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        基于模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法的弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量研究

        2018-11-30 01:53:56張曉薇王恩德柏易彤
        金屬礦山 2018年11期
        關(guān)鍵詞:土壤環(huán)境采場(chǎng)養(yǎng)分

        張曉薇 王恩德 柏易彤

        (1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110819;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新123000)

        遼陽(yáng)弓長(zhǎng)嶺鐵礦是遼寧省近40 a來(lái)發(fā)現(xiàn)的最大富鐵礦,也是我國(guó)迄今發(fā)現(xiàn)的繼海南石碌鐵礦之后的第二大富鐵礦。該鐵礦歷經(jīng)多年的開(kāi)采,礦區(qū)環(huán)境承受能力不斷減弱,累積性的土壤污染問(wèn)題日益突出,以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr等為主的重金屬污染嚴(yán)重[1-2]。由于土壤重金屬污染具有持久性、隱蔽性和不可逆性等特點(diǎn),一旦遭受重金屬污染,便難以消除[3]。開(kāi)展重金屬污染土壤的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),一方面可以了解土壤重金屬污染的程度和現(xiàn)狀,并以直觀的數(shù)學(xué)方式表達(dá)出來(lái),有利于進(jìn)行科學(xué)、客觀的判斷;另一方面可以針對(duì)現(xiàn)有的情況,進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)布局,維護(hù)周邊居民的生存環(huán)境,同時(shí)有計(jì)劃、有步驟地開(kāi)展防治和修復(fù)工作。土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是進(jìn)行土壤環(huán)境保護(hù)、實(shí)施土壤環(huán)境綜合整治的基礎(chǔ)工作。

        傳統(tǒng)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法[4-6]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法[7-8]等,但這些方法在描述土壤污染這個(gè)復(fù)雜綜合體系的模糊性和漸變性時(shí)均有不足[9]。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià),即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。該方法能通過(guò)相對(duì)隸屬度描述分類(lèi)的界限,準(zhǔn)確詮釋土壤環(huán)境狀況以及級(jí)別劃分的模糊性,客觀地反映綜合土壤環(huán)境質(zhì)量狀況,具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn),能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題,適合各種非確定性問(wèn)題的解決[10-13]。

        前期的研究表明,弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)重金屬污染主要以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr為主[2,14]。因此,本研究以此5種重金屬以及有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、全磷(TP)、速效磷(OP)等土壤養(yǎng)分為主要因子,采用模糊綜合評(píng)價(jià)法,對(duì)遼陽(yáng)弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià),為后期生態(tài)修復(fù)方案的選擇提供理論指導(dǎo)。有關(guān)該礦區(qū)生態(tài)修復(fù)方面的研究成果將在后續(xù)論文中進(jìn)行報(bào)道。

        1 研究區(qū)概況

        弓長(zhǎng)嶺鐵礦位于遼寧省中部,屬溫帶大陸性氣候,年平均氣溫8.4℃,年降水量708 mm、蒸發(fā)量 1 107 mm[15]。礦區(qū)總面積110 km2,露天采場(chǎng)4個(gè),占用土地35 km2,同時(shí)還形成尾礦庫(kù)及排土場(chǎng)等大面積廢棄物堆存地,嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境[16]。

        2 樣品采集與測(cè)定

        2.1 樣品采集及預(yù)處理

        樣品采自獨(dú)木采區(qū)、露天礦、馮家尾礦、安平尾礦、蘇安大街、茨溝村、湯河區(qū)等7處,共22個(gè)采樣點(diǎn)。根據(jù)采樣區(qū)類(lèi)型,樣點(diǎn)大致可分為露天采場(chǎng)區(qū)、尾礦區(qū)、河流底泥區(qū)、采場(chǎng)周邊土壤區(qū)等4類(lèi)。采樣區(qū)具體地理位置分布見(jiàn)圖1。

        采樣時(shí),按S形線(xiàn)路,每個(gè)采樣點(diǎn)采集0~30 cm厚的新鮮巖土,經(jīng)混勻、縮分得1 kg樣品供測(cè)試分析。土壤樣品則需去除作物根系和石礫等雜質(zhì),并自然風(fēng)干、研磨、過(guò)100目篩后供測(cè)試分析。

        2.2 樣品分析和測(cè)定

        采用電位法對(duì)土壤的酸堿值進(jìn)行測(cè)定,重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤OM,土壤中的TN采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定,用堿解擴(kuò)散法測(cè)定AN,TP采用硫酸-高氯酸消煮法,土壤OP采用碳酸氫鈉浸提法測(cè)定。重金屬含量的測(cè)定,采用混酸(HF-HNO3-HClO3)微波消解,3%的稀硝酸溶液稀釋定容后,用電感藕合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)進(jìn)行分析測(cè)定。

