污染程度進(jìn)行量化評(píng)估。這些成果不僅有助于更全面地理解城市重金屬污染的現(xiàn)狀，也為城市環(huán)境管理和治理提供了重要的技術(shù)支撐，使得相關(guān)部門(mén)能夠采取更加精準(zhǔn)有效的措施，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，維護(hù)人類(lèi)健康。

1 研究區(qū)概況

以某城市部分區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行土壤重金屬污染分析區(qū)域測(cè)繪研究。研究區(qū)基本情況如下：此研究選取的某城市部分區(qū)域，位于該市的工業(yè)集中地帶，是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐區(qū)域。區(qū)域內(nèi)人口密集，工業(yè)企業(yè)眾多，尤以化工、金屬冶煉等重工業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。這些企業(yè)在推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢水和固體廢物，其中可能含有多種重金屬元素。這些重金屬元素通過(guò)廢水排放、廢氣沉降、固體廢物堆積等途徑進(jìn)入土壤環(huán)境。近年來(lái)，雖然環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸提高，環(huán)保政策得到有力實(shí)施，但由于歷史原因和污染源的復(fù)雜性，土壤重金屬污染問(wèn)題仍然嚴(yán)峻[2]。因此，開(kāi)展基于GIS技術(shù)的土壤重金屬污染分析區(qū)域測(cè)繪研究，對(duì)于了解污染現(xiàn)狀、評(píng)估污染風(fēng)險(xiǎn)、制定治理措施具有重要意義。

2 城市重金屬污染檢測(cè)

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和設(shè)備

在城市重金屬污染檢測(cè)中，實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備包括動(dòng)力土壤采樣器（型號(hào)ZHT－49CC）、研磨機(jī)（規(guī)格 Φ¹⁷⁵ ）、石墨爐原子吸收分光光度計(jì)（型號(hào)AA370MC）以及自動(dòng)進(jìn)樣器（型號(hào)SOLATek72）。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還使用了以下試劑：化學(xué)純硝酸、化學(xué)純氫氟酸和化學(xué)純高氯酸。

2.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

采樣點(diǎn)布設(shè)是指在環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)目的、監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境特征以及監(jiān)測(cè)技術(shù)的要求，科學(xué)、合理地確定采樣點(diǎn)的位置、數(shù)量和布局的過(guò)程[3]。這個(gè)過(guò)程需要綜合考慮多種因素，如污染源分布、地形地貌、氣象條件、土壤類(lèi)型等，以確保采樣點(diǎn)的代表性和監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。將整個(gè)調(diào)查區(qū)域劃分為若干個(gè) 1km×1km 的柵格單元，這樣的劃分可以確保采樣點(diǎn)的分布足夠廣泛和均勻，以覆蓋整個(gè)礦區(qū)耕地的范圍。在確定了采樣地塊后，采用梅花采樣法在每個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)進(jìn)行土壤樣品的采集。在每個(gè)網(wǎng)格中，首先確定中心點(diǎn)，這通常是網(wǎng)格的幾何中心。從中心點(diǎn)出發(fā)，按照東南西北四個(gè)方向設(shè)置四個(gè)等分點(diǎn)，并在這些等分點(diǎn)的中點(diǎn)（即中分點(diǎn)）處設(shè)置采樣點(diǎn)。這樣，會(huì)得到一個(gè)類(lèi)似梅花的形狀，中心點(diǎn)位于中間，四個(gè)采樣點(diǎn)均勻分布在四個(gè)方向上。

通過(guò)合理的采樣點(diǎn)布設(shè)，可以確保采樣點(diǎn)能夠覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域或特定區(qū)域，從而采集到具有代表性的樣品，這有助于準(zhǔn)確評(píng)估監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量狀況，為環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)[4]，見(jiàn)圖1。

2.3土壤樣品采集與處理

基于設(shè)置的采樣點(diǎn)，使用ZHT-49CC土壤動(dòng)力取樣器，按設(shè)定深度垂直插入土壤中，啟動(dòng)采樣機(jī)構(gòu)，緩慢提取完整樣本至容器中[5]，密封標(biāo)記，便于后續(xù)的土壤分析和測(cè)試。

