第7讲土壤环境质量评价方法研究进展.ppt

土壤环境质量评价方法研究进展 第7讲 主要内容 土壤质量指标土壤环境质量评价标准土壤环境质量评价方法污染权重的确定土壤环境质量综合评价方法土壤环境质量评价实例 土壤质量指标 土壤质量 肥力质量 环境质量 健康质量 内涵 安全生产 土壤质量 保证最大生产力 最佳生物学质量 不引发二次环境污染 定义 土壤质量是指土壤肥力质量 土壤环境质量及土壤健康质量3方面的综合量度 既土壤在生态系统的范围内 维持生物的生产能力 保护环境质量及促进动植物健康的能力 土壤肥力质量是土壤提供植物养分和生产生物物质能力的 是保证粮食生产的根本 土壤环境质量是土壤容纳 吸收和降解各种环境污染物的能力 土壤健康质量是土壤影响或促进人类和动植物健康的能力 是土壤环境质量在人类和动植物体上的反应 土壤质量指标 描述性指标分析性指标 描述性指标 Harris等提供了以解释框图和访谈指南为基础 包括通用调查表 特定地点调查表 相关报告卡组成的一套较为完整的土壤质量评价信息收集工具 Romig等基于农民的土地评价方法中给出的Wisconsin土壤健康评分卡中 包括了24项土壤指标14项植物指标和3项动物指标及2项水环境指标 根据农民对这些指标的评分可以得到土壤的健康状况USDA NRCS设计的Maryland土壤质量评价手册将土壤动物 有机质颜色 根系和残留物 表土紧实性 土壤耕性 侵蚀状况 持水性 渗透性 作物长势 pH状况和保肥性分为差 中 好3个等级 对每个项目各个等级的特征有详细描述 在对这些项目等级评定的基础上得到土壤质量的定性状况 土壤质量指标 续 土壤质量评价中常用的指标介绍 土壤环境质量标准 土壤环境质量标准 土壤环境质量标准 GB15618 1995展览会用地土壤环境质量评价标准 暂行 HJ350 2007温室蔬菜产地环境质量评价标准 HJ333 2006食用农产品产地环境质量评价标准 HJ332 2006 土壤环境质量标准值mg kg 注 重金属 铬主要是三价 和砷均按元素量计 适用于阳离子交换量 5cmol kg的土壤 若 5cmol kg 其标准值为表内数值的半数 六六六为四种异构体总量 滴滴涕为四种衍生物总量 水旱轮作地的土壤环境质量标准 砷采用水田值 铬采用旱地值 标准分级 类为国家规定的自然保护区 集中式生活饮用水源地和其他保护地区土壤标准 旨在保护土壤环境质量基本保持自然背景水平 类为一般农田 蔬菜地 茶园 果园 牧场等土壤 土壤环境质量基本不对植物和环境造成危害和污染 类为林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿区附近的农田土壤 蔬菜地除外 标准制定的方法 一级标准 二级和三级标准 生态环境效应法 土壤背景值即地球化学法 国外经验 内容体系方法论上其它 保护土壤资源自身的 土壤自然质量指导值 标准 保护土壤生态和人体健康的 土壤环境和健康质量指导值 标准 类标准的制定上尽可能考虑不同土壤的母质和性质 基于区域内土壤的背景值 类标准的制定考虑人和生态受体对土壤污染物的取食摄入 皮肤接触和呼吸摄入等引起的直接暴露风险 环境介质 考虑了某些土壤污染物因侵蚀 地表径流或淋溶进入地表水体或地下水体 挥发性有机污染物进入地下水或室内空气 土壤污染物的迁移等带来的潜在风险 并进行量化表征 土地利用方式 考虑农业 居住区 工业和商业 饮用水水源地等 标准存在的问题与建议 一级标准的制定过分强调统一二级标准难以操作标准中铅的临界含量定值偏高标准中有机污染物种类过少重金属形态选用单一 一类标准建议采用当地背景值二类标准可以按照土类分类应降低土壤铅的标准值增加标准中污染物的种类各标准值应增加有效态加强土壤学研究尽快制定地方标准 问题 建议 土壤环境质量评价方法 土壤环境监测技术规范HJ T166 2004 评价因子 重金属及无机毒物有机毒物酸碱度总氮总磷 评价方法 污染指数 超标率 倍数 评价法内梅罗污染指数评价法背景值及标准偏差评价法综合污染指数法 污染指数 超标率 倍数 评价法 土壤单项污染指数 土壤污染物实测值 土壤污染物质量标准土壤污染累积指数 土壤污染物实测值 污染物背景值土壤污染物分担率 土壤某项污染指数 各项污染指数之和 100 土壤污染超标倍数 土壤某污染物实测值 某污染物质量标准 某污染物质量标准土壤污染样本超标率 土壤样本超标总数 监测样本总数 100 内梅罗污染指数评价法 内梅罗污染指数 PN PI均 2 PI最大 2 2 1 2污染等级分级 PN 0 7清洁 