基于城市地理信息系統的土壤污染不確定性分析及地質修復

張振海

(黑龍江省第六地質勘查院，黑龍江 佳木斯