李 培，馬金培，孫思遠，苗 濤

（交大環(huán)境保護研究院（江蘇）有限公司，江蘇·淮安 223200）

土壤是人類賴以生存的最基本的自然資源之一。近年來，伴隨著國民經濟的快速發(fā)展，工業(yè)生產中“三廢”的排放量不斷增加，工業(yè)生產中大量使用的化學品使得土壤受到不同層次的污染。土壤中的重金屬和有機物會導致地表水、土壤以及大氣遭到污染，大大影響了人類的健康和生存環(huán)境[1-5]。對土壤中的重金屬和有機物污染進行綜合評價，不僅可以反映出經濟、技術的發(fā)展對土壤質量、工業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境乃至人類健康的影響，也為土地的可持續(xù)利用提供理論依據。因此，研究土壤綜合污染評價具有重要意義。

現今流行的簡單對比法只考慮了最突出的因素，其它因素的作用被弱化，僅適用于個別參評污染元素超標過大，嚴重影響土壤環(huán)境質量，實現評價體系單因素否決的目標。而在現行的土壤綜合污染評價方法中，主要是對土壤重金屬綜合污染指數評價法。該評價方法用比較明確的界線對土壤重金屬污染程度加以區(qū)分和量化，但土壤污染還包括了有機物污染，且實際上土壤的污染狀況是漸變、模糊的[6-7]。模糊數學方法可以通過隸屬度描述土壤污染狀況的漸變性和模糊性，使評價結果更加準確可靠，該方法已在土壤環(huán)境質量的評價中得到了一定的應用[8]。同時，通過構造權重函數模型[9]，可以有效耦合重金屬和有機物污染對土壤污染的貢獻，綜合評價土壤環(huán)境質量[10]。因此，本文提出基于重金屬和有機污染物因子的土壤污染綜合評價改進體系。

1 改進體系的理論模型及方法

德爾菲法[11]可通過專家調查，分析重金屬及有機物污染的權重；雙權重法[12]可綜合考慮污染物濃度及毒性的特點對污染進行評價。針對簡單對比法僅考慮最突出的因素的不足，本文提出的改進體系利用德爾菲法和雙權重法相結合的方法來計算各個污染物的權重，建立加權平均型模型，并通過對各等級的分值進行加權平均，得到評價分值，可更全面、更直觀地評價污染狀況。

1.1 選取典型污染物及評價標準

影響土壤環(huán)境質量的因素主要包括重金屬和有機物兩大類。選取土壤中常見的污染物包括6種重金屬（砷、鎘、六價鉻、銅、汞、鎳）、6種有機物（四氯化碳、氯仿、1,2-二氯丙烷、四氯乙烯、苯、萘）作為參評因子。評價標準選用最新國標《土壤環(huán)境質量：建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600-2018），其將土壤質量分為三類（表1）。

表1 建設用地土壤污染風險篩選值和管制值Table 1 Soil pollution risk screening value and control value of construction land

確定兩層評價因素集X=（X1，X2）=（重金屬，有機物）；X1=（x11，x12，x13，x14，x15，x16）=（砷、鎘、六價鉻、銅、汞、鎳）；X2=（x21，x22，x23，x24，x25，x26）=（四氯化碳、氯仿、1,2-二氯丙烷、四氯乙烯、苯、萘）。

1.2 構建隸屬度模型與單因素模糊矩陣

根據評價集合V，建立各個評級的隸屬函數，確定各評價因子的相應隸屬度，并以隸屬度描述土壤污染狀況模糊界線。隸屬度函數的形式主要包括分段線性函數和非線性函數兩種。其中分段性函數中的對稱三角形隸屬度函數因表達簡潔、物理意義清晰的特點，而被廣泛應用[9]。依據《土壤環(huán)境質量：建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600-2018），構造某種污染物xi隸屬函數l(x)。

