基于GIS的哈爾濱城市重金屬鉛元素分析

蘇中達 董雋

哈爾濱學院地理系 哈爾濱 150086

基于GIS的哈爾濱城市重金屬鉛元素分析

蘇中達 董雋

哈爾濱學院地理系 哈爾濱 150086

哈爾濱作為我國的一個老工業基地城市，在近半個多世紀的發展中，依靠工業取得了非常良好的經濟發展態勢，經濟水平不斷上升，極大的促進了哈爾濱的城市現代化建設。但是正是因為長期以來的工業生產和發展，使得哈爾濱市的環境遭受了較大的污染，尤其是土壤污染更為嚴重。現本文正是針對哈爾濱市土壤污染問題中關于重金屬鉛元素的空間分布和來源進行研究。研究采用GIS技術，通過采集相關數據和預處理，來對哈爾濱市重金屬鉛元素在土壤中的分布規律進行探討，并指出加強環境污染治理，改善哈爾濱市土壤環境的重要性和緊迫性。

GIS技術；重金屬污染；鉛元素；哈爾濱

哈爾濱是我國最早依靠工業發展起來的城市之一，為我國的工業技術發展和國民經濟水平提高做出了巨大貢獻。隨著經濟的增長，哈爾濱的人口數量也在不斷增多，城市規模不斷擴大，城市功能逐漸齊全，工業以外的其他行業也都隨之得到了快速發展。在此情況下，人們開始關注和重視哈爾濱直接關系自身身體健康和城市可持續發展的環境質量問題。本文中主要采用了GIS技術，通過調查和勘測的方式獲取了哈爾濱市土壤環境污染的基本數據，并對其中重金屬鉛元素的分布、含量和來源進行了簡單研究，以期為哈爾濱市環境保護工作的開展提供一些參考。

1、哈爾濱市概況

哈爾濱位于我國的東北地區，是黑龍江省省會，也是東北經濟、政治、文化和交通的重要交流中心。其所管轄的行政區劃面積共5.31萬平方公里，2012年戶籍總人口為993.5萬人。其主城區主要包括道里區、南崗區、香坊區和道外區、平房區、松北區和呼蘭區等幾個行政區劃部分。本文的研究考察工作主要是在道里區、道外區、香坊區和南崗區進行，因此研究對象就是這四個區域的土壤鉛元素分布規律。其中道外區是由哈爾濱的老城區發展而來的，老城區建設規劃布局較為緊湊，空間相對狹小，但擴張后的道外區則空間相對較大，其資源更為豐富，擁有哈煉油廠、哈制藥六廠、哈一機廠等等多家大型國有企業，工業相對較為發達。南崗區組要為行政管理、金融服務、科教文化和信息技術的發展中心，建有高新技術產業基地，與寒地休閑運行地基，商業文化氛圍較為濃厚。而香坊區的工業、農業和物流業都相對較為發達，尤其是農業高新技術和農業科技更為發達。道里區為哈爾濱市的主要金融商貿中心，旅游文化較為濃厚，是一個以發展空港經濟、旅游經濟和高新技術產業為主的現代化生態城區。

2、基于GIS的哈爾濱城市重金屬鉛元素研究背景

近年來，哈爾濱市加大了對城市生態環境污染的關注力度，并開始著手對城市環境污染進行治理。在多年的工業生產影響下，哈爾濱的水環境、大氣環境和土壤環境都受到了較為嚴重的污染，治理工作開展難度較大。尤其是土壤環境的污染，不但具有滯后性和長期性，還具有較強的隱蔽性，更是很難引起人們的正確對待。據調查，很多哈爾濱市民對城市的空氣污染治理最為關心，其次是水污染治理，而對于土壤的污染危害則很少有市民認識到并引起足夠的重視。事實上，土壤污染所帶來的危害要遠遠大于水污染和大氣污染，若土壤中所含的污染物質、重金屬或有毒物質含量過高時，就很可能導致當地的土壤性質發生變化，一旦毒性散發，所帶來的危害是難以估計的。但是土壤污染的治理工作開展難度更大，費時更長，甚至對土壤污染的分布規律調查進展都十分緩慢。為了能夠盡快的排除這些隱藏在地下的“化學定時炸彈”，本文決定利用先進科技GIS技術來對哈爾濱市土壤中鉛元素的分布規律進行分析研究。

