安 卓

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院宣鋼分院，河北 張家口 075100)

重金屬污染屬于土壤無機物污染的一種，該污染無法被微生物分解，經(jīng)過長期積累后，會產(chǎn)生甲基化合物并進入糧食、蔬菜等農(nóng)作物中，嚴重影響人類健康。在對土壤重金屬進行治理前，首先要做好針對重金屬污染的評價工作，可供選擇的評價方法較多，但實際操作中普遍面臨缺乏評價標準的問題[1-3]。在重金屬污染治理工作中，單純的土壤重金屬檢測數(shù)據(jù)難以直接用于指導污染治理工作。需要在土壤重金屬檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對土壤污染程度進行分級處理，為有關(guān)單位提供一個定性的評級指標，在污染評級指標的指導下，管理者能夠更加便捷且有針對性地制定重金屬污染治理方案，避免治污藥物的濫用，防止產(chǎn)生二次污染，提高治污管理工作效率。因此，研究通過模糊綜合評價法來對土壤重金屬污染程序進行定性分析，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣并建立綜合評價模型，基于土壤環(huán)境質(zhì)量標準與現(xiàn)場土壤重金屬檢測數(shù)據(jù)來明確土壤樣點綜合隸屬度及其等級，為礦區(qū)土壤重金屬的治理工作提供定性的指標依據(jù)，方便煤礦企業(yè)制定土壤重金屬治理方案，環(huán)保部門也可以根據(jù)以定性指標為主的重金屬污染評價級別來開展相應(yīng)的監(jiān)督工作，在降低重金屬染污治理成本的同時提高治理方案的針對性。

1 模糊數(shù)學評價法

1.1 建立評價因素的因素集

研究設(shè)U為評價因素的因素集，各項評價指標因素為u1、u2、u3，…，則有U={u1，u2，…，un}。在此基礎(chǔ)上，依照重金屬元素污染及礦區(qū)施工工藝的特點建立土壤重金屬元素污染的因素集[4-5]。研究所建立的重金屬元素為因素集包括Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As重金屬元素，并將目標評價因子設(shè)定為各重金屬污染物的實測濃度，建立評價目標的評價集。研究設(shè)V為評價因子評價標準集合，各指標因素分別為v1、v2、v3，…，則有V={v1，v2，…，vn}。在此基礎(chǔ)上，依照《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 15618—2009)，通過Ⅰ級(清潔)、Ⅱ級(尚清潔)、Ⅲ級(輕污染)、Ⅳ級(中污染)、Ⅴ級(重污染)5個等級對重金屬元素污染進行劃分，建立V={v1，v2，v3，v4，v5}的重金屬元素污染評價集，表1為各項因子的評價標準[6-8]。

表1 評價目標的評價集V

1.2 確定評價因素的權(quán)重集

將A={a1，a2，a3，a4，a5，a6}定義為各重金屬元素的權(quán)重值集。研究基于各重金屬元素的危害程度和毒理特性，通過毒性系數(shù)來確定各重金屬元素的權(quán)重值集。計算權(quán)重的具體方法為[9-10]：

(1)

式中，i為重金屬元素類別；Ti為毒理系數(shù)；Si為各類標準值的算術(shù)平均值；Ci為實測濃度；Wi為權(quán)重。

Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As重金屬元素的毒理系數(shù)分別為1、5、5、2、30、10。

針對各單項權(quán)重實施歸一化處理[11]：

(2)

1.3 確定隸屬度函數(shù)

基于模糊數(shù)據(jù)的綜合評價需要事先確定用來計算隸屬度的函數(shù)，研究所采用的隸屬度函數(shù)基于半梯形分布模型原理進行設(shè)計，設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量等級為j，隸屬度計算函數(shù)具體形式如下。

(1)在j=1的情況下，隸屬度的計算方法為：

(3)

(2)在j=2，3，4的情況下，隸屬度的計算方法為：

(4)

(3)在j=5的情況下，隸屬度的計算方法與j=1時的計算方法相同[12]。

式(3)和式(4)將評價因素i對j級重金屬元素標準的隸屬度記為rij，將評價因素i的第j級土壤重金屬元素國家標準記為Si，j，將參數(shù)i的實測濃度值記為Si。

1.4 構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

以各評價因子的隸屬度構(gòu)成的矩陣即為模糊關(guān)系矩陣，以Ri(ri1，ri2，…，rim)代表單因子模糊矩陣，在此基礎(chǔ)上建立R=(rij)m×n模糊評判矩陣。

1.5 建立綜合評價模型

由于評價集V與因素集U之間存在映射關(guān)系，因此可以建立綜合評價模型(U，V，R)，通過B代表綜合評判集，則B=A×R即為模糊運算表達式[13]。

2 模糊數(shù)學評價法的應(yīng)用實踐

2.1 采樣點選取

實測地址位于陜西省榆林市神樹畔井田礦區(qū)，土壤采樣點共計20個，所在位置如圖1所示。

圖1 礦區(qū)土壤采樣點位置

2.2 現(xiàn)場土壤樣本采集

利用P3600型手持式土壤重金屬檢測儀分別對各采樣點土壤中的Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As五種重金屬元素進行檢測?，F(xiàn)場采樣方式如圖2所示。

圖2 土壤重金屬現(xiàn)場檢測

各土壤樣本中的重金屬元素含量檢測結(jié)果見表2。

表2 各土壤樣本中的重金屬元素含量檢測結(jié)果

3 數(shù)據(jù)處理

采用章節(jié)1所提出的計算流程可以對20個樣點的綜合隸屬度及等級進行計算。為了驗證模糊數(shù)學評價法的可靠性，研究還通過業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的綜合指數(shù)法對同樣一組檢測數(shù)據(jù)進行處理，計算結(jié)果見表3。

表3 土壤樣點綜合隸屬度及其等級

模糊數(shù)學方法與綜合指數(shù)法土壤重金屬污染等級評價對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩組土壤重金屬污染等級評價方法對比結(jié)果

經(jīng)過評價結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，研究所提出的模糊數(shù)學法與業(yè)界普遍采用的綜合指數(shù)法評價結(jié)果相近，具有較為充分的可靠性。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，榆林市神樹畔井田礦區(qū)20個土壤采樣點中，土壤Ⅰ類樣點數(shù)量為7個，Ⅱ類樣點數(shù)量為2個，Ⅲ類樣點數(shù)量為4個，Ⅳ類樣點數(shù)量為3個，Ⅴ類樣點數(shù)量為4個。為了進一步了解榆林市神樹畔井田礦區(qū)的土壤重金屬污染情況，研究將20個土壤采樣點擴大至624個，采用同樣的數(shù)據(jù)處理方法，得到該礦區(qū)土壤Ⅰ類樣點數(shù)量為56個，Ⅱ類樣點數(shù)量為71個，Ⅲ類樣點數(shù)量為85個，Ⅳ類樣點數(shù)量為212個，Ⅴ類樣點數(shù)量為200個。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，榆林市神樹畔井田礦區(qū)中、重污染率達到66%，重金屬污染較為嚴重，且重金屬污染以銅、鎘、鉛元素為主，說明該地區(qū)煤炭資源存在不合理開發(fā)的問題。煤炭礦物經(jīng)過開發(fā)、冶選后，在地下水、地表水、風力的作用下，重金屬元素已經(jīng)大量進入土壤，需要對煤礦開發(fā)方案以及重金屬污染治理方案進行調(diào)整。