邵禹豪　薛順奎

摘? 要：隨著城市化進(jìn)程加快，城市用地面積不斷增加，功能區(qū)種類繁多，重金屬污染日漸嚴(yán)重。本文首先通過構(gòu)造泰森多邊形劃分功能區(qū)，再使用反距離權(quán)重內(nèi)插法對(duì)8種重金屬元素進(jìn)行空間內(nèi)插，獲取重金屬空間分布狀況，隨后通過因子聚類分析各種重金屬之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行污染等級(jí)排序和評(píng)定。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬? 空間內(nèi)插? 因子聚類? 最小二乘法

中圖分類號(hào)：X53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）06（c）-0048-04

Abstract： With the acceleration of urbanization， urban land area is increasing， there are many kinds of functional areas， and heavy metal pollution is becoming more and more serious. In this paper， Tyson polygon is constructed to divide the functional area， and then the inverse distance weight interpolation method is used to spatially interpolate 8 kinds of heavy metal elements to obtain the spatial distribution of heavy metals， and the correlation between various heavy metals is analyzed by factor clustering， so as to sort and evaluate the pollution level.

Key Words： Soil heavy mental; Spatial interpolation; Factor clustering; Least square method

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，城市表層土壤重金屬污染日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)前，嚴(yán)飛、蘇維詞等人[1]采用累積指數(shù)法及鉛污染指數(shù)法分析城市街道土壤重金屬鉛污染范圍，胡明等人[2]采用單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)法研究農(nóng)田土壤重金屬分布特征與污染評(píng)價(jià)，汪婷等人[3]利用ArcGIS的地統(tǒng)計(jì)模塊分析土壤中重金屬元素污染的空間特征，并采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。王美艷等人[4]對(duì)天津市中心城區(qū)部分綠地4種土壤利用類型中的5種重金屬含量及土壤pH值進(jìn)行了測(cè)定分析。孟源思等人[5]綜述了國(guó)內(nèi)外常用于農(nóng)田土壤重金屬評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)指數(shù)模型及延伸的評(píng)價(jià)方法。本文基于GIS技術(shù)，對(duì)城市表層重金屬污染情況進(jìn)行評(píng)定和分析。通過對(duì)檢測(cè)點(diǎn)海拔、重金屬含量的檢測(cè)值進(jìn)行反距離內(nèi)插，得到重金屬污染分布情況，進(jìn)而通過構(gòu)建泰森多邊形進(jìn)行功能區(qū)劃分，得出城市重金屬污染情況并通過因子聚類探究各種重金屬污染之間的相關(guān)性。最后，本文通過建立擴(kuò)散方程，使用最小二乘法進(jìn)行擬合，求出污染源的分布坐標(biāo)。

1? 單因子污染空間插值

由地理學(xué)第一定律，地表地物具有自相關(guān)性，距離越近的空間重金屬含量越相近，因此本文使用與測(cè)量點(diǎn)距離平方的倒數(shù)作為權(quán)重進(jìn)行擬合。根據(jù)站點(diǎn)所處的功能區(qū)類型，通過構(gòu)建泰森多邊形，劃分功能區(qū)范圍，并對(duì)同一功能區(qū)進(jìn)行合并，得到劃分好的功能區(qū)，詳見圖1。

1.1 空間插值

由于各種重金屬在各個(gè)區(qū)域的濃度都不同，所以對(duì)不同區(qū)域的影響程度也不同[8]，根據(jù)題中所給采樣點(diǎn)的坐標(biāo)和各重金屬的濃度，對(duì)數(shù)據(jù)使用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間內(nèi)插。與點(diǎn)距離為d的觀察點(diǎn)的擬合權(quán)重為ω，對(duì)應(yīng)的擬合值為。

1.2 插值結(jié)果分析

通過反距離權(quán)重法對(duì)8種重金屬進(jìn)行空間內(nèi)插，得到8種重金屬元素的插值結(jié)果，如圖2所示。

根據(jù)圖2（a），Ar元素的5個(gè)含量較高的位置均位于海拔高度為40m處山體的東南處，在海拔高于80m以上幾處，Ar元素的含量相對(duì)較低。根據(jù)圖2（b），Cd元素的含量較高的位置分布較為零散，且多分布于海拔40～60m之間地帶。在海拔高于80m以上幾處，Cd元素的含量相對(duì)較低。根據(jù)圖2（c），Cr（鉻）元素集中分布于西南側(cè)，在其余地區(qū)分布相對(duì)較少。根據(jù)圖2（d），Cu（銅）元素集中分布于西南側(cè)，在其余地區(qū)分布相對(duì)較少。根據(jù)圖2（e），Hg（汞）元素含量在3個(gè)生活區(qū)含量較高，其余地區(qū)含量較少。根據(jù)圖2（f），Ni（鎳）元素含量在西南側(cè)生活區(qū)較高，其余地區(qū)含量較少。根據(jù)圖2（g），Pb（鉛）元素含量在西南側(cè)生活區(qū)較高，其余地區(qū)含量較少。根據(jù)圖2（h），Zn（鋅）元素含量集中分布在幾個(gè)零散的點(diǎn)，其余地區(qū)含量較少。