GIS技術就是地理信息系統技術。其是結合了計算機技術、地理學、幾何學、測繪遙感學、環境科學、空間科學等諸多學科的新興邊緣科學。它以地理空間數據庫為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的、動態的地理信息為地理研究和決策服務。由于環境監測點在空間上的分布特征，GIS為存儲、處理和管理環境數據提供了極大的方便。本文正是要基于GIS的環境質量管理信息系統，在對哈爾濱市環境質量現狀評價過程中，利用GIS技術的輔助，實現對哈爾濱市的土壤鉛元素分布進行客觀地、全面地評價，以反映當地土壤的受污染的程度以及空間分布狀態，并對其污染形成原因進行分析，預測鉛污染的變化趨勢。以為相關部門治理土壤污染提供一些科學參考資料。

3、研究分析技術路線設計

在研究分析技術路線的設計過程中，本文主要是以哈爾濱市行政區劃圖為基礎圖形，以土壤重金屬鉛元素相關研究資料為依據，采用GIS技術建立相應的空間數據庫，進而對哈爾濱市土壤重金屬鉛元素的空間分布規律進行可視性研究。具體的技術路線設計大致如表1所示：

表1 研究技術路線流程圖

4、數據的采集和預處理

在采用GIS技術對重金屬鉛元素的分布規律進行分析之前，首先要做的準備工作就是要進行測量、調查以獲取相關數據。在本研究中，主要對哈爾濱市的道里區、道外區、南崗區和香坊區四個區域的土壤進行了調查。方法為從這四個地區的主干道交叉口處作為研究樣點，并在該處取得一些表層土壤，并對其進行化學分析，得到該地區的土壤重金屬鉛元素含量。本次研究共采取了104處研究樣點的土壤。

在對所采集的土壤進行化學分析后，就要對這些數據進行一定的預處理。即將相關的基礎圖形（如城區圖、交通圖等）放在ArcMap軟件中進行矢量化轉換為.shp的格式，并生成邊界、道路等不同的圖層。在excel表格中的點數據，在ArcMap中tools菜單下通過“Add XY data”向導工具指定X和Y字段后添加到ArcMap中，并保存成.shp格式的文件。建立數據庫，采用國際84坐標系統，將處理的數據加入數據集中。

5、基于GIS的土壤鉛元素空間分布規律分析

本文之所以采用GIS技術來對哈爾濱市的土壤重金屬鉛元素進行研究分析，是因為將GIS技術與傳統地統計學結合在一起使用，能夠在發揮地統計學的強大數據空間結構分析功能的基礎上，利用GIS技術實現這些空間結構的可視化效果，更利于研究人員直觀的察看和總結鉛元素的空間分布規律，方便使用者更快的掌握土地污染狀態和發展趨勢。具體的研究分析流程和方法主要如下所示：

5.1 探索性數據分析

本研究中所進行的探索性數據分析主要是在ArcGIS軟件平臺上實現的。ArcGIS可以利用全面系統的圖形工具和相應的插值方法來對原始數據圖文進行整理，從而確定本次研究需要統計的數據屬性和探索數據的主要分布，并能夠通過分析全局和局部異常值來判斷全局的變化走向，并能夠得出多種數據間的相關性。其所具備的這些強大功能為用戶更深入形象的了解研究對象提供了較大便利。尤其是在對土壤重金屬含量的空間分布特征研究分析上，ArcGIS更具優越性。其能夠對研究樣點進行插值計算，并將其計算結果以點狀分布的方式呈現出來，獲得土壤重金屬污染的空間分布圖。雖然采用ArcGIS軟件對探索性數據進行分析具有很大的優越性，但是需要注意的是這個優越性是建立在一定條件基礎上的，這個條件就是指空間數據插值結果預算誤差應當盡量控制在最小的范圍內。為此，本研究決定采用GIS Arcmap/info10軟件技術，利用其中的擴展模塊Geostatistical Analyst只能夠的探索數據菜單來對空間數據進行探索性分析。