針對(duì)采集到的土壤樣品，進(jìn)行處理，具體處理過(guò)程如下：

（1）風(fēng)干：將土壤樣品攤開(kāi)風(fēng)干，定期翻動(dòng)以均勻干燥并去除雜質(zhì)。（2）磨細(xì)：土壤樣品風(fēng)干后破碎去雜，再進(jìn)入研磨機(jī)按照需要的大小磨細(xì)。（3）過(guò)篩：將磨細(xì)的土壤放在 2mm 篩上，輕輕搖晃收集所需顆粒[6]（4）混合：多點(diǎn)采集土壤樣品，需要將其混合，以獲取代表性樣本。（5）保存：將土壤樣品裝入廣口瓶，均勻填充并貼上標(biāo)記記錄信息（分析號(hào)、名稱(chēng)、地點(diǎn)、日期、深度、采集人）。存儲(chǔ)于干燥陰涼通風(fēng)處以防化學(xué)成分變化，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確。

2.4 土壤樣品測(cè)定

為了將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的形態(tài)，需要進(jìn)行消解處理，將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為可溶解形式，以便后續(xù)的分析和測(cè)定。該步驟為：稱(chēng)取土壤樣品（通常 ，放入 50ml 的聚四氟乙烯燒杯中。加入少量水濕潤(rùn)土壤樣品。向燒杯中加入 5ml 的HCl進(jìn)行低溫加熱。溶液蒸發(fā)至大約 2～3ml 時(shí)，取下燒杯稍微冷卻。再加入 5ml 的 HNO₃、4ml 的HF和 2ml 的 HClO₄ 。蓋上燒杯的蓋子，溫加熱約1小時(shí)。冷卻后用水洗去殘留的酸液。再加入1ml 的 HNO₃ ，并進(jìn)行溫?zé)崛芙鈿埩舻墓腆w殘?jiān)?。最后，定容?5或 50ml 的刻度線。利用石墨爐原子吸收分光光度法進(jìn)行測(cè)定。

該方法基于原子吸收光譜的原理，利用石墨爐作為高溫?zé)嵩磳悠氛舭l(fā)并原子化，通過(guò)測(cè)量特定波長(zhǎng)下原子對(duì)光的吸收程度來(lái)確定元素的含量。過(guò)程如下：

（1）進(jìn)樣：通過(guò)自動(dòng)進(jìn)樣器將樣品加入石墨爐中。（2）石墨爐加熱：升溫過(guò)程分干燥、灰化、原子化三階段升溫。

（3）原子吸收光譜測(cè)量：特定波長(zhǎng)光通過(guò)石墨爐，測(cè)量光強(qiáng)變化確定元素含量。（4）數(shù)據(jù)處理：分析數(shù)據(jù)得元素含量。（5）污染評(píng)估：計(jì)算內(nèi)梅羅指數(shù)，劃分污染程度：

式（1）－式（2）中，A代表內(nèi)梅羅污染指數(shù); B_i 、 分別代表土壤中重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)、指數(shù)最大值和平均值； b_i 代表土壤中重金屬元素 χ_i 的含量； C_i 代表重金屬元素 χ_i 的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

根據(jù)計(jì)算得到的內(nèi)梅羅污染指數(shù)，可以將其與污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而劃分污染程度。常見(jiàn)的污染等級(jí)劃分如下：

（1）清潔（安全）： NPI?0.7 時(shí)，環(huán)境質(zhì)量佳。（2）尚清潔（警戒限）： 0.73.0 時(shí)，重度污染，需立即治理。