2? 對(duì)重金屬污染程度的評(píng)定

根據(jù)內(nèi)插得到的各地區(qū)重金屬含量，通過計(jì)算內(nèi)梅羅指數(shù)[9]，對(duì)各地污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)定首先，分別求出各重金屬因子的指數(shù)，即超標(biāo)倍數(shù)。再分別對(duì)8種重金屬進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)，以重金屬含量實(shí)測(cè)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比除去量綱來計(jì)算污染指數(shù)：

其中，Pi為重金屬元素的污染指數(shù);Ci為重金屬含量實(shí)測(cè)值;Si為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，表1給出參考標(biāo)準(zhǔn)。

由式（2）計(jì)算得到每種重金屬含量的單因子污染指數(shù)，求出重金屬污染物單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值Pimax與單因子平均值，利用求得的Pimax、計(jì)算綜合污染指數(shù)。

用計(jì)算綜合污染指數(shù)，做出綜合污染指數(shù)分布圖。

如圖3所示，在中部山谷區(qū)、西南側(cè)生活區(qū)及南側(cè)生活區(qū)，綜合污染指數(shù)較高，在城市西北山區(qū)與西南地區(qū)，綜合污染指數(shù)較低。

由于不同的重金屬污染物質(zhì)對(duì)土壤的產(chǎn)生的影響程度有很大的差異，為了簡(jiǎn)化對(duì)8種重金屬物質(zhì)對(duì)土壤的影響的研究，采用最短距離法對(duì)這8種重金屬物質(zhì)進(jìn)行聚類，找出其中對(duì)土壤的作用相近的重金屬物質(zhì)，將8種重金屬物質(zhì)分為較少的類別，便于評(píng)定各地區(qū)污染狀狀況。

2.1 變量間距離的定義

在最短距離法中，定義兩類變量的距離為：

（4）

，這時(shí)兩類變量的距離R于樣本中相似性最大的2個(gè)變量間的相似性度量值有關(guān)[6]。根據(jù)最短距離聚類法將這8個(gè)重金屬污染因素分為三類按上述距離分為三類。

如圖4所示，聚類結(jié)果為As、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn為對(duì)土壤的毒性較相近的一類，Cu和Hg各單獨(dú)成一類。

2.2 聚類結(jié)果疊合分析

將As、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn進(jìn)行疊合得到綜合污染情況，并將疊合后的圖層與Cu、Hg內(nèi)插結(jié)果圖層進(jìn)行疊合，權(quán)重分別為6、1、1，用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)疊合后的圖層進(jìn)行分級(jí)。

通過對(duì)重金屬元素聚類后的分級(jí)結(jié)果知：西南側(cè)生活區(qū)綜合污染等級(jí)較高，部分零散分布的工業(yè)區(qū)污染也比較嚴(yán)重。整體上西部比東部污染狀況更嚴(yán)重。

結(jié)果中給出了不同地區(qū)的重金屬污染指數(shù)的情況。如圖5所示，工業(yè)區(qū)與山區(qū)具有較高的重金屬污染指數(shù)，公園綠地區(qū)具有較低的重金屬污染指數(shù)，可以判斷工業(yè)區(qū)與山區(qū)具有特殊的某些性質(zhì)導(dǎo)致重金屬污染指數(shù)較高，推測(cè)工業(yè)區(qū)與山區(qū)這樣具有較大重金屬污染指數(shù)的區(qū)域里含有某些污染源的存在。

3? 結(jié)語

通過對(duì)8種重金屬的進(jìn)行插值，得到其空間分布并分析其影響，發(fā)現(xiàn)各種金屬元素均對(duì)城市污染有一定影響，城市理應(yīng)根據(jù)不同重金屬的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行一定的治理。通過聚類分析發(fā)現(xiàn)了部分金屬污染之間存在一定的相關(guān)性，這對(duì)于重金屬污染的治理和溯源有指導(dǎo)意義。

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