系统项目工程决策分析土壤重金属污染分析

1、-PAGE . z.第 PAGE 2页，共 NUMPAGES 16页城市表层土壤重金属污染分析一、问题背景随着城市的发展，人类活动对城市环境质量的影响日显突出。土壤是自然环境系统中一个很重要的子系统，人类活动所产生的很多污染物，尤其是重金属，都是通过这个子系统进入食物链，最终危害到人体的健康，因此，对于土壤环境质量进行评价，确定重金属的污染来源，为土壤污染防治和管理提供科学依据，就变得极为重要。对城市土壤地质环境异常的查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价，研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式，日益成为人们关注的焦点。二、城区重金属的污染程度综合评价按照功能划分，城区

2、一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。2.1土样的采集、处理与分析 为此，将所考察的城区划分为间距1公里左右的网格子区域，按照每平方公里1个采样点对表层土（010 厘米深度）进行取样、编号，并用GPS记录采样点的位置（见图1）。 应用专门仪器测试分析，获得了每个样本所含的多种化学元素的浓度数据。另一方面，按照2公里的间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样，将其作为该 图1城区采样点位置城区表层土壤中元素的背景值。 2.2土样重金属浓度的空间分布根据所得到的样本数据，可以画出8种重金属浓度的空间分布图，来对城市的土壤地质环境质量进行初

3、步认识。通过matlab软件，利用griddata（），contourf（）函数，可以画出各重金属二维等浓度空间分布图。参照右边的颜色条，坐标点对应颜色条的数值越高表示该点金属浓度越高。2.3重金属污染程度和风险评估方法土壤污染评价是土壤环境质量现状评价的核心部分，主要包括单项（单因子）污染评价和多项（多因子）污染综合评价12.3.1单项污染分级指数法 污染分级标准参考省地质调查院东北平原经济区区域环境地球化学调查与评价项目报告，以测区土壤地球化学背景为基础，借鉴国家土壤环境质量标准，确定污染分级标准。以测区背景平均值为重金属元素累积起始值（*a），测区背景上限为污染起始值（*c），国家土壤环

4、境质量标准的二类标准作为轻度污染起始值（*n），土壤环境质量标准的三类标准作为重污染起始值（*p）（表1）。表1污染分级标准元素积累起始值污染起始值轻污染起始值重污染起始值As (g/g)3.65.42530Cd (ng/g)1301903001000Cr (g/g)3149300400Cu (g/g)13.220.4100400Hg (ng/g)35515001500Ni (g/g)12.319.950200Pb (g/g)3143300500Zn (g/g)6997250500 污染分级指数是指*一污染物影响下的环境污染指数，可以反映出各污染物的污染程度。根据公式（1）计算出的单项污染分级

5、指数，对单项污染程度进行分级。Ci*a时，PiCi *a*aCi*c时,Pi1（Ci*a）（*c*a）*cCi*n时，Pi2（Ci*c）（*n*c）（1）*nCi*p时，Pi3（Ci*n）（*p*n）Ci*p时，Pi4（Ci*p）（*p*n）式中，Pi为污染分级指数，Ci为土壤中污染物i的实测浓度值，*a为累积起始值，*c为污染起始值，*n为轻污染起始值，*p为重污染起始值。土壤单项污染指数评价标准见表3。表3 土壤单项污染指数评价标准分级指数 质量等级分级指数 质量等级分级指数 质量等级Pi1清洁2Pi3轻污染Pi4重污染1Pi2潜在污染3Pi4重度污染注：参考东北平原经济区区域环境地球化学

6、调查与评价项目报告。2.3.2梅罗综合污染指数法 单项污染分级指数法评价土壤重金属污染状况，只能分别了解每种重金属在市表层土壤的污染状况。梅罗综合指数法评价土壤重金属污染状况则可以了解这4 种重金属在表层土壤的综合污染状况。为了突出环境要素中浓度最大的污染物对环境质量的影响，采用梅罗综合污染指数法对研究区土壤重金属污染进行综合评价2，计算公式为：P 综（Pima*2Piave2） 2(12) （2）式中，P 综为梅罗综合污染指数，Pi为单项污染分级指数，计算公式见公式（1），Pima*为所有元素污染指数最大值，Piave为所有元素污染指数平均值。梅罗综合污染指数反映了各种污染物对土壤的作用，同

7、时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，可按梅罗综合污染指数划定污染等级，其中土壤污染评价标准见表4。表4 土壤梅罗综合污染指数评价标准3等级梅罗综合污染指数污染等级IIIIIIIVVP综0.7清洁0.7P综=1.0警戒线1.0P综=2.0轻度污染2.0P综3重污染2.4各功能区土壤重金属污染评价评价方法采用单项污染指数法和梅罗综合污染指数法。梅罗综合污染指数全面反映了各污染物对土壤污染的不同程度，同时又突出高浓度对土壤环境质量的影响，因此用来评定和划分土壤质量等级更为客观。由于数据多，可以通过画图来直观看到土壤重金属污染程度。以采样点的平面坐标为基础，以单项污染指数为Z坐标，可得到8种重金

