張 靜

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)部，長(zhǎng)春 130011)

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。對(duì)城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證，以及通過(guò)應(yīng)用查證獲得的海量數(shù)據(jù)資料開(kāi)展城市環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)，研究人類活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

尤冬梅[1]選取北京城郊地區(qū)——大興區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)土壤景觀異質(zhì)下土壤重金屬含量的空間分布規(guī)律、重金屬積累與景觀要素的關(guān)聯(lián)性、污染溯源的可視化表達(dá)方法及土壤重金屬含量的空間估值幾個(gè)主要問(wèn)題進(jìn)行了探討。陳秀端[2]以西安市三環(huán)內(nèi)的表層土壤為研究對(duì)象，通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定土壤的理化性質(zhì)、重金屬全量和存在形態(tài)，運(yùn)用SPSS、GIS、Excel、Matlab等軟件，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間變異函數(shù)和克里格插值方法，研究西安市表層土壤中重金屬的空間分布特征，采用污染負(fù)荷指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)等模型研究西安市表層土壤中重金屬的污染特征、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及綜合污染的空間差異，探究土壤重金屬來(lái)源研究的新方法，為西安城市土壤環(huán)境管理提供借鑒。成偉[3]提出了應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的方法，先將各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的重金屬空間分布的空間變異強(qiáng)烈程度進(jìn)行比較，然后再針對(duì)該地區(qū)所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的模擬方法。宋波[4]等人采用地統(tǒng)計(jì)理論與GIS空間插值相結(jié)合的方法研究重金屬元素的空間結(jié)構(gòu)和分布特征，利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，采用相關(guān)性分析和主成分分析等多元統(tǒng)計(jì)方法解析重金屬來(lái)源。

1 土壤重金屬元素空間分布特征

數(shù)據(jù)來(lái)源：相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)自《土壤學(xué)報(bào)》《中國(guó)環(huán)境科學(xué)》《應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)》等期刊。

為了更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，應(yīng)收集不同土壤深度的重金屬污染物質(zhì)量百分比情況的數(shù)據(jù)，收集不同土壤深度處，土壤水分中重金屬污染物含量與時(shí)間的關(guān)系情況數(shù)據(jù)。以深圳市為例，一方面，重金屬污染物通過(guò)水動(dòng)力作用，經(jīng)非飽和土壤進(jìn)入地下水環(huán)境，導(dǎo)致地下水水質(zhì)被破壞。另一方面非飽和土壤中存在的水、水蒸氣和不凝性氣體如空氣等的遷移，還有水分蒸發(fā)和水蒸氣的凝結(jié)，可能影響著重金屬污染物的質(zhì)量百分比。結(jié)合實(shí)際情況，需要收集在不同時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段內(nèi)，某區(qū)域各取樣點(diǎn)的土壤重金屬元素的質(zhì)量百分比。選取局地直角坐標(biāo)系，采用高斯方程法，求得8種重金屬元素的質(zhì)量百分比與空間位置的函數(shù)關(guān)系。

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單位歸一化處理后，在Matlab中使用三維差值法編程，繪制出各種元素質(zhì)量百分比的空間分布圖。深圳市土壤中Cr、Cu、Pb、Zn幾種元素分布于該市的西南部，整體有從西向東遞減的趨勢(shì)；Ni、As、Hg幾種元素則體現(xiàn)出分散集中的分布特征；Cd元素的分布較為分散，東西部都有一定的分布。質(zhì)量百分比密集區(qū)主要位于交通道路區(qū)域和工業(yè)集中區(qū)域。

2 不同重金屬的污染程度分析

多項(xiàng)污染綜合指數(shù)為

P=[0.5*[(I平均值)2+(I最大值)2]]0.5，

(1)

式中：P為綜合指數(shù)；I平均值為元素污染指數(shù)平均值；I最大值為各元素污染指數(shù)中的最大值。根據(jù)式(1)，借助Matlab軟件對(duì)各金屬質(zhì)量百分比值進(jìn)行處理，得出各功能區(qū)的污染情況。污染程度由重到輕分別是：工業(yè)區(qū)→交通區(qū)→生活區(qū)→公園綠地→山區(qū)。對(duì)照上述污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)可看出：工業(yè)區(qū)屬于等級(jí)Ⅳ——輕度污染；交通區(qū)和生活區(qū)屬于等級(jí)Ⅲ——警戒級(jí)；山區(qū)和公園綠地區(qū)屬于等級(jí)Ⅱ——清潔級(jí)。

