金海紅，高彩霞，胡煜恒

（1.浙江泓一環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州市環(huán)境保護有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江省環(huán)境科學(xué)學(xué)會，浙江 杭州 310000）

近些年來，我國工業(yè)化發(fā)展的速度很快，城鎮(zhèn)化建設(shè)速度更是突飛猛進，雖然很大程度上促進了我國經(jīng)濟發(fā)展進程，但是也引發(fā)了很多問題，例如土壤重金屬污染問題。這些問題對于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展以及國民生活健康質(zhì)量都產(chǎn)生很大的負面影響。土壤重金屬污染的成因比較復(fù)雜、影響范圍也比較廣，因此很難科學(xué)有效地進行評價并且做出預(yù)警防治計劃。為了貫徹落實黨中央提出的綠色生態(tài)建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展理念，有關(guān)部門需要積極推廣使用先進的信息技術(shù)手段，憑借這些手段建立土壤重金屬污染評價體系和預(yù)警機制，全面保障我國土壤重金屬污染評價和治理工作的質(zhì)量。

1 相關(guān)理論概述

自從我國開展改革開放之后，市場經(jīng)濟發(fā)展迅速，但是隨之而來的是各種污染問題。為了保證經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，國家對于污染問題高度重視，制定了很多政策方針減輕污染問題的影響，進一步保證生存環(huán)境和發(fā)展環(huán)境的質(zhì)量。最開始人們對于環(huán)境污染的側(cè)重點在于水污染和空氣污染等方面，并沒有對土壤污染產(chǎn)生足夠的重視，這主要是由于土壤污染產(chǎn)生的影響比較隱蔽，而且時間比較長，因此人們很難在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)土壤污染的嚴重危害[1]。但是隨著國民環(huán)保意識的提升，有關(guān)部門和社會大眾對土壤污染的重視程度也在不斷提高，尤其是對土壤重金屬污染情況保持高度重視。土壤的重金屬污染物在土壤中移動性比較差，而且很難通過微生物作用降解，因此在土壤中存留時間比較長，也可以通過植物和水源進入到人體內(nèi)，嚴重影響人們的身體健康，尤其是土壤重金屬污染物中包含的Hg、Cr、Cd、Pb、As等物質(zhì)都具備很強的毒性，一旦進入人體內(nèi)會產(chǎn)生很大的危害[2]。例如，20世紀60年代在日本發(fā)生的“骨痛病”就是因為當?shù)鼐用袷秤昧耸艿紺d污染的土壤上生長的稻米所致，當時富山縣出現(xiàn)了很多身患骨痛病的患者，后經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)致病原因就是土壤重金屬污染，由此可見土壤重金屬污染負面影響力之大[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多新的手段出現(xiàn)在人們的視野當中，例如3S技術(shù)。3S技術(shù)在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了很大的價值，尤其是GIS技術(shù)更是憑借技術(shù)優(yōu)勢在土壤質(zhì)量檢測以及研究時空演變規(guī)律方面取得了比較大的進展[4]。工作人員利用GIS技術(shù)可以擺脫傳統(tǒng)土壤重金屬污染評價方式存在的弊端，有效增強檢測模型的精準度。我國開展的生態(tài)系統(tǒng)重金屬分布規(guī)律與污染狀況的研究為之后土壤重金屬污染評價工作的開展奠定了堅實基礎(chǔ)。所謂的GIS就是地理信息系統(tǒng)的簡稱，這項技術(shù)在1960年左右出現(xiàn)，主要是利用信息技術(shù)優(yōu)勢對空間的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、處理，整合，借此為其他工作提供精準的數(shù)據(jù)來源[5]。從性能的角度分析，GIS技術(shù)具備強大的性能，并且可以憑借先進的空間分析功能和技術(shù)優(yōu)勢合理規(guī)劃環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，按照需求精準分析信息，生成能夠展示該地區(qū)環(huán)境狀況的地圖、圖表以及文字等信息。工作人員利用GIS技術(shù)可以有效收集當?shù)赝寥牢廴疚锏那闆r，進一步進行分析和研究，制定科學(xué)合理的土壤重金屬污染評級報告，方便有關(guān)部門根據(jù)報告采取措施，進一步提升環(huán)境治理的效率。