        3 土壤質(zhì)量結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

        3.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)因子集和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集

        試驗(yàn)選擇最常用的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)因子OM、TN、AN、TP、OP作為土壤養(yǎng)分因素集,根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查規(guī)定的5個(gè)土壤養(yǎng)分等級(jí)確定土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集[17]。選擇鐵礦區(qū)最常見(jiàn)的幾種重金屬Cu,Zn,Pb,Cr,Cd為土壤重金屬評(píng)價(jià)因子集(遼陽(yáng)地區(qū)的背景值分別為24.57、59.84、22.15、57.66、0.16 mg/kg),根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15168—1995)確定土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集[18]。各采樣點(diǎn)土壤中養(yǎng)分及重金屬含量見(jiàn)表1。

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        3.2 隸屬度計(jì)算

        隸屬度是通過(guò)構(gòu)造等級(jí)模糊子集把反應(yīng)評(píng)價(jià)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化的函數(shù),因此,隸屬度是用來(lái)描述土壤污染狀況的模糊界線(xiàn),是進(jìn)行模糊運(yùn)算所必須的函數(shù)。設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量分為j個(gè)級(jí)別,各級(jí)別的隸屬度函數(shù)rij可以表示為[19]:

        (1)土壤環(huán)境質(zhì)量為一級(jí)(j=1)時(shí)的

        (2)土壤環(huán)境質(zhì)量為二級(jí)到四級(jí)(1<j<5)時(shí)的

        (3)土壤環(huán)境質(zhì)量為五級(jí)(j=5)時(shí)的

        式中,rij表示第i種評(píng)價(jià)因子隸屬第j等級(jí)的隸屬度;Ci表示土壤中第i種因子的實(shí)測(cè)濃度,mg/kg;Sij表示第i種因子第j等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)濃度,mg/kg。

        3.3 權(quán)重計(jì)算

        在模糊綜合評(píng)判中所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)因子對(duì)土壤的質(zhì)量影響不同,因此,需要對(duì)各評(píng)價(jià)因子賦予不同的權(quán)重,來(lái)展示各評(píng)價(jià)因子在該研究區(qū)域中所起到的作用強(qiáng)度。運(yùn)用污染值法計(jì)算的各污染因子權(quán)重

        式中,ai表示第i個(gè)污染因子的權(quán)重值;Si表示為各級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的平均值,mg/kg。

        根據(jù)計(jì)算出的各評(píng)價(jià)因子的單向權(quán)重得出的歸一化權(quán)重[20]見(jiàn)表2。

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        3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

        為了避免“取大取小”運(yùn)算法可能帶來(lái)的重要信息丟失,且權(quán)重的作用在該運(yùn)算中體現(xiàn)不明顯的缺點(diǎn),選擇加權(quán)平均型算法計(jì)算的隸屬度

        式中,bj表示第j等級(jí)的隸屬度,由bj可得到各區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量,然后根據(jù)模糊綜合指數(shù)法原則,模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)向量合成得到模糊綜合指數(shù)F,F(xiàn)=Y·S,其中F為模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù),Y為模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量,S為等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)向量,S=[35 50 65 80 95]。根據(jù)F值所屬范圍確定弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)各區(qū)域土壤養(yǎng)分和重金屬模糊綜合評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3。

        由表3可知:①礦區(qū)因開(kāi)采導(dǎo)致重金屬污染較嚴(yán)重,但各采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)結(jié)果大多數(shù)為豐富(Ⅴ),并未受到重金屬污染的影響。②結(jié)合表2的權(quán)重值可知,TN對(duì)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)結(jié)果影響最大,其次為OM,AN、TP和OP的權(quán)重偏小,說(shuō)明雖然礦區(qū)土壤養(yǎng)分整體比較豐富,但供植物快速有效利用的成分較低。③計(jì)算得礦區(qū)土壤重金屬污染在清潔(I)、尚清潔(II)、輕污染(III)、中污染(IV)、重污染(V)的隸屬度分別為0.017、0.064、0.108、0.052和0.758,重污染的隸屬度最大,即礦區(qū)總體處于重金屬重污染水平。④由5種重金屬的歸一化權(quán)重大小可以看出,5種重金屬的權(quán)重大小順序?yàn)镃d>Cu>Cr>Pb>Zn,其中污染因子Cd的權(quán)重超過(guò)其他污染因子權(quán)重總和,說(shuō)明該礦區(qū)Cd污染最為嚴(yán)重。而Pb、Zn的權(quán)重值很小,基本可以忽略不計(jì),說(shuō)明該礦區(qū)Pb、Zn污染很小或者無(wú)污染,對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最小。所以,該弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)主要污染因子為Cd、Cu、Cr。