由于山區(qū)人類社會(huì)活動(dòng)貧乏，開(kāi)發(fā)度低，其環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好；相反，對(duì)于繁重工業(yè)區(qū)來(lái)說(shuō)，情況就顯得不容樂(lè)觀了。由于工業(yè)區(qū)往往重負(fù)荷作業(yè)，這些過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，像令人頭疼的“工業(yè)三廢”問(wèn)題，使得環(huán)境質(zhì)量狀況面臨嚴(yán)峻形勢(shì)，污染程度相對(duì)于其他區(qū)自然較高。本模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與生活實(shí)際基本一致，所以本模型具有一定的合理的科學(xué)性。

表1 多項(xiàng)污染綜合指數(shù)

利用SPSS軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)，對(duì)土壤樣品重金屬元素含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)。

表2 某城市城區(qū)土壤重金屬元素的統(tǒng)計(jì)性描述

可見(jiàn)As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb和Zn元素的平均值均沒(méi)有超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的土壤環(huán)境質(zhì)量限定值[5]，但有部分樣品的Zn、Cu、Hg元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了限定值，應(yīng)特別重視。此外，所有元素總量平均值都超過(guò)了該市土壤的背景值，說(shuō)明該市土壤重金屬呈明顯積聚趨勢(shì)。從變異系數(shù)看Zn、Cu、Hg元素的變異系數(shù)相對(duì)較大，其余元素變異程度一般。

對(duì)8種重金屬元素質(zhì)量百分比進(jìn)行聚類分析和因子分析。土壤元素聚類結(jié)果如圖1所示，Cr與Cu、Pb、Ni、Zn元素存在顯著正相關(guān)，Cu與Ni、Pb、Zn元素存在顯著正相關(guān)，Ni與Pb、Zn，Pb與Zn元素存在顯著正相關(guān)，由此可以推斷Cr、Cu、Pb、Ni、Zn 5種元素可能同一來(lái)源，元素As、Cd、Hg為其他來(lái)源。該市土壤重金屬元素可分為兩類，元素Ni、Cr、Cu、Pb、Zn屬于第1類，元素Cd、As、Hg屬于第2類。此分析結(jié)果與該市土壤重金屬的相關(guān)分析結(jié)果相吻合。

運(yùn)用因子分析法確定土壤中重金屬來(lái)源[6]。從表3可以看出，通過(guò)主成分分析，重金屬中8種重金屬元素的全部信息可由2個(gè)主成分反應(yīng)55.6%，即對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行分析能夠反應(yīng)全部信息的一半以上。

圖1 土壤重金屬元素聚類分析

從表4可以看出，第一主成分的貢獻(xiàn)率為36.8%，特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Ni、Cr、Cu、Pb、Zn元素的濃度上有較高的正載荷。同一類元素在化學(xué)性質(zhì)上具有相似性，他們可能有相同的來(lái)源[7]。通過(guò)前面的相關(guān)性分析、聚類分析和此次主成分分析得到Ni、Cr、Cu、Pb、Zn 5種元素可劃為一類。此類元素在城市城區(qū)土壤的含量明顯高于背景值，并且變異系數(shù)較大，在土壤中的分布具有較大的波動(dòng)性。由第一類元素污染來(lái)源的空間分布特征圖與采樣點(diǎn)分布圖對(duì)比分析，得出第一類元素主要存在工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、生活區(qū)。因此第一主成分為工業(yè)污染、交通污染和生活垃圾污染。

