寬域灰色聚類法在減量化用地復墾場地土壤環境質量評價中的應用

張 惠，陳 敏，董聰慧

（1. 上海市巖土工程檢測中心，上海 200436；2. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

針對城市發展面臨的資源約束，上海市明確了“總量鎖定、增量遞減、存量優化、流量增效、質量提高”的土地管理思路[1-3]。為貫徹落實減量化用地復墾相關規定，各區縣積極推動開展減量化用地復墾工作。減量化用地復墾，是對不符合土地利用總體規劃要求，而且社會經濟或者環境效益較差的低效工業用地等建設用地，通過拆除、平整等土地整治工作，恢復農地生產能力，發揮生態用地功能。減量化地塊由于其用地歷史原因存在環境質量差或環境污染的潛在風險，且復墾農用后關系到農產品安全問題，因此須對減量化用地復墾場地進行必要的環境質量調查，并基于調查結果對環境質量進行評價。

減量化用地復墾場地的土壤環境質量評價標準，目前大多采用《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)，根據土壤應用功能和保護目標，分級評價。環境保護部組織修改完成了《農用地土壤環境質量標準（三次征求意見稿）》，刪除了一級標準，整合調整了二級和三級標準；同步完成了《土壤環境質量評價技術規范（二次征求意見稿）》，擬定了土壤環境質量評價的程序、內容、方法和要求；并與農業部頒布《農用地土壤環境管理辦法（試行）》，制定了對農用地開展的土壤污染預防、環境質量類別劃分等相關活動及其監督管理辦法。

國內關于土壤質量評價方法主要有T值分級法、綜合指數法、模糊數學綜合評判法、灰色聚類法、等斜率灰色聚類法、寬域灰色聚類法。文獻[4]對太原市5個區縣的土壤進行評價，通過對寬域灰色聚類法、模糊綜合評判法和綜合指數法三種評價結果進行比對，發現寬域灰色聚類法的評價結果較另外兩種方法更為合理。文獻[5]對湖南某地10個土壤監測區域的監測數據，分別采用T值分級法、綜合指數法、模糊數學綜合評判法、灰色聚類法、等斜率灰色聚類法、寬域灰色聚類法進行評價。通過比對各評價方法的結果，認為寬域灰色聚類法的評價結果更為合理。目前還沒有明確的減量化用地復墾場地的土壤環境質量評價方法。本文以某區域多個復墾地塊的監測數據為基礎，采用寬域灰色聚類法對復墾地塊的土壤環境質量進行評價，以期為管控計劃內農用地的土壤環境風險、保障農產品安全提供數據支持。

1 寬域灰色聚類法評價步驟

參照文獻[4]、[6]等資料，設某一環境質量評價問題有m個評價點、n個評價指標和h個評價級別，且記i=1,2,…,n為評價指標，j=1,2,…,h為評價級別，k=1,2,…,m為評價點，聚類步驟主要包括構造白化函數、確定污染物權重、求修正系數、求聚類系數、求聚類結果。

1.1 構造白化函數

白化函數反映了污染物（評價指標）對污染級別的親疏關系，其表達式如下：

第1類（j=1）白化函數為

第j類（j=2,3,…,h-1）白化函數為

第h類（j=h）白化函數為

式中，fij(x)—i種污染物關于第j個級別的白化函數；λij—i種污染物關于第j個級別的白化函數的閾值；x—污染物監測濃度值。

其中，閾值λij即為級別的中心值，由下式計算：

式中，Sij為i種污染物的第j級標準值（j=1,2,…,h）。

1.2 確定污染物權重

本文采用下式計算權重：

式中，Wkij—第k個評價點的第i種污染物在第j個級別中的權重；

xki—第k個評價點的第i種污染物的濃度值。

1.3 求修正系數

修正系數用來對白化函數值進行修正，以保證相鄰兩類白化函數在分級值上（即級別標準值處）具有相同的函數值。它由下式計算：

式中，Cij—第i種污染物關于第j類白化函數的修正系數。

1.4 求聚類系數

聚類系數反映了評價點與各級別之間的親疏關系，由下述確定：

式中，ηki—第k個評價點關于第j個級別的聚類系數；

fij(xki)—第k個評價點的第i種污染物濃度值在該污染物第j類白化函數中的函數值。

1.5 求聚類結果

每個評價點對各個級別都有一個聚類系數，其中最大聚類系數所對應的級別即為所評價監測點應屬的級別，把各個評價點的級別歸納起來，便是聚類的結果。同時，根據各評價點關于級別的聚類系數的大小，可以確定它們之間環境質量的優劣（系數越大，環境質量越好）。

2 評價實例

場地的歷史用地狀況對場地的土壤環境質量存在潛在的影響。通過選取某區域不同用地歷史的10個減量化地塊進行土壤環境調查，每個地塊采集的土壤樣品均分析了重金屬（銀、砷、鈹、鎘、鉻、銅、鎳、鉛、銻、硒、鉈、鋅、汞）、總石油烴、揮發性有機物、半揮發性有機物、有機氯農藥和有機磷農藥。由于各地塊土壤樣品中有機物類、重金屬銀、鎘、銻、硒、鉈含量均低于檢出限，因此本文不對上述監測因子進行環境質量評價。各減量化地塊土壤樣品中均檢出了砷、鉻、銅、鎳、鉛、鋅、汞7種重金屬，將各地塊監測數據的平均值作為對應地塊的監測結果（表1）。

表1 各地塊用地歷史與監測結果Table 1 The land use history and testing results of monitoring sites