        將該研究結(jié)論與傳統(tǒng)的利用地累積指數(shù)法和富集因子法研究的礦區(qū)重金屬污染程度評(píng)價(jià)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表4。

        由表4可知,3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,說(shuō)明模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法適用于礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

        4 研究結(jié)果分析

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        從重金屬全量看,礦區(qū)5種重金屬元素全量均高于遼陽(yáng)土壤背景值。其中,Cd含量最高,超過(guò)90%的點(diǎn)位Cd含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)含量平均值分別為11.50 mg/kg和5.20 mg/kg,最高達(dá)到了15.83 mg/kg;約有73%的點(diǎn)位Cu含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),露天采場(chǎng)和尾礦Cu含量較高,采場(chǎng)周邊土壤4個(gè)點(diǎn)位(編號(hào)17、18、19、22)銅含量異常高,平均達(dá)241.8 mg/kg,具體原因有待后期詳細(xì)探索;Zn、Pb、Cr的含量較低,因此,建議在進(jìn)行土壤環(huán)境恢復(fù)時(shí),重點(diǎn)針對(duì)Cd、Cu污染采取相應(yīng)措施,以達(dá)到在較小的投入情況下實(shí)現(xiàn)較好的恢復(fù)效果。

        從采樣區(qū)整體空間分布來(lái)看,露天采場(chǎng)重金屬污染最嚴(yán)重,其次為尾礦庫(kù),再到河流底泥及周邊土壤,5種重金屬平均含量呈降低趨勢(shì),說(shuō)明重金屬含量明顯受人為開(kāi)采活動(dòng)的影響。從露天采場(chǎng)向外,重金屬Cd污染的權(quán)重逐漸降低,其他4種重金屬污染的權(quán)重平均值呈增大的趨勢(shì),這是由于Cd的權(quán)重降低,而總和不變,所以其他4種重金屬權(quán)重增大。需要特別指出的是,露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)的pH值較小,特別是尾礦庫(kù),部分點(diǎn)位土壤的pH甚至小于6.0,這主要是由于區(qū)內(nèi)黃鐵礦等硫化礦物發(fā)生氧化,生成了酸,這些酸的生成又促進(jìn)了重金屬離子的溶出,加劇了露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)的重金屬污染[21]。就土壤養(yǎng)分的5個(gè)評(píng)價(jià)因子而言,OM、TN、TP的權(quán)重平均值變化規(guī)律性不強(qiáng),但是,從露天采場(chǎng)開(kāi)始,向外延伸過(guò)程中,AN、OP的權(quán)重平均值逐漸增大,說(shuō)明供植物吸收利用的養(yǎng)分含量逐漸增多,逐漸適宜植物種植。

        從礦區(qū)整體污染水平來(lái)看,露天采場(chǎng)和尾礦庫(kù)重金屬污染最嚴(yán)重,是礦山污染環(huán)境恢復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于這2個(gè)區(qū)域,可以先使用農(nóng)藝法調(diào)節(jié)土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地等因素,改變土壤重金屬活性,降低其生物有效性,減少對(duì)植物的毒害,使先鋒植物能進(jìn)入,使污染土壤向良性發(fā)展[22]。當(dāng)土壤質(zhì)地稍微變好后再利用植物修復(fù),引入超富集植物或高耐性植物,利用植物吸收、揮發(fā)和固定降低重金屬的毒性,以達(dá)到清除污染的目的。在經(jīng)過(guò)多年修復(fù)的恢復(fù)區(qū)或土壤污染低的地區(qū)可以種植經(jīng)濟(jì)作物,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和諧發(fā)展。

        5 結(jié)論

        (1)弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重,Cd為最主要的污染因子,對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最大,其次為Cu和Cr,而Pb、Zn為無(wú)污染或輕度污染,對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最小。因此,在后期礦區(qū)污染監(jiān)控和生態(tài)修復(fù)過(guò)程中,應(yīng)著重關(guān)注Cd污染。

        (2)礦區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分豐富,TN含量對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響最大,但是土壤中AN、TP和OP等能被植物快速有效利用的養(yǎng)分含量較低,不適于植物種植。因此,在后期礦區(qū)生態(tài)修復(fù)之前應(yīng)人工施加肥料,調(diào)節(jié)養(yǎng)分結(jié)構(gòu)。

        (3)該研究給出了礦區(qū)的基本生態(tài)特征和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果,為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改善和治理提供了科學(xué)參考。受篇幅所限,礦區(qū)生態(tài)修復(fù)與污染治理研究將在后續(xù)報(bào)道。

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