表3 因子特征值

表4 因子負(fù)荷

查閱書(shū)籍(環(huán)境化學(xué))知：鉻(Cr)污染主要來(lái)源于劣質(zhì)化妝品原料、皮革制劑、金屬部件鍍鉻部分，工業(yè)顏料以及鞣革、橡膠和陶瓷原料等；鉛(Pb)污染主要來(lái)源于各種油漆、涂料、蓄電池、冶煉、五金、機(jī)械、電鍍、化妝品、染發(fā)劑、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自來(lái)水管等。鋅(Zn)污染主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車輪胎中的添加劑，輪胎磨損產(chǎn)生的含Zn粉塵。所以由第一類元素污染來(lái)源結(jié)合問(wèn)題中的空間分布特征圖與采樣點(diǎn)分布圖對(duì)比分析得第一類元素主要存在工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、生活區(qū)。因此，第一主成分為工業(yè)污染、交通污染和生活垃圾污染；根據(jù)8種元素空間分布特征圖，可以看出該市土壤中Ni、Pb、Zn 3種元素含量的空間分布規(guī)律比較相似，在西南部分工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、交通區(qū)有兩個(gè)明顯的峰值，并且整體上高于東北部。這Ni、Pb、Zn 3種元素主要污染原因?yàn)椋?/p>

1)工業(yè)區(qū)污染主要是化工廠、鋼鐵廠、造紙廠等工業(yè)的“三廢排放”。

2)交通區(qū)污染主要是交通密集汽車尾氣的排放和機(jī)動(dòng)車輪胎磨損產(chǎn)生含Zn添加劑的塵粉。

3)生活區(qū)污染主要是一些生活垃圾的污染，如廢舊電池、破碎的照明燈、沒(méi)有用完的化妝品、上彩釉的碗碟等。

該市土壤中Cu、Gr分布規(guī)律比較相似，兩個(gè)峰值同時(shí)出現(xiàn)在西南地區(qū)工業(yè)區(qū)和生活區(qū)，且相對(duì)集中，高于其他地區(qū)。因此Cu、Gr這兩種元素主要污染原因?yàn)椋?/p>

1)工業(yè)區(qū)污染主要是金屬部件鍍鉻加工，工業(yè)顏料以及鞣革、橡膠和陶瓷原料等。

2)生活區(qū)污染主要是丟棄的沒(méi)有用完的化妝品、上彩釉的碗碟、皮革品。

該市As、Cd、Hg分布規(guī)律較相似，但是Hg元素含量分別在中部、西南、南部的工業(yè)區(qū)和生活區(qū)出現(xiàn)3個(gè)明顯的峰值，在其他區(qū)域和As、Cd元素分布規(guī)律相同，分布相對(duì)均勻且接近背景值為自然土壤原因。查閱資料知：汞污染主要來(lái)源于儀表廠、食鹽電解、貴金屬冶煉、化妝品、照明用燈、齒科材料、燃煤、水生生物等。

因此，Hg元素污染原因?yàn)椋?)工業(yè)區(qū)污染主要是食鹽電解、貴金屬冶煉、燃煤等；2)生活區(qū)污染主要是化妝品使用、照明用燈、燃煤等。

3 點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模型

土壤中重金屬的來(lái)源是多途徑的，首先是成土母質(zhì)本身含有重金屬，不同的母質(zhì)、成土過(guò)程所形成的土壤含有重金屬量差異很大。此外，人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)也造成重金屬對(duì)大氣、水體和土壤的污染。土壤中重金屬污染物傳播的方式主要有：干沉降—大氣沉降、濕沉降—污水排放以及固體廢棄物在土壤中的傳播等方式。例如：大氣汞通過(guò)干濕沉降進(jìn)入土壤后，被土壤中的黏土礦物和有機(jī)物吸附或固定，富集于土壤表層，或?yàn)橹参镂斩D(zhuǎn)入土壤，造成土壤汞的質(zhì)量百分比的升高。

考慮到固體廢棄物在土壤中的傳播速度比較緩慢，所以在考慮此問(wèn)題時(shí)，做合理的假設(shè)，假設(shè)金屬在土壤廢棄物中的傳播擴(kuò)散效果不明顯，在此暫不考慮這種方式的影響。而對(duì)比土壤中固體廢棄物的弱傳播來(lái)說(shuō)，河流對(duì)廢水中的金屬污染化合物的攜帶傳播作用和大氣沉降對(duì)污染物的傳播作用就顯得明顯得多，由于大氣這種傳播媒介與外界環(huán)境污染交互更為頻繁，傳播速度更為自由，因此，大氣沉降的傳播效果更為明顯。限于問(wèn)題中的原始信息，所以在此問(wèn)題中，我們主要分析研究大氣沉降的污染傳播模型。