安全 0 7 PN 1 0尚清洁 警戒限 1 0 PN 2 0轻度污染 2 0 PN 3 0中度污染 PN 3 0重污染 背景值及标准偏差评价法 用区域土壤环境背景值 x 95 置信度的范围 x 2s 来评价 若土壤某元素监测值xI x 2s 则该元素缺乏或属于低背景土壤若土壤某元素监测值在x 2s 则该元素含量正常若土壤某元素监测值xI x 2s 则土壤已受该元素污染 或属于高背景土壤 综合污染指数法 综合污染指数 CPI 包含了土壤元素背景值 土壤元素标准尺度因素和价态效应综合影响 其表达式 CPI X 1 REP Y DDMB Z DDSB X Y分别为测量值超过标准值和背景值的数目 RPE 相对污染当量 DDMB 元素测定浓度偏离背景值的程度 DDSB 土壤标准偏离背景值的程度 Z为用作标准元素的数目 XYCPI评价000背景状态0 10 CPI 1未污染状态 表示偏离背景值相对程度 1 1 1污染状态 数值越大表示污染程度相对越严重 污染权重的确定 赋权方法 主观赋权法 客观赋权法 由专家根据经验进行主观判断而得到权数 然后再对指标进行综合评价 层次分析法功效系数法模糊评价法专家调查法 根据指标之间的相关关系或各项指标的变异系数来确定权数进行综合评价 因子分析法主成分分析法熵值法聚类分析法变异系数法灰色关联分析法 TOPSIS法神经网络分析法判别分析法 污染权重的确定方法 污染权重的确定方法 权重确定方法 以专家咨询值为判定依据的赋权方法 以因子标准值为判定依据的赋权方法 以因子实测值为判定依据的赋权方法 以因子实测值与标准值为双重判定依据的赋权方法 以专家咨询值为判定依据的赋权方法 Delphi法 德尔菲法 DelphiMethod 系以一系列问卷向各类专家征询意见 依据所有专家对原问卷的答复再拟定下一份问卷 再次向各类专家征询意见 直到大多数专家的意见看法趋于一致才获至结论 此法通常较适合作长期预测 层次分析法 AHP 是将决策总是有关的元素分解成目标 准则 方案等层次 在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法 这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质 影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上 利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化 从而为多目标 多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法 尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合 灰色关联法 是对于两个系统之间的因素 其随时间或不同对象而变化的关联性大小的量度 称为关联度 在系统发展过程中 若两个因素变化的趋势具有一致性 即同步变化程度较高 即可谓二者关联程度较高 反之 则较低 因此 灰色关联分析方法 是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度 亦即 灰色关联度 作为衡量因素间关联程度的一种方法 因此 灰色关联度分析对于一个系统发展变化态势提供了量化的度量 非常适合动态历程分析 以因子标准值为判定依据的赋权方法 阈值赋权法此法是根据环境质量标准中因子在各级别间的平均相对差值的大小来赋权的 标准差值越大 说明指标危害性较小 故权值也应较小 fi 1 m 1 Si j 1 Sij Wi 1 Si 1 Si 简单赋权法以某因子的标准值为Si 则相应的权重为 Wi 1 Si 1 Si m 1 j 1 n i 1 i 1 n 以因子实测值为判定依据的赋权方法 熵赋权法 在信息论中 熵是对不确定性的一种度量 信息量越大 不确定性就越小 熵也就越小 信息量越小 不确定性越大 熵也越大 根据熵的特性 可以通过计算熵值来判断一个事件的随机性及无序程度 也可以用熵值来判断某个指标的离散程度 指标的离散程度越大 该指标对综合评价的影响越大 主分量分析法 主成分分析也称主分量分析 旨在利用降维的思想 把多指标转化为少数几个综合指标 在统计学中 主成分分析 principalcomponentsanalysis PCA 是一种简化数据集的技术 它是一个线性变换 这个变换把数据变换到一个新的坐标系统中 使得任何数据投影的第一大方差在第一个坐标 称为第一主成分 