沈伶伶

(鞍山技師學院，遼寧 鞍山 114000)

圖1 城區(qū)地形圖

隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出.對城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證，以及如何應用查證獲得的海量數(shù)據(jù)資料開展城市環(huán)境質(zhì)量評價，研究人類活動影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關注的焦點.

按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)等，分別記為1 類區(qū)、2 類區(qū)、…、5 類區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境受人類活動影響的程度不同.現(xiàn)對某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進行調(diào)查，將考察區(qū)域按照每平方公里1個采樣點對表層土進行取樣、編號，得到采樣點的位置、海拔、所屬功能區(qū)及采樣點處8種重金屬元素的濃度，已知8種重金屬元素的背景值.

1 對城區(qū)重金屬污染程度的分析

1.1 問題分析

由于采樣數(shù)據(jù)是一系列散點，利用Matlab進行cubic插值，以便描繪出不同重金屬元素在該城區(qū)的空間分布圖.

要分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬元素的污染程度，需要確定污染程度的評價標準，本文采用模糊綜合評價法建立污染程度的評價標準.模糊綜合評價法用隸屬度描述模糊的污染分級界線,各評價等級的隸屬度再以各評價因子的權(quán)重修正,則得到評價樣品對評價等級的隸屬度.由于重金屬元素對土壤的污染程度與其濃度和毒性均有關，故采用雙權(quán)重因子改進型模糊綜合評判模型來綜合考慮濃度和毒性作用[1].從定性和定量兩方面進行分析，來尋找最佳權(quán)重，能夠比較客觀的反應出各污染因子對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響.最后通過對比分析，得出城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的重金屬污染程度.

1.2 各重金屬元素的空間分布

1.2.1 城區(qū)地形圖 首先將采樣數(shù)據(jù)按5種功能區(qū)進行分區(qū)整理，利用Matlab進行cubic插值，畫出了城區(qū)的地形圖，如圖1.

1.2.2 各重金屬元素在城區(qū)的空間分布 根據(jù)各重金屬元素的濃度，畫出其空間分布圖2，圖2將不同區(qū)域的采樣點以不同符號示出.

由圖2可見，8種重金屬元素在空間分布上具有一定的規(guī)律性，表現(xiàn)為：人類活動密集的工業(yè)區(qū)、交通干線兩側(cè)、生活區(qū)等污染較為嚴重，受人為活動影響較小的公園綠地區(qū)重金屬含量較小，污染相對較輕，而山林區(qū)所受污染最小，大部分范圍未受污染.

1.3 基于改進型模糊數(shù)學算法對土壤重金屬污染程度的分析

模糊數(shù)學法是對土壤污染評價的有效方法之一，采用模糊綜合評價法建立評價標準方法如下：

圖2 各種元素的濃度分布圖

1)首先要建立評價等級標準，根據(jù)隸屬度函數(shù)求出評價因子對各等級的模糊關系矩陣A，隸屬度表示某種污染元素濃度值隸屬于某等級的程度大小，隸屬度越大，該濃度屬于該某等級的程度越大；

2)其次確定各指標的權(quán)重W,綜合考慮重金屬濃度和本身的毒性作用,本文采用雙權(quán)重因子尋找各指標的最佳權(quán)重,比較客觀地反映出各污染因子對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響；

3)根據(jù)模糊關系矩陣和權(quán)重矩陣得到各樣本的評價等級，對每個等級給定分值，加權(quán)得出個樣本的最終得分.

1.3.1 污染因子隸屬度函數(shù)及模糊關系矩陣的建立 為了進行模糊運算，需要確定各污染因子的隸屬度函數(shù)，并以隸屬度來描述土壤污染狀況的模糊界線.根據(jù)各重金屬元素的背景值將土壤質(zhì)量分為3個標準等級，設對第i種污染因子分別以Si1,Si2,Si3表示各等級的標準濃度值.仿照國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[2](GB15618-1995)，根據(jù)提供的土壤背景值，按照同比例原則，得到了此時的土壤環(huán)境質(zhì)量標準如表1所示.

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標準

使用表1的數(shù)據(jù)作為各個隸屬度函數(shù)的拐點，用分段的直線函數(shù)模擬可以得到土壤重金屬污染狀況的隸屬度函數(shù).由以上分析，采用以下三個分段函數(shù)來表示實測濃度為Ci的污染因子i對各級標準的隸屬度函數(shù)[3].一級土壤環(huán)境質(zhì)量標準的隸屬度函數(shù)：

(1)

式(1)表示：當Ci小于一級標準值時，對一級標準的隸屬度為1，即認為屬于一級；當Ci介于一級標準值和二級標準值之間時，該評價因子仍對一級標準有一定的隸屬度，其值在0～1之間；當Ci大于二級標準值時，該因子對一級標準的隸屬度為零，即不屬于一級.