5.2 剔除異常值

在對其探索性數據進行計算前，需要將其中存在異常現象的研究樣點值剔除掉。若判別不準確或剔除不完全，就會使異常值嚴重影響到變異函數的計算準確性。所謂異常值，就是指所測量采集取得的觀測數據與其他數據存在較大的差異，如測量值過大或過小，屬于異常值。之所以在觀測數據中存在異常值，可能因為土壤采樣過程中或化驗分析過程中存在著操作不當的現象，或者是受外界因素條件變化而使得土壤性質發生變化等等。異常值并不能夠代表觀測值的實際水平，因而不能作為判斷土壤重金屬污染狀況的判斷依據，必須要進行相應的剔除。

5.3 數據正態檢驗

運用基于地統計學的空間變異理論并結合GIS的空間分析功能對哈爾濱市城市表層土壤中重金屬含量的空間結構特征進行分析。在進行分析前同樣要求數據成正態分布，對哈爾濱市城市表層土壤各重金屬元素含量數據進行對數轉換和用域法剔除異常值后，滿足正態分布（Pb含量數據為近似正態分布），從而消除了比例效應。用分位圖思想作Pb元素的QQ—plot圖(圖1)，直線表示正態分布。如果不屬于正態分布，則要求對其進行變換。變換的方法包括Box—Cox變換、平方根變換、Log數變換、反正弦變換等。Box—Cox的變換公式是：Y=（Z（s）λ-1）/λ，當λ等于1/2時，為平方根變換；當λ等于0時，為對數變換。變換后，如果數據的分布還不滿足上述正態分布條件，則不適合進行普通克里格插值。

5.4 趨勢分析

在進行趨勢分析時，需要注意全局趨勢和局部趨勢的差異，并分別進行相應的趨勢分析。其中在對局部進行趨勢分析時，需要在全局趨勢中剔除不相關的局部趨勢。這樣有利于減少不相關局部趨勢對其他局部趨勢的影響。之所以要對數值進行趨勢分析，主要是為了將研究區平面圖上獲得的相關信息通過屬性轉化，生成三維視圖。對將這些點按照兩個方向投影到與地圖平面正交的平面上，每個方向可用一個多項式來擬合。如果擬合曲線為平直的，說明沒有全局趨勢；如果擬合的曲線為確定的曲線（二次函數曲線和指數函數曲線等），則存在某種全局趨勢。一旦存在全局趨勢，則可以通過確定性內插進行插值。對Pb元素進行探索性的趨勢分析見（圖2）。

其中上圖中，紅色線代表著南北方向，而黃色線則代表著東西方向。從Pb元素的趨勢分析圖能夠看出，無論是在南北方向還是在東西方向，都出現了輕微的弧形，這代表著研究樣點的存在具有二維函數趨勢。所以我們可以利用空間二維函數趨勢為依據來剔除空間插值中的異常值。

5.5 普通克呂格插值計算

從上述分析可以看出，采用GIS探索性空間數據分析技術對土壤鉛含量數據分析可以得知研究區土壤重金屬數據Pb經Box—Cox變換后呈正態分布、有空間相關、存在二價函數趨勢、半方差函數方向屬于各項同性，適合普通克里格方法進行空間插值。因此接下來就可以利用ArcGIS10來對空間插值進行相應計算。計算步驟如下所示：