參考文獻[7]中的上海市土壤環境背景值、《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)、《農用地土壤環境質量標準（三次征求意見稿）》及文獻[8]的分級原則，將土壤環境質量分為5個級別。并由此得出各污染物的各類白化函數閾值及其修正系數（表2）。

表2 土壤環境質量分級標準與污染物白化函數閾值及其修正系數Table 2 The classification standards of soil environmental quality and threshold values and theirs correction factors of different whitening functions of pollutants

同一污染物在不同級別的權重和不同污染物在同一級別的權重都可能不相同，本文列出監測區域1的權重結果（表3）。

表3 監測區域1中各污染物的權重及其白化函數值Table 3 The weights and whitening function values of different pollutants in site No.1

各監測區域的聚類系數見表4。

表4 各監測區域的聚類系數Table 4 Clustering coefficients of monitoring sites

按最大原則確定各監測區域所述的類別，如監測區域1的5個聚類系數中，級別Ⅱ的聚類系數最大，因此監測區域1的污染級別為Ⅱ級。同理可求得其它監測區域的污染級別，然后按級別Ⅰ的聚類系數大小確定各監測區域環境質量的優劣，系數越大，表明對應監測區域的環境質量最好。聚類結果見表5。

表5 各監測區域灰色聚類結果Table 5 Clustering results of monitoring sites

3 結果與討論

灰色聚類結果表明，監測區域1、3、5、7均屬于級別Ⅱ，監測區域2、4、6、8、10均屬于級別Ⅲ，監測區域9屬于級別Ⅳ，對應的污染程度分別為尚清潔、起始污染和中等污染。根據《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)制定的土壤環境質量標準值，并結合各監測區域土壤樣品的pH值，屬于級別Ⅱ和級別Ⅲ的各監測區域適用于農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤用途；屬于級別Ⅳ的監測區域9適用于果園用途。

監測區域9位于原化工廠區域，主要生產水性油墨、水性色漿等化工原料及產品，使用歷史約15年，土壤環境質量差。監測區域5和監測區域1分別位于原醫院區域和原村委會區域，土壤環境質量較好。結合各監測區域的用地歷史的回顧，各監測區域的污染級別與實際潛在污染狀況較為吻合，因此本案例土壤環境質量采用灰色聚類評價效果較好，得出的結論也與文獻[3]等人研究得出的化工等行業工業區的監測點的聚類系數比位于清潔區域的監測點的聚類系數小、土壤環境質量差的結論相似。

在進行減量化地塊環境調查中，可以充分利用已知的多個監測因子的結果，以寬域式結構確定白化函數，并在評價過程中引入修正系數對白化函數值進行適當調整，對不同歷史用地狀況的地塊的土壤環境進行污染級別評價，并就土壤環境質量進行排序，以直觀的反映出各減量化地塊的土壤環境質量，給后續減量化地塊用作耕地、林地等提供數據支持。

參考文獻(References)

[1]莊少勤. “新常態”下的上海土地節約集約利用[J]. 上海國土資源,2015,36(3):1-8.Zhuang S Q. Conservative and intensive land use in Shanghai under the “New Normal”[J].Shanghai Land & Resources, 2015,36(3):1-8.

[2]孫繼偉,吳燕,牛超群. 夯實國土根基,筑就理想城市——談上海以國土資源管理創新促進城市轉型發展的實踐探索[J]. 上海國土資源,2017,38(3):1-4.Sun J W, Wu Y, Niu C Q. Consolidate the land foundation, build an ideal city: Practical exploration of promoting urban transformation and development by land and resources management innovation in Shanghai[J].Shanghai Land & Resources, 2017,38(3):1-4.

[3]徐毅松,熊健,范宇,等. 生態文明背景下上海新一輪土地利用總體規劃探索與實踐[J]. 上海國土資源,2017,38(4):1-5.Xu Y S, Xiong J, Fan Y, et al. Exploration of the new round of the Shanghai overall land use plan under the background of ecological civilization[J].Shanghai Land & Resources, 2017,38(4):1-5.

[4]黃彩霞,張江山,李小梅. 寬域灰色聚類法在土壤環境質量評價中的應用[J]. 環境科學導刊,2009,28(4):61-64.Huang C X, Zhang J S, Li X M. Application of range grey clustering method on the soil quality assessment[J].Journal of Environmental Science, 2009,28(4):61-64.

[5]劉崇洪. 幾種土壤質量評價方法的比較[J]. 干旱環境監測,1996,10(1):26-29.Liu C H. Comparison of several methods for evaluating soil quality[J].Arid Environmental Monitoring, 1996,10(1):26-29.

[6]丁進寶,程永平. 土壤環境質量評價中的寬域灰色聚類法[J]. 農業環境保護,1993,12(4):187-190.Ding J B, Cheng Y P. Range grey clustering method on the soil quality assessment[J].Agro-environmental Protection,1993,12(4):187-190.

[7]國家環境保護局,中國環境監測總站. 中國土壤元素背景值[M].北京:中國環境科學出版社,1990:94-145.National environmental protection agency, China environmental monitoring station. China soil element background[M]. Beijing:China Environmental Science Press, 1990:94-145.

[8]萬良碧,劉志剛,王敏,等. 鄱陽湖區農田環境質量評價方法研究[J]. 農業環境保護,1989,8(2):25-28.Wan L B, Liu Z G, Wang M, et al. Study on evaluation method of farmland environmental quality in Poyang Lake area[J].Agro-environmental Protection, 1989,8(2):25-28.