同樣地，二級、三級的隸屬度函數(shù)含義類似，表示為：

對二級土壤環(huán)境質(zhì)量標準的隸屬度函數(shù)：

(2)

對三級土壤環(huán)境質(zhì)量標準的隸屬度函數(shù)：

(3)

由此可得出污染因子i對土壤標準級別j的隸屬度矩陣：A=(rij)8×3

表2 各重金屬的毒性指數(shù)

1.3.2 污染因子權(quán)重系數(shù)的確定 由于重金屬元素對土壤的污染程度與其濃度和毒性均有關，需綜合考慮兩者來確定各污染因子的權(quán)重系數(shù).

根據(jù)Hakanson制定的標準化重金屬毒性響應系數(shù)，分別對各重金屬的毒性級別指數(shù)賦值，如表2.

指數(shù)越小，代表毒性作用越大，其權(quán)重應越大.因此將污染物濃度的權(quán)重和毒性級別fi相除，并作歸一化處理，得到各污染因子的權(quán)重公式：

(4)

[w1,w2,…,w8]

同理可得出其他評價樣本點各污染因子的權(quán)重向量，最終得到319×8的權(quán)重矩陣W.

1.3.3 綜合評價矩陣 設B為評價樣本點對不同級別的隸屬度,通過不同污染因子的模糊關系矩陣A和權(quán)重值矩陣W 進行矩陣運算：

B=W·A

即可得出不同評價樣本點對各評價等級的隸屬度，給定各等級對應的分值(根據(jù)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量各級別的控制意義，取土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量一級標準分值c1為100，二級標準分值c2為80，三級標準分值c3為60).利用評價向量的分量形成權(quán)重,對各等級的分值進行加權(quán)平均,得到評價分值.某樣本點評價分值的計算公式為：

(5)

式中：bj為評價向量B 中某樣本對應于第j 級土壤質(zhì)量水平的隸屬度；λj是由B 的分量構(gòu)成的一組權(quán)重，反映了各等級分值占的重要性；cj是對第j 級土壤質(zhì)量水平所打的分值，c是該樣本點的最終得分.

1.4 模型求解

將各樣本點按所屬功能區(qū)域進行分類.然后根據(jù)實測濃度值，各等級標準值以及毒性指標，利用Matlab編程求解[4-6]，得到了各功能區(qū)域各樣本點的評價分值，做出直方圖如圖3所示.

圖3 不同區(qū)域各采樣點的評價分值直方圖

根據(jù)直方圖，整理可得各功能區(qū)域隸屬于各個標準等級的樣本點數(shù)目及比率，其比率為某區(qū)域某級別的樣本點數(shù)與該區(qū)域總樣本數(shù)之比，如表3所示.

2 結(jié)果分析

1)綜合直方圖和表3可知，山區(qū)評價得分最高，采樣點中84.85%的采樣土壤質(zhì)量被評為一級，沒有采樣點被評為質(zhì)量最差的三級標準；

表3 各區(qū)域隸屬各等級的樣本頻數(shù)及比率

2)其次是公園綠地區(qū)，有57.14%的采樣點為一級，僅11.43%的采樣點為三級；再次是生活區(qū)，54.55%的采樣點被評為一級，18.18%的采樣土壤為三級，表明公園綠地區(qū)和生活區(qū)已受到一定程度的重金屬污染，公園綠地區(qū)受一定人為活動的影響，但人為活動不如生活區(qū)頻繁，而生活區(qū)的主要污染則來自居民日常生活垃圾等；

3)主干道道路區(qū)三級土壤樣本點較多，60%以上的采樣點被評為二、三級，主要是由于汽車尾氣排放、輪胎摩擦等的影響，重金屬隨大氣沉降進入土壤；而重金屬污染最嚴重的是工業(yè)區(qū)，其評價得分最低，有83%以上的土壤被評為二、三級，且在所有區(qū)域中屬于三級的土壤樣本比例最大，主要由于是工廠排放大量的廢氣，廢水，導致土壤中重金屬含量較高.

綜上分析，得到了該城市各區(qū)域污染程度大小的排序為：山區(qū)<公園綠地區(qū)<生活區(qū)<主干道道路區(qū)<工業(yè)區(qū).

[1] 張超,馬建華,李劍.改進型模糊數(shù)學法在土壤重金屬污染分析中的應用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009,37(4)：1763-1766.

[2] 國家環(huán)境保護局.GB15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標準[S].1995.

[3] 石曉翠，熊建新.模糊數(shù)學模型在土壤重金屬污染評價中的應用[J].天津農(nóng)業(yè)科學， 2005,11(3)：28-30.

[4] 鄭彤，陳春云.環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學模型[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[5] 李濤.Matlab工具箱應用指南——應用數(shù)學篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[6] 姜啟源，謝金星，葉俊.數(shù)學模型[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.