某污染物對一級土壤環(huán)境質量的隸屬度函數：

某污染物對二級土壤環(huán)境質量的隸屬度函數：

某污染物對三級土壤環(huán)境質量的隸屬度函數：

式中：xi為該污染物在土壤中的實測值；ai，bi，ci分別為該污染物對應的一級、二級、三級土壤環(huán)境質量標準的限值。

取U為污染物評價因素的集合，V為評價等級的集合。即U{重金屬（砷，鎘，六價鉻，銅，汞，鎳），有機物（四氯化碳，氯仿，1,2-二氯丙烷，四氯乙烯，苯，萘）}，V{一級、二級、三級}。通過各污染物指標隸屬度函數，計算各單項指標對土壤環(huán)境質量級別的隸屬度，并組成關系模糊矩陣R。

其中rij表示污染物xi對評價等級vj的隸屬度。一個被評價對象（樣品）在某個污染物xi方面的表現是通過模糊矢量ri來刻畫的，ri稱為單污染物評價矢量，即可看作是污染物集X和評價集V之間的一種模糊關系。

1.3 改進評價因子權重

由于因素集中的各個污染物對土壤環(huán)境質量的評價影響大小是不同的，為了反映各個因素的重要性，對每個因素分配一定的權重。計算權重的方法很多。在評價土壤污染中，一般采用可以反映各種污染物相對含量大小的加權法。該計算權重的方法在一定程度上可以量化污染超標的輕重程度對因子權重的影響。然而，該方法忽略了污染物的毒性和污染物種類對不同用地類型的影響。因此，本文將德爾菲法和雙權重法相結合，計算各個污染物的權重。

（1）第一級：德爾菲法（Delphi），即根據用地規(guī)劃類型，分析污染物危害，通過專家調查，分別確定重金屬和有機物污染物權重，并進行歸一化處理；

（2）第二級：權重法，計算公式如下：

Sij代表《土壤環(huán)境質量：建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》中的標準限值。因標準中將土壤分為三個等級，m為對應等級個數。

1.4 構建綜合評價改進體系模型

常用于模糊綜合評價的模型很多，如單因素決定模型、主動因素突出模型、加權平均模型和幾何平均模型等。這些模型又可以大致分為兩類：一是突出單個因素作用的模型或稱為主導因素突出模型；二是體現各個評價因子的綜合作用模型。本文選用加權平均型模型，將前文計算得出的各污染物的權重進行加權計算，如公式所示：

式中：bj為最終評價結果對應于第j個等級的隸屬度，wi為對應的權重，rij為模糊關系矩陣R中的對應元素，n為參評的污染物個數，m為所劃分的等級數。類似的計算得到單個樣品土壤環(huán)境質量評價向量B=（b1，b2…bm）。該模型計算結果已歸一化，所以該集合中的最大值所對應的級別即為最終評價結果。

另外，為了更充分的利用綜合評價帶來的較多的信息，可將評價向量的分量作為權重，通過確定各等級對應的分值，對各等級的分值進行加權平均，得到評價分值。通過此方法，評價對象間的可比性更強，更直觀。評價分值的計算公式如下：

式中：βj是通過評價向量B構造的新的一組權重，pj是構造出的對應于第j級土壤環(huán)境質量水平的分值，P為最終得分。

2 案例分析

2.1 項目背景

以江蘇省淮安市某化工場地環(huán)境初步調查的土壤監(jiān)測數據為研究實例，對上述方法進行驗證。該地塊面積70hm2，原為農用地。地區(qū)地層6m以上多為粉質黏土、黏土和淤泥質粉質黏土，導水性較低。主要污染類型為工業(yè)廢棄物。采樣時間為2020年7月，采用專業(yè)布點法，采樣深度為5～6m。采樣點污染物實測數據見表2及表3。

表2 樣品重金屬檢出值Table 2 Characteristics of heavy metal elements content in the study sample

表3 樣品有機物檢出值Table 3 Characteristics of organics elements content in the study sample

2.2 計算單因素模糊矩陣

按照前述的關系模糊矩陣構建的數學模型，依據各樣品實測值和評價標準值，建立各污染物對應于土壤環(huán)境質量等級的隸屬度函數，計算出關系模糊矩陣。以1號樣品為例，經計算得出重金屬和有機物關系模糊矩陣RH和RO分別為：