上 第二大方差在第二个坐标 第二主成分 上 依次类推 主成分分析经常用减少数据集的维数 同时保持数据集的对方差贡献最大的特征 以因子实测值与标准值为双重判定依据的赋权方法 污染贡献率法Ii Ci SiWi Ii Ii i 1 2 n 污染分担率法Iij Cij Bi Siui IijWi ui ui统计概率法假定污染因子的实测值在时间和空间范围内的变化近似正态分布 然后按统计概率求的权重 m j 1 n i 1 土壤环境质量综合评价方法 模糊数学的方法 模糊综合评价的优点 土壤是一个复杂的多相有机 无机复合体 涉及到各种因素的相互作用 而且评价中存在大量的模糊现象和模糊概念 目前广泛使用的综合指数评价方法将这种模糊性用一种比较明确的界限加以区分 结论与实际情况存在一定差异 模糊综合评价法评价土壤环境质量状况 可以较好地克服这种不科学性 有效地解决评价标准边界模糊和监测误差对评价结果的影响 模糊综合评价的方法原理 建立因素集U u1 u2 un 即有n个评价指标确定评价 评语 集V v1 v2 vn 即代表评价等级 分类的集合建立隶属函数 构造模糊关系矩阵 确定模糊权重向量A a1 a2 an 模糊复合运算 模糊数学模型 突出单个决定因素作用的模型体现各个参评因素综合作用的模型 单因素决定模型 主导因素模型 加权平均模型 几何平均模型 权重的计算 Wi为第i因子的权重Si为W 0 134 0 141 0 152 0 118 0 040 0 109 0 131 0 175 单因素决定模型 加权平均模型 两种模型的出发点不同 单因素决定模型只考虑了最突出的因素 其它因素的作用被弱化 主要是体现了相对含量较高 污染状况较严重的评价因子对整个评价结果的影响加权平均模型充分考虑了每个因素对综合评价的贡献 并把贡献按权重进行分配 其评价结果是各个参评指标综合作用的产物 对模糊综合评价的改进 将污染物浓度和毒性级别指数加权叠加 作归一化处理 得到某污染组分的权重公式 土壤环境质量评价实例杭州市郊蔬菜基地土壤和蔬菜中Pb Zn和Cu含量的环境质量评价 研究区概况 杭州市属亚热带季风性气候 四季分明 温暖湿润 光照充足雨量充沛 杭州市区年平均气温为16 4 年光照时数为1752h 无霜期235d左右 年平均降雨量1439mm 年相对湿度为77 全年各季水 热差异大 杭州市地处钱塘江水系入海口 位于水网平原与滨海平原之间 地势平坦 海拔3 5m 境内地貌类别多样 江河纵横 湖泊密布 成土母质主要为河湖相或浅海相沉积物 本研究主要涉及杭州市的江干 下城 拱墅 西湖4个区 是杭州市的主要蔬菜基地 土壤样品的采集 土壤样品的分析 土壤中Pb Zn Cu 土壤中水溶性Pb Zn Cu 用HF HClO4 HNO3消化 原子吸收分光光度法 用15mL去离子水在室温下振荡2h后 离心30min 分离定容后上清液 用原子吸收分光光度计测定 评价方法 单因子指数法内梅罗综合污染指数法 评价标准 参考文献 1 谢正苗等 杭州市郊蔬菜基地土壤和蔬菜中Pb Zn和Cu含量的环境质量评价 J 环境科学 2006 27 4 742 747 2 郭岩等 汕头市典型区域土壤重金属污染特征及评价 J 环境科学 2007 28 5 1067 1074 3 朱青等 两种模糊数学模型在土壤重金属综合污染评价中的应用与比较 J 环境评价 2004 30 123 53 57 4 石晓翠等 模糊数学模型在土壤重金属污染评价中的应用 J 土壤通报 2006 37 2 332 337 5 窦磊等 针对土壤重金属污染评价的模糊数学模型的改进及应用 J 土壤通报 2007 38 1 101 104 6 武伟等 土壤养分的模糊综合评价 J 西南农业大学学报 2000 22 3 270 272 7 刘晓冰等 土壤质量及其评价指标 J 农业系统科学与综合研究 2002 18 2 109 112 8 张华 张甘霖 土壤质量指标和评价方法 J 土壤 2001 6 326 330 9 刘占峰等 土壤质量与土壤质量指标及其评价 J 生态学报 2006 26 3 901 910 10 蔡彦明等 我国土壤环境质量标准之探讨 J 农业环境科学学报 2006 25 增刊 403 406 11 袁建新 王云 我国 土壤环境质量标准 现存问题与建议 J 中国环境监测 2000 16 5 41 43 12 王国庆等 土壤环境质量指导值与标准研究 国际动态及中国的修订考虑 J 土壤学报 2005 42 4 666 672 13 何忠俊等 土壤环境质量标准研究现状及展望 J