2 GIS在土壤重金屬污染評價中應(yīng)用的可行性分析

土壤重金屬污染受到很多因素的影響，與周邊環(huán)境之間也存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，很難對每一個因素進行界定，想要準確地利用定量化方式表達出土壤重金屬空間分布規(guī)律比較困難。如果將土壤樣本的平均值作為研究基礎(chǔ)分析該地區(qū)土壤重金屬的空間分布情況，對最終結(jié)果會產(chǎn)生一定的干擾，會影響到土壤污染治理方案的準確性。為此，利用GIS技術(shù)與土壤重金屬采樣數(shù)據(jù)相結(jié)合，根據(jù)其空間性和多元性的特點制成數(shù)據(jù)圖層，將其作為判斷土壤重金屬空間污染分布特征和周圍環(huán)境之間關(guān)系的證據(jù)，可以為土壤環(huán)境污染治理提供參考。

之所以利用GIS技術(shù)可以取得巨大的成就，是因為該技術(shù)在空間坐標信息以及采樣點周圍屬性信息調(diào)查方面具有極高的精準度。利用GIS技術(shù)的插值方法，將點源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為二維數(shù)據(jù)或者三維數(shù)據(jù)，憑借精準的測量數(shù)值以及GIS的空間分析功能，將土壤重金屬污染分布特征以及與周邊環(huán)境之間的關(guān)系通過定量化的方式展現(xiàn)出來，進一步增強其數(shù)據(jù)的可讀性。具體來說，需要從以下三個方面來描述GIS空間分析功能和土壤金屬化空間分布特征。一是利用GIS技術(shù)的優(yōu)勢來描繪土壤重金屬污染專題圖，然后利用技術(shù)手段解讀專題圖，進而分析出重金屬空間分布特征和周邊環(huán)境之間的關(guān)系，盡量采用定性和定量相結(jié)合的方式來表達相關(guān)規(guī)律。二是利用GIS技術(shù)的空間分析功能進一步分析土壤重金屬污染影響的范圍以及空間分布規(guī)律，側(cè)重于使用定量分析的手段。三是，利用GIS技術(shù)的二次開發(fā)功能，根據(jù)收集到的土壤重金屬污染數(shù)據(jù)生成分析功能模塊。利用這個模塊的功能對土壤重金屬污染情況進行進一步追蹤，并且提前做出預(yù)警，方便工作人員按照跟蹤數(shù)據(jù)制定方案。

3 土壤重金屬污染評價研究

我國實行的土壤重金屬污染評價標準是在1995年頒布的國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準的基礎(chǔ)上生成的，其中規(guī)定了8種重金屬以及兩種難降解農(nóng)藥對土壤環(huán)境的影響標準，包括Hg、Zn、Pb、As、Cr、Ni、Cu、Cd以及六六六和滴滴涕。工作人員對土壤環(huán)境污染的重要參考依據(jù)是土壤環(huán)境背景值，土壤環(huán)境背景值是指土壤在受到人類活動影響比較小的條件之下，自身化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征所呈現(xiàn)出的狀態(tài)，這種狀態(tài)是判斷土壤是否遭受污染的重要依據(jù)。工作人員判斷土壤重金屬污染主要采用以下幾種方法，包括內(nèi)梅羅指數(shù)法，地累積指數(shù)法，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法等。

3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法也分為單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法。單因子指數(shù)法是指針對某一個地區(qū)的土壤重金屬元素污染情況進行分析和研究，根據(jù)單一重金屬元素的污染程度來判斷整個地區(qū)土壤重金屬污染程度。比較常用的公式為Pi=Ci/Si。這個公式中P代表的是單一重金屬元素的污染指數(shù)，C代表的是單一重金屬元素的實際含量，S表示的是單一重金屬元素在本地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的標準值?？紤]到土壤環(huán)境質(zhì)量標準值中并沒有去除土壤自然背景值的因素，不能排除外來干擾，因此需要對公式進行修正，修改為Pi=（Ci-bi）/（Si-bi）。修改之后的公式，增加了土壤自然背景值的數(shù)據(jù)。根據(jù)公式計算出的單因子污染指數(shù)，對其按照如下標準進行分級，若P≥1即為非污染，若1＜P≤2即為輕污染，若2＜P≤3即為中污染，P>3則為重污染。綜合指數(shù)法與單因子指數(shù)法最大的區(qū)別就是從一個重金屬元素標準變成了多個重金屬元素標準。通過多種重金屬元素產(chǎn)生影響分析結(jié)果對本地區(qū)土壤污染情況進行評價。采用的公式如下所示：

其中P綜是指多個重金屬元素產(chǎn)生的綜合污染指數(shù)，P平均是指多個土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)的平均值，P最大是指多個重金屬元素單因子污染指數(shù)的最大值。根據(jù)公式計算結(jié)果，對土壤污染情況進行評價的標準是綜合污染指數(shù)大于0.7即為清潔；若大于0.7小于1表示為尚清潔；若大于1小于或等于2為輕污染；若大于2小于或等于3為中污染；若大于3為重污染。

