探究GIS在土壤重金屬污染評價中的應用

金海紅，高彩霞，胡煜恒

（1.浙江泓一環保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州市環境保護有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江省環境科學學會，浙江 杭州 310000）

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

1 相關理論概述

自從我國開展改革開放之后，市場經濟發展迅速，但是隨之而來的是各種污染問題。為了保證經濟的可持續發展，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，進一步保證生存環境和發展環境的質量。最開始人們對于環境污染的側重點在于水污染和空氣污染等方面，并沒有對土壤污染產生足夠的重視，這主要是由于土壤污染產生的影響比較隱蔽，而且時間比較長，因此人們很難在短時間內發現土壤污染的嚴重危害[1]。但是隨著國民環保意識的提升，有關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，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等物質都具備很強的毒性，一旦進入人體內會產生很大的危害[2]。例如，20世紀60年代在日本發生的“骨痛病”就是因為當地居民食用了受到Cd污染的土壤上生長的稻米所致，當時富山縣出現了很多身患骨痛病的患者，后經調查發現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]。

隨著科學技術和信息技術的發展，越來越多新的手段出現在人們的視野當中，例如3S技術。3S技術在環境科學領域發揮了很大的價值，尤其是GIS技術更是憑借技術優勢在土壤質量檢測以及研究時空演變規律方面取得了比較大的進展[4]。工作人員利用GIS技術可以擺脫傳統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。我國開展的生態系統重金屬分布規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。所謂的GIS就是地理信息系統的簡稱，這項技術在1960年左右出現，主要是利用信息技術優勢對空間的數據進行存儲、分析、處理，整合，借此為其他工作提供精準的數據來源[5]。從性能的角度分析，GIS技術具備強大的性能，并且可以憑借先進的空間分析功能和技術優勢合理規劃環境監測網絡，按照需求精準分析信息，生成能夠展示該地區環境狀況的地圖、圖表以及文字等信息。工作人員利用GIS技術可以有效收集當地土壤污染物的情況，進一步進行分析和研究，制定科學合理的土壤重金屬污染評級報告，方便有關部門根據報告采取措施，進一步提升環境治理的效率。

2 GIS在土壤重金屬污染評價中應用的可行性分析

土壤重金屬污染受到很多因素的影響，與周邊環境之間也存在復雜的關聯性，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律比較困難。如果將土壤樣本的平均值作為研究基礎分析該地區土壤重金屬的空間分布情況，對最終結果會產生一定的干擾，會影響到土壤污染治理方案的準確性。為此，利用GIS技術與土壤重金屬采樣數據相結合，根據其空間性和多元性的特點制成數據圖層，將其作為判斷土壤重金屬空間污染分布特征和周圍環境之間關系的證據，可以為土壤環境污染治理提供參考。

之所以利用GIS技術可以取得巨大的成就，是因為該技術在空間坐標信息以及采樣點周圍屬性信息調查方面具有極高的精準度。利用GIS技術的插值方法，將點源數據轉變成為二維數據或者三維數據，憑借精準的測量數值以及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境之間的關系通過定量化的方式展現出來，進一步增強其數據的可讀性。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技術的優勢來描繪土壤重金屬污染專題圖，然后利用技術手段解讀專題圖，進而分析出重金屬空間分布特征和周邊環境之間的關系，盡量采用定性和定量相結合的方式來表達相關規律。二是利用GIS技術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律，側重于使用定量分析的手段。三是，利用GIS技術的二次開發功能，根據收集到的土壤重金屬污染數據生成分析功能模塊。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，并且提前做出預警，方便工作人員按照跟蹤數據制定方案。

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境質量標準的基礎上生成的，其中規定了8種重金屬以及兩種難降解農藥對土壤環境的影響標準，包括Hg、Zn、Pb、As、Cr、Ni、Cu、Cd以及六六六和滴滴涕。工作人員對土壤環境污染的重要參考依據是土壤環境背景值，土壤環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，自身化學組成和結構特征所呈現出的狀態，這種狀態是判斷土壤是否遭受污染的重要依據。工作人員判斷土壤重金屬污染主要采用以下幾種方法，包括內梅羅指數法，地累積指數法，潛在生態風險指數法等。

3.1 內梅羅指數法

內梅羅指數法也分為單因子指數法和綜合指數法。單因子指數法是指針對某一個地區的土壤重金屬元素污染情況進行分析和研究，根據單一重金屬元素的污染程度來判斷整個地區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，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土壤環境質量的標準值。考慮到土壤環境質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據。根據公式計算出的單因子污染指數，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。綜合指數法與單因子指數法最大的區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生影響分析結果對本地區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生的綜合污染指數，P平均是指多個土壤重金屬元素單因子污染指數的平均值，P最大是指多個重金屬元素單因子污染指數的最大值。根據公式計算結果，對土壤污染情況進行評價的標準是綜合污染指數大于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 地累積指數法