1）在ArcMap中加載mp數據。

2）右擊工具欄，啟動地理統計模塊 Geostatistical Analyes。

3）選擇Geostatistical Analyes 【|地統計向導】命令。

4）彈出對話框，在【數據集】中選擇mp數據及屬性Pb，選擇Kriging/CoKriging內插方法，點擊【下一步】。

5）彈出對話框，在Kriging Type列表中選擇普通克里金Ordinary，在Output Type列表框中選擇預測圖Prediction，DataSet #1的Transformation Type里選擇Box-Cox變換方式，在Power parametet里填0.5，點擊【下一步】。

6）在半變異函數/協方差建模對話框中，設置參數值，在這里可以設置類型，步長等。

7）在搜索鄰域對話框中設置參數，點擊【下一步】。

8）彈出交叉驗證對話框。

9）得出計算結果。

6、研究成果分析

6.1 哈爾濱城市重金屬鉛元素的空間分布特征

通過上述GIS技術研究，我們得到了哈爾濱城市土壤中重金屬鉛元素的空間分布圖，并結合相關圖文數據可以總結出其分布規律。即在哈爾濱的道里區、道外區、南崗區和香坊區這四個行政區域中，道外區和香坊區的土壤中重金屬鉛元素含量較高，每千克土壤中鉛元素的含量都超過了28.1mg。遠遠超出了環境保護相關準則中的重金屬含量標準，可見哈爾濱當地的土壤環境污染已經相當嚴重。

6.2 土壤重金屬鉛元素的主要來源分析

在對哈爾濱市道外區和香坊區等部分地區進行實際調查后發現，在土壤鉛元素含量較高的地區，往往都分布著冶金廠、鋼鐵加工廠、鉛冶煉廠、機械生產廠、鉛字印刷廠、化工廠、光學儀器生產廠、紡織廠或皮革加工廠等可能會排出較多廢氣、廢水和固體垃圾的工業廠區。正是因為這些廠區在日常生產中向自然環境排出大量的“三廢”，才導致了土壤表層中鉛元素含量的劇增。如含有鉛元素的廢水未經處理直接排入河流或地下道中，在長期的滲透中，鉛元素在土壤中的含量就會越來越多，含量越來越大。再例如將一些含有鉛元素的固體廢物直接掩埋在土層中，也會造成當地的土壤重金屬污染。

除了工業污染因素以外，造成哈爾濱城市土壤重金屬鉛元素含量超標的影響因素還包括城市發展進程中大量的汽車尾氣排放。這是因為汽油中加入的防爆劑含有一定的鉛元素，在尾氣排放過程中，重金屬元素逐漸沉降在土壤表層，長期以來造成了嚴重的土壤重金屬污染。從調查顯示結果也可以證實，在哈爾濱市區主干道兩邊的土壤檢測中，鉛元素的含量要高于其200m以外地區的土壤鉛含量值。由此也可以得出鉛元素在土壤中的分布規律，即距離排放污染物的廠家或道路越近，鉛污染就越嚴重，距離越遠，鉛污染越小。

7、結語

綜上所述，在對哈爾濱市主要的行政區域進行土壤檢測和GIS技術分析研究后，可以發現當前哈爾濱市的土壤重金屬污染現象已經極為嚴重，且鉛元素在土壤中的空間分布具有一定的規律性。本研究以鉛元素為研究對象，通過樣點采集數據，在地統計學技術和GIS空間分析技術的基礎上，對土壤重金屬污染的狀況進行分析研究，取得了科學合理的研究成果。證明在對城市土壤污染分析和研究中，采用GIS技術是非常可行且有效的。本文的研究成果也可以為相關決策部門制定環境保護策略提供一定的參考，并讓廣大市民認識到當地土壤污染的嚴重性，積極倡導全市群眾都投入到環保工作中，以促進哈爾濱城市生態環境的進一步改善。

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董雋，副教授，研究方向為GIS技術及應用。

哈爾濱學院學生科研項目：基于GIS的哈爾濱城市土壤重金屬元素分析（HXS2013011）