8、属分别对整个城区的污染情况。 我们看到重金属元素污染情况，在空间上有从东北向西南上升的趋势，主要是因为在地理上东北方向海拔高为山区，污染少。在西南方向，海拔低，为平原，人类活动多，污染相对严重。为了确定该城区不同区域重金属的污染程度，单看单项污染指数是不行的。由此，我们在单项污染指数计算出该城区的梅罗综合污染指数，得到图2。将图二与图一对比着看可以看到整体的重金属元素污染也是在空间上有从东北向西南上升的趋势。且在工业区污染最严重，交通区、生活区次之，再是公园绿地区，最好的是山区。图二 重金属整体污染指数 图一 城区各功能区采样图 另外，我们对各功能区的各个采样点的梅罗综合污染指数进行了统计，归

9、类得到表5.表5 各功能区的梅罗综合污染指数情况生活区工业区山区交通区公园绿地区清洁/个00200警戒线/个10511轻度污染/个114402612重度污染/个2624197617重污染/个680355总计44366613835进行归一化处理，且各污染等级的权重W(0.7,1,2,3,5) 。生活区工业区山区交通区公园绿地区清洁/个000.0300警戒线/个0.0200.080.010.03轻度污染/个0.250.110.610.190.34重度污染/个0.590.670.290.550.49重污染/个0.140.2200.250.14得分2.983.332.173.302.89我们认为表格最

10、后一行代表着各功能区整体污染状况。得分越高，说明该功能区被污染的越严重，只有少部分土壤是良好的，大部分都被严重污染了。从表中我们得出工业区污染交通区生活区公园绿地区山区。这一结论与之前从图中对比着看出来的结论是一致的。三、重金属的污染来源分析3.1 Pearson相关性分析为调查重金属之间的在联系，对各功能区土壤表层中的8种重金属浓度进行了Pearson 相关性分析，结果见表4。表4 各功能区土壤表层中重金属浓度的Pearson相关系数 生活区 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn As 1 0.381 0.238 0.531 0.293 0.605 0.45 -0.017 Cd 1

11、 0.349 0.499 0.397 0.283 0.802 0.346Cr 1 0.376 0.15 0.527 0.416 0.412Cu 1 0.198 0.434 0.502 0.238Hg 1 0.211 0.34 0.242 Ni 1 0.300 0.334 Pb 1 0.328Zn 1工业区 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn As 1 0.329 0.38 0.153 0.181 0.69 0.395 0.518Cd 1 0.541 0.566 0.533 0.489 0.829 0.754 Cr 1 0.92 0.902 0.698 0.675 0.695 Cu

12、1 0.983 0.503 0.67 0.622 Hg 1 0.479 0.612 0.59 Ni 1 0.578 0.634 Pb 1 0.739Zn 1山区 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn As 1 -0.291 0.113 0.527 0.075 0.078 -0.205 -0.176Cd 1 0.066 0.09 0.246 0.049 0.766 0.606 Cr 1 0.364 -0.006 0.945 0.107 0.627 Cu 1 0.505 0.358 0.122 0.252Hg 1 -0.045 0.226 0.17 Ni 1 0.028 0.629 Pb

13、 1 0.59Zn 1交通区 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn As 1 0.121 0.139 0.092 -0.004 0.228 0.06 0.188 Cd 1 0.373 0.424 0.211 0.351 0.615 0.294Cr 1 0.894 0.012 0.869 0.428 0.395 Cu 1 0.032 0.886 0.506 0.432Hg 1 0.04 0.266 0.118Ni 1 0.396 0.503 Pb 1 0.482Zn 1 公园绿地 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn As 1 0.358 0.689 0.107 0.176

14、0.691 0.265 0.285Cd1 0.564 0.500 0.054 0.433 0.598 0.712Cr 1 0.357 0.023 0.739 0.397 0.509Cu 1 0.136 0.267 0.756 0.521Hg 1 -0.048 0.389 0.063 Ni 1 0.168 0.298 Pb 1 0.748Zn 1注：在0. 01 水平上显著相关.由表可以看出：a.生活区中存在明显相关性的重金属有3组，一组为As,Ni，另一组为Cd,Pb，还有Ni，Cr。其中，Cd与Pb存在极强相关，As与Ni存在强相关。但同时，Cu与As，Ni，Cd，Pb存在中等程度的相关性。

15、b.工业区除As外所有的重金属相互之间有着显著相关性。而As与Ni，Zn之间存在显著相关性。c.山区中存在明显相关性的重金属有2组，一组为Cd,Pb,Zn，另一组为Cr,Ni,Zn。d.交通区中存在明显相关性的重金属有2组，一组为Cd,Pn，另一组为Cr,Cu,Ni。e.公园绿地中存在明显相关性的重金属有2组，一组为As，Ni，Cr，另一组为Cd,Pb,Zn,Cu。若几种重金属含量在沉积物中存在显著的相关性，通常认为这几种重金属有着相似的来源或受*些因素共同控制4。例如对于生活区，由于Cu与As,Ni,Cd,Pb存在中等程度的相关性。说明As,Ni与Cd,P并非来自不同的来源或受不同因素控制。