3.2 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法可以反映出土壤重金屬含量的空間分布特征以及人類活動對土壤重金屬含量產(chǎn)生的影響。具體公式如下：

C是土壤重金屬元素的實測含量，B是本地區(qū)土壤背景值的數(shù)值，K是能夠引起土壤背景值變化的因素。經(jīng)過以上公式分析得到的數(shù)值，按照如下標準進行分級：若最終得到的數(shù)值小于或等于0則表示地區(qū)土壤環(huán)境無累積污染；若最終得到的數(shù)值大于0小于或等于1則表示該地區(qū)土壤環(huán)境污染程度從無到中；若最終得到的數(shù)值大于1小于或等于2則該地區(qū)土壤環(huán)境為中等累積污染；若最終的數(shù)值大于2小于等于3則該地區(qū)土壤環(huán)境污染從中到強；若最終得到的數(shù)值大于3小于或等于4則該地區(qū)土壤環(huán)境污染程度較強；若最終得到的數(shù)值大于4小于或等于5則該地區(qū)土壤環(huán)境污染從強到極強；若最終得到的數(shù)值大于5則該地區(qū)土壤環(huán)境污染程度為極強。

3.3 污染負荷指數(shù)法

污染負荷法是指針對某個地區(qū)土壤重金屬綜合污染程度進行評價的方式。其公式為：

根據(jù)該公式得到的數(shù)值按照以下標準進行評級。若最終得到的數(shù)值小于或等于1表示該地區(qū)無污染；若最終得到的數(shù)值大于1小于等于2表示該地區(qū)為中等污染；若最終得到的數(shù)值大于2小于或等于3表示該地區(qū)為強污染；若最終得到的數(shù)值大于3表示該地區(qū)為極強污染。

3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是綜合生物學(xué)知識、毒理學(xué)知識、環(huán)境學(xué)知識、化學(xué)知識等多個學(xué)科知識內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上采用定量分析的方法對該地區(qū)土壤重金屬污染情況進行等級劃分。但是這種方法存在一定的主觀性，尤其是在毒性和加權(quán)評價方面。這種方式涉及的公式如下所示：

根據(jù)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，從毒性大小來看As＞Cu＝Ni＝Pb＞Cr＞Zn，因此，各種重金屬污染元素潛在的生態(tài)危害系數(shù)規(guī)律為As＞Cu＝Ni＝Pb＞Cr＞Zn。

4 GIS在土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用

4.1 利用GIS技術(shù)制作污染評價專題圖

GIS技術(shù)最大的優(yōu)勢就在于制圖，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)信息繪制成等值線圖，然后利用圖形以及空間分析功能對地區(qū)土壤重金屬污染情況進行評價。通過這樣的方式反映出該地區(qū)土壤重金屬污染的情況，幫助工作人員進一步了解該地區(qū)土壤重金屬污染的空間分布特征以及與周邊環(huán)境之間的關(guān)系。在土壤重金屬污染分布圖的基礎(chǔ)上，添加土壤重金屬污染指數(shù)與交通日平均數(shù)據(jù)的詳細內(nèi)容以此生成三維立體圖，方便工作人員更加直觀詳細地了解污染指數(shù)的變化情況。也有相關(guān)的專家學(xué)者會利用地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖、耕地分布圖等各種數(shù)據(jù)共同制作土壤重金屬綜合污染評價圖以及土壤重金屬空間分布污染圖等，結(jié)合所有數(shù)據(jù)評估該地區(qū)土壤的環(huán)境容量。

除了利用GIS技術(shù)制作污染專題圖之外，一些專家學(xué)者也會利用這項技術(shù)將生成的專題圖和其他地理圖進行對比，以此來揭示土壤重金屬污染空間分布情況與周邊環(huán)境之間的潛在關(guān)系，例如土壤重金屬污染物含量與土地利用類型之間的關(guān)系以及土壤重金屬污染物含量和工廠、汽車尾氣之間的關(guān)系。通過對比可以發(fā)現(xiàn)在主干道交通路口或者工業(yè)區(qū)附近，土壤重金屬污染物含量比較高，因此這些地區(qū)的重金屬污染程度也比較嚴重。