2.5 測(cè)定結(jié)果與分析

以20個(gè)采樣點(diǎn)為例：經(jīng)過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)的重金屬污染濃度分析，研究區(qū)域主要受到碑（As）和鉛（Pb）的高濃度污染，特別是采樣點(diǎn)10至15，其內(nèi)梅羅污染指數(shù)均在2.0至3.0以上，顯示出較為嚴(yán)重的污染狀況，而其他采樣點(diǎn)雖然污染程度有所差異，但As和Pb的濃度也普遍較高，表明整個(gè)研究區(qū)域均面臨不可忽視的重金屬污染問(wèn)題。

3基于GIS的土壤重金屬污染特征測(cè)繪

3.1 測(cè)繪方法

基于GIS的土壤重金屬污染測(cè)繪，旨在結(jié)合實(shí)際情況分析城市重金屬污染。該過(guò)程包括：收集城市土壤重金屬數(shù)據(jù)，導(dǎo)人GIS軟件建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)；利用GIS空間分析功能（如反距離權(quán)重插值），以研究區(qū)地圖為底圖，生成土壤重金屬污染分布圖。反距離權(quán)重法依據(jù)已知點(diǎn)距離估算未知點(diǎn)值，距離越近影響權(quán)重越大。

式（3）中， G（x₀） 是點(diǎn) x₀ 處的重金屬污染濃度／內(nèi)梅羅污染指數(shù)的待估值； n 是用于插值的樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)； G（x_i） 是樣點(diǎn) x_i 處的重金屬污染濃度／內(nèi)梅羅污染指數(shù)的實(shí)測(cè)值； w_i 是第 χ_i 個(gè)樣點(diǎn)對(duì)待估點(diǎn)貢獻(xiàn)的權(quán)重。

式（4）中， l_i0 是待估點(diǎn)與樣點(diǎn)間的距離； Ψ_tΨ_t 是距離的冪。

執(zhí)行插值生成柵格圖層，估算未知點(diǎn)屬性值。將柵欄加載至ArcGIS，以顏色或符號(hào)區(qū)分屬性值范圍，創(chuàng)建空間分布圖，并添加圖例、比例尺、標(biāo)題。確保礦區(qū)土壤重金屬含量數(shù)據(jù)連續(xù)，從而得出含量空間分布圖。

3.2 測(cè)繪結(jié)果與分析

3.2.1 As和Pb重金屬污染測(cè)繪結(jié)果

As和Pb重金屬污染測(cè)繪結(jié)果見(jiàn)圖2。

如圖2所示，As污染主要分布在西部和北部，Pb 污染集中在北部。這可能與該區(qū)域工業(yè)活動(dòng)，特別是冶煉、化工相關(guān)，導(dǎo)致土壤和地下水As、Pb含量上升。

3.2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)測(cè)繪結(jié)果

研究區(qū)整體污染的內(nèi)梅羅污染指數(shù)測(cè)繪結(jié)果見(jiàn)圖3。

如圖3所示，研究區(qū)內(nèi)梅羅污染指數(shù)西部高于東部，部分地區(qū)超3.0達(dá)重度污染，表明西部污染更嚴(yán)重，存在集中污染源，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通排放。

4結(jié)束語(yǔ)

GIS技術(shù)為城市重金屬污染研究帶來(lái)了全面、高效且直觀的分析手段。該技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確識(shí)別出污染嚴(yán)重區(qū)域，還為污染控制和污染治理提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)整合地理空間、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市重金屬污染狀況的深度剖析。借助內(nèi)梅羅污染指數(shù)等評(píng)價(jià)方法，能夠量化并評(píng)估各區(qū)域的污染程度，直觀展示污染的空間分布特征。在研究過(guò)程中，揭示了污染源集中性、污染擴(kuò)散規(guī)律及環(huán)境自凈能力差異等關(guān)鍵特點(diǎn)，這些發(fā)現(xiàn)為制定針對(duì)性的治理措施提供了重要的科學(xué)依據(jù)。總之，GIS技術(shù)在城市重金屬污染研究中發(fā)揮了重要作用，不僅提升了對(duì)污染狀況的理解，也為環(huán)境保護(hù)和治理工作提供了有力的技術(shù)支持。

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