2.3 計算權重

依照前述相關公式，分別計算采樣點各個污染物參評因子的權重。該調查地塊將被用為工業(yè)用地，有機物的揮發(fā)性為受體的主要危害，因此重金屬和有機物的權重可分別定為0.4和0.6。如1號采樣點經計算后所得的權重如表4所示。

表4 污染因子權重Table 4 Weight values of pollutants

2.4 計算多指標權重矢量與綜合評價

評價向量的計算：計算各采樣點的關系模糊矩陣和權重模糊矩陣。通過加權平均型模型，如式（6）所示。對評價結果進行歸一化處理，得到各采樣點的評價結果向量見表5。

表5 綜合評價法土壤環(huán)境質量評價結果Table 5 Soil environmental quality assessment results

評價分值的計算：根據土壤環(huán)境質量各級別的控制意義，取土壤環(huán)境質量一級水平分值為100，二級水平的分值為80，三級水平的分值為60。

2.5 結果分析與對比

簡單對比法評價是指各個采樣點的土壤污染指標中的最低等級，作為該樣品的土壤環(huán)境質量等級。例如，1號樣品中的檢出指標四氯乙烯檢出值為208mg/kg（見表3），參考表1的土壤質量標準，四氯乙烯的評價結果為3類，因此1號樣品的土壤環(huán)境質量標準評價等級為第三級。按照簡單對比法評價可以評價出各個采樣點的土壤綜合環(huán)境質量級別（表6）。

表6 簡單對比法土壤環(huán)境質量評價結果Table 6 Soil environmental quality assessment results

將簡單對比法結果與綜合評價法結果進行對比，評價等級對比結果如圖1所示、分值對比結果如圖2所示。

分析圖1中的計算結果：采用兩種不同的評價方法，生成的對應于各土壤環(huán)境質量級別接近但部分存在不同。對于采樣點1，由于四氯乙烯的檢出濃度較高而導致通過簡單對比法的評價等級為三級，而綜合評價體系綜合考慮各污染因子的影響，其評價結果為二級。同樣情況也出現在2號采樣點。產生差異的原因主要是由于兩種評價體系代表了不同的評價目的。簡單對比法，實際上只考慮了最突出的因素，其它因素的作用被弱化。在實例分析中，體現了相對濃度較高、污染狀況較嚴重的評價因子對最終評價結果的影響。相較而言，綜合評價體系則充分考慮了每個污染因子對最終評價的影響，并把各污染指標的貢獻按照權重進行分配，評價結果是各個污染指標綜合作用的結果。因此可以看出使用綜合評價體系評價的土壤環(huán)境質量要優(yōu)于簡單對比法。

圖1 評價結果對比圖Fig.1 Evaluation grade comparison result

分析圖2中的計算結果：對于同一采樣點，基于簡單對比法的評價分值要低于基于綜合評價體系的評價分值，但不同采樣點兩個分值存在較大差異。例如，1、2號采樣點就是由于各參評污染因子的相對土壤質量標準的濃度差別較大（四氯乙烯的濃度較大）而導致基于兩種評價模型的評價分值差別較大；而4和5號采樣點的各參評污染因子的相對含量較平均，因此兩評價分值差別較小，且評價等級均為一級。這也主要是由于兩個評價模型的不同評價出發(fā)點造成的。如果采用點各評價指標的相對濃度比較平均，則兩種評價體系的評價結果相似；反之則兩者的評價結果相差較大。

圖2 分值結果對比圖Fig.2 Score comparison result

3 總結與結論

本文介紹的基于模糊集理論的土壤污染綜合評價改進體系，綜合考慮了重金屬污染物和有機污染物對土壤環(huán)境質量評級的影響。相對于簡單對比法，綜合評價體系主要適用于各個參評因素超標情況接近，即不會因單因素超標而否決樣品結果，且體現不同參評因子對土壤環(huán)境質量的綜合影響。在工程應用中，應根據污染物指標的檢出濃度和評價目的選擇合適的評價體系，滿足項目要求。