大量的試驗(yàn)和理論研究證明，特別是對(duì)于連續(xù)點(diǎn)源的平均煙流，其質(zhì)量百分比分布是符合正態(tài)分布的。一般情況下，固體顆粒物在空氣中的傳播和擴(kuò)散與此模型基本相同，在此借助于煙流點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模型[8]確定污染點(diǎn)源。在對(duì)該市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查時(shí)，按照1個(gè)采樣點(diǎn)/km2對(duì)表層土(0～10 cm深度)進(jìn)行取樣、編號(hào)，即可確定對(duì)應(yīng)于該位置的地表區(qū)域。設(shè)風(fēng)向任意一點(diǎn)(x，y)污染物平均質(zhì)量百分比的分布函數(shù)為關(guān)于距離d的一維函數(shù)：

(2)

(3)

將該函數(shù)模型轉(zhuǎn)化為線性函數(shù)。本文借助SPSS軟件，利用多元線性回歸法，擬合出線性函數(shù)的系數(shù)。選取局地直角坐標(biāo)系，采用高斯方程法，求得8種重金屬元素的質(zhì)量百分比含量與空間位置的函數(shù)關(guān)系。

ln(ρ)=a(x2+y2)-2a(x0+y0)+H，

(4)

(5)

在選定擬合數(shù)據(jù)的時(shí)候，本文充分考慮了高斯模型分布的特點(diǎn)，并考慮到各種重金屬的集中分布區(qū)，在進(jìn)行擬合時(shí)，靈活地選取了基本滿足正態(tài)分布特點(diǎn)周圍的點(diǎn)集進(jìn)行系數(shù)擬合。由于各種金屬元素的聚集區(qū)域有所差異，首先本文用SPSS22.0軟件[9]分別對(duì)各種金屬元素的匯集區(qū)進(jìn)行多元線性回歸分析，擬合出各種金屬分別對(duì)應(yīng)的污染點(diǎn)源。然后再對(duì)各點(diǎn)源利用三維插值擬合進(jìn)行統(tǒng)一綜合分析，找出取樣點(diǎn)，即污染源(圖2)。

圖2 該市重金屬污染狀況空間分布圖

該市土壤中Ni、Pb、Zn 3種重金屬元素含量的空間分布規(guī)律比較相似，在西南部分工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、交通區(qū)有兩個(gè)明顯的峰值，并且整體上高于東北部分。該市土壤中Cu、Gr元素分布規(guī)律比較相似，兩個(gè)峰值同時(shí)出現(xiàn)在西南部工業(yè)區(qū)和生活區(qū)，且相對(duì)集中高于其他區(qū)城。該市As、Cd、Hg元素分布規(guī)律較相似，但是Hg元素含量分別在中部、西南、南部的工業(yè)區(qū)和生活區(qū)出現(xiàn)3個(gè)明顯的峰值，在其他區(qū)域和As、Cd元素分布規(guī)律相同，分布相對(duì)均勻且接近背景值。

4 結(jié)語(yǔ)

為了更好地研究人類活動(dòng)對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境的影響，本文選取深圳市各功能區(qū)為研究對(duì)象，開(kāi)展表層土壤重金屬污染情況質(zhì)量評(píng)價(jià)。首先使用Matlab 7.0用二維插值做出各功能區(qū)在深圳市的分布圖。其次建立多因子污染綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)該市各功能區(qū)的污染程度進(jìn)行等級(jí)劃分，采用相關(guān)性分析和主成分分析等多元統(tǒng)計(jì)方法解析重金屬來(lái)源。最后建立高斯擴(kuò)散模型，運(yùn)用SPSS、GIS、Excel等軟件，確定土壤重金屬含量的空間估值以及污染源的位置坐標(biāo)。鑒于評(píng)價(jià)模型的多樣性，后續(xù)將進(jìn)一步研究其他的評(píng)價(jià)模型以及應(yīng)用。