4.2 利用GIS技術(shù)分析重金屬污染空間

一般情況下是將土壤重金屬空間分布特征圖與該地區(qū)的成土母質(zhì)圖進行對比，經(jīng)過對比分析該地區(qū)土壤重金屬空間分布特征和該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境、大氣成分以及人類活動等各種因素之間的關(guān)系，從而為土壤重金屬污染評價研究提供參考，并且在分析和研究的基礎(chǔ)上制定土壤重金屬污染的治理方案。其原理是利用GIS的疊加分析功能，將重金屬污染物的數(shù)據(jù)和該地區(qū)環(huán)境背景數(shù)據(jù)進行疊加，從而生成新的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)來表示土壤重金屬污染程度和自然要素以及人文要素之間的關(guān)聯(lián)性。另外也可以將該地區(qū)土壤中各種重金屬元素的空間分布特征和周邊的土地利用類型以及地表設(shè)施數(shù)據(jù)進行疊加，進而分析出該地區(qū)重金屬元素空間分布與自然因素、人文因素之間的關(guān)系。由此可見，GIS技術(shù)的應(yīng)用并不僅僅是將數(shù)據(jù)和圖層進行簡單對比或疊加，而是綜合所有數(shù)據(jù)生成一個包含多種要素屬性的新圖層。通過這樣的方式豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容，方便工作人員更清楚準確的了解各個要素之間的關(guān)系。

一般來說重金屬污染物主要是來源于工廠以及垃圾填埋站或是道路河流產(chǎn)生的污染源。利用 GIS技術(shù)將這些污染物的源頭聯(lián)系起來，在其周圍建立緩沖區(qū)域，可以更有效地揭示重金屬污染物與周邊環(huán)境之間存在的關(guān)系。經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)以工廠為中心向周圍輻射，距離越遠土壤重金屬污染物的含量就越低。根據(jù)這個原理可以利用土壤重金屬污染物的擴散特性來幫助有關(guān)部門開展垃圾填埋場的選址與設(shè)計工作。

4.3 利用GIS技術(shù)開展實驗數(shù)據(jù)管理以及二次功能的開發(fā)工作

針對土壤重金屬污染評價的研究，如果數(shù)據(jù)分析量比較小可以采用傳統(tǒng)的軟件進行管理。但是涉及大區(qū)域或者是時間比較長的污染評價研究工作就需要建立專題數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)據(jù)庫中地區(qū)空間數(shù)據(jù)以及采樣點檢測數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)等信息，綜合分析當?shù)赝寥乐亟饘傥廴厩闆r，根據(jù)土壤重金屬污染情況開展相關(guān)的治理工作。如果現(xiàn)有的軟件功能模塊不能滿足工作需求的話，需要對其進行二次開發(fā)，例如在現(xiàn)有GIS平臺功能模塊的基礎(chǔ)上建立土壤質(zhì)量預(yù)警模塊以及土壤重金屬超標年限預(yù)測模塊等，借此完善土壤重金屬污染評價的預(yù)警機制。另外部分學(xué)者也在GIS技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合多智能體技術(shù)，完善了土壤重金屬污染評價以及安全預(yù)警機制。通過完善機制確保土壤重金屬污染數(shù)據(jù)分析的可視化管理，并且根據(jù)管理情況對該地區(qū)進行治理。在發(fā)展GIS技術(shù)的基礎(chǔ)上強化其在土壤重金屬污染方面應(yīng)用范圍，提升土壤治理效果，進一步保證我國工農(nóng)業(yè)發(fā)展進程。

5 結(jié)語

綜上所述，GIS技術(shù)憑借其優(yōu)越的技術(shù)性能，在土壤重金屬污染評價工作中發(fā)揮了重要的價值。工作人員利用這項技術(shù)可以全面分析土壤重金屬污染物的種類和含量，進而了解土壤重金屬污染物空間分布特征與周邊環(huán)境之間的關(guān)系，根據(jù)分析的結(jié)果建立預(yù)警機制，并且對當?shù)赝寥乐亟饘傥廴厩闆r進行治理。憑借GIS強大的空間分析功能以及數(shù)據(jù)處理功能可以有效提升重金屬污染評價和預(yù)警的工作效率，大幅度改善我國土壤重金屬污染治理的工作效果，貫徹落實生態(tài)環(huán)保建設(shè)以及可持續(xù)發(fā)展的理念，保證我國市場經(jīng)濟發(fā)展的持續(xù)性和穩(wěn)定性，為新時期社會主義市場經(jīng)濟建設(shè)奠定堅實的基礎(chǔ)。雖然現(xiàn)在GIS技術(shù)在土壤重金屬污染評價方面還沒有完全普及，但是隨著時代的發(fā)展，這項技術(shù)將會得到完善和發(fā)展，為國家土壤污染治理工作貢獻出更大的力量，全面改善我國環(huán)境保護工作的效果，提升環(huán)保意識。