16、3.2 主成分分析为进一步探讨重金属的污染来源，对土壤表层中的重金属进行了主成分分析. 主成分分析作为一种重要的统计方法已在确定污染源及自然和人为因素对重金属的贡献等方面得到了广泛的应用5。用SPSS软件对该城区五个功能区进行主成分分析，结果见表5。表5 主成分分析主要计算结果生活区工业区 交通区项目第一主成分第二主成分第三主成分第一主成分第二主成分第一主成分第二主成分特征值3.61645.19945.1991.13314.16659.3651.07513.43272.7975.25465.67065.6701.26315.79981.4563.75146.88346.8831.28716.0

17、8462.967贡献率/%累积贡献率/%载荷As0.350.410.340.380.260.360.420.26-0.610.160.22-0.230.12-0.240.110.65-0.01-0.400.480.02-0.420.50-0.340.260.230.340.400.380.370.330.370.370.670.07-0.18-0.41-0.410.370.040.170.120.320.450.470.090.460.360.33-0.120.40-0.28-0.220.65-0.280.420.10CdCrCuHgNiPbZn山区公园绿地区项目第一主成分第二主成分第三主成分

18、第一主成分第二主成分第三主成分特征值3.04238.02245.1992.03625.45563.4671.54919.36282.8293.90748.84045.1991.61520.18269.0231.05613.20282.225贡献率/%累积贡献率/%载荷As-0.010.340.440.300.190.420.350.520.47-0.480.340.33-0.050.35-0.44-0.120.380.11-0.290.490.60-0.330.14-0.150.320.410.410.340.100.340.400.40-0.450.08-0.340.360.28-0.490

19、.430.230.34-0.230.00-0.150.870.010.09-0.24CdCrCuHgNiPbZn3.3 各功能区重金属污染的主要来源的确定3.3.1 生活区重金属污染的主要来源的确定生活区44个采样点表层土中8种重金属(8个变量)的浓度信息可由3个主成分反映72.797%，可见对这3个主成分进行分析能够反映全部数据的大部分信息(见表5)。a.第一主成分的贡献率为45.199% ,特点表现为因子变量在Cd，Pb,Cu的浓度上有较高的正载荷.一般镉镍电池含有Cd和铅酸蓄电池含有Pb。Cu主要来自工业污水因此从Cd,Pb,Cu三种重金属对第一主成分的贡献就可以理解第一主成分所代表的实

20、际意义,即反映了工业排污和废弃电池对沉积物的污染。第一主成分主要支配着沉积物中重金属Cd,Pb和Cu的来源。 b.第二主成分贡献率为14.166%，其特点表现为因子变量Zn有较高的正载荷。Zn主要来自交通粉尘，第二主成分表征了交通运输对重金属污染的贡献。 c.第三成分其特点表现为因子变量Ni，Cr在重金属浓度上有较高的正载荷。从前面的相关性分析得知Ni，Cr有非常显著的相关性。通常，土壤母质中含有一定量的Ni，Cr对植物生长有利，仍处于自然浓度水平。由此可以认为生活区土壤中，因此可认为第三成分是自然来源因素。3.3.2 重金属污染的主要来源的总结对剩下的四个区进行同样的分析，我们可以得到各功能

21、区重金属污染的主要来源及污染的主要原因，见表6。表6 各功能区重金属来源分析及污染的主要原因生活区工业区交通区项目第一主成分第二主成分第三主成分第一主成分第二主成分第一主成分第二主成分贡献率/%45.19914.16613.43265.67015.79946.88316.084原因分析Cu, Cd，Pb 两两显著相关占较高的载荷。反映了工业排污和废弃电池对沉积物的污染。第一主成分主要支配着沉积物中重金属Cd,Pb和Cu的来源Zn的载荷很大，来源于生活垃圾的堆放。第二主成分为生活垃圾、工业废气来源因素。Ni，Cr来自土壤母质，在生活区污染指数低。为自然来源因素。工业区除As外所有的重金属相互之间有着显著相关性，来自同一源，可认为第一主成分是工业废水，废气人为因素的贡献。As与Ni，Zn之间存在显著相关性，可认为是生产中金属堆积造成的。Cr,Cu,Ni，Cd,Pn占明显大的载荷，这些重金属主要来自含铅汽油的燃烧。在交通区重金属污染中是首要原因。可认为第一主成分表明了含铅汽油燃烧的因素。Hg具有较高载荷子，可认为是使用农药杀虫剂的因素。山区公园绿地区项目第一主成分第二主成分第三主成分第一主成分第二主成分第三主成分贡献率/%38.02225.45519.36248.84020.18213.202原因分析Cd,Pb,Zn两两显著相关Cr,Ni