地累積指數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是本地區土壤背景值的數值，K是能夠引起土壤背景值變化的因素。經過以上公式分析得到的數值，按照如下標準進行分級：若最終得到的數值小于或等于0則表示地區土壤環境無累積污染；若最終得到的數值大于0小于或等于1則表示該地區土壤環境污染程度從無到中；若最終得到的數值大于1小于或等于2則該地區土壤環境為中等累積污染；若最終的數值大于2小于等于3則該地區土壤環境污染從中到強；若最終得到的數值大于3小于或等于4則該地區土壤環境污染程度較強；若最終得到的數值大于4小于或等于5則該地區土壤環境污染從強到極強；若最終得到的數值大于5則該地區土壤環境污染程度為極強。

3.3 污染負荷指數法

污染負荷法是指針對某個地區土壤重金屬綜合污染程度進行評價的方式。其公式為：

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

3.4 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法是綜合生物學知識、毒理學知識、環境學知識、化學知識等多個學科知識內容，在此基礎上采用定量分析的方法對該地區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評價方面。這種方式涉及的公式如下所示：

根據分析結果可以發現，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危害系數規律為As＞Cu＝Ni＝Pb＞Cr＞Zn。

4 GIS在土壤重金屬污染評價中的應用

4.1 利用GIS技術制作污染評價專題圖

GIS技術最大的優勢就在于制圖，根據已有的數據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土壤重金屬污染的情況，幫助工作人員進一步了解該地區土壤重金屬污染的空間分布特征以及與周邊環境之間的關系。在土壤重金屬污染分布圖的基礎上，添加土壤重金屬污染指數與交通日平均數據的詳細內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的變化情況。也有相關的專家學者會利用地形圖、土地利用現狀圖、耕地分布圖等各種數據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，結合所有數據評估該地區土壤的環境容量。

除了利用GIS技術制作污染專題圖之外，一些專家學者也會利用這項技術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境之間的潛在關系，例如土壤重金屬污染物含量與土地利用類型之間的關系以及土壤重金屬污染物含量和工廠、汽車尾氣之間的關系。通過對比可以發現在主干道交通路口或者工業區附近，土壤重金屬污染物含量比較高，因此這些地區的重金屬污染程度也比較嚴重。

4.2 利用GIS技術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的成土母質圖進行對比，經過對比分析該地區土壤重金屬空間分布特征和該地區地質環境、大氣成分以及人類活動等各種因素之間的關系，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據和該地區環境背景數據進行疊加，從而生成新的數據，利用這些數據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聯性。另外也可以將該地區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施數據進行疊加，進而分析出該地區重金屬元素空間分布與自然因素、人文因素之間的關系。由此可見，GIS技術的應用并不僅僅是將數據和圖層進行簡單對比或疊加，而是綜合所有數據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據內容，方便工作人員更清楚準確的了解各個要素之間的關系。

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生的污染源。利用 GIS技術將這些污染物的源頭聯系起來，在其周圍建立緩沖區域，可以更有效地揭示重金屬污染物與周邊環境之間存在的關系。經過研究可以發現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部門開展垃圾填埋場的選址與設計工作。

4.3 利用GIS技術開展實驗數據管理以及二次功能的開發工作

針對土壤重金屬污染評價的研究，如果數據分析量比較小可以采用傳統的軟件進行管理。但是涉及大區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據庫。利用數據庫中地區空間數據以及采樣點檢測數據和元數據等信息，綜合分析當地土壤重金屬污染情況，根據土壤重金屬污染情況開展相關的治理工作。如果現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，例如在現有GIS平臺功能模塊的基礎上建立土壤質量預警模塊以及土壤重金屬超標年限預測模塊等，借此完善土壤重金屬污染評價的預警機制。另外部分學者也在GIS技術的基礎上結合多智能體技術，完善了土壤重金屬污染評價以及安全預警機制。通過完善機制確保土壤重金屬污染數據分析的可視化管理，并且根據管理情況對該地區進行治理。在發展GIS技術的基礎上強化其在土壤重金屬污染方面應用范圍，提升土壤治理效果，進一步保證我國工農業發展進程。

5 結語

綜上所述，GIS技術憑借其優越的技術性能，在土壤重金屬污染評價工作中發揮了重要的價值。工作人員利用這項技術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境之間的關系，根據分析的結果建立預警機制，并且對當地土壤重金屬污染情況進行治理。憑借GIS強大的空間分析功能以及數據處理功能可以有效提升重金屬污染評價和預警的工作效率，大幅度改善我國土壤重金屬污染治理的工作效果，貫徹落實生態環保建設以及可持續發展的理念，保證我國市場經濟發展的持續性和穩定性，為新時期社會主義市場經濟建設奠定堅實的基礎。雖然現在GIS技術在土壤重金屬污染評價方面還沒有完全普及，但是隨著時代的發展，這項技術將會得到完善和發展，為國家土壤污染治理工作貢獻出更大的力量，全面改善我國環境保護工作的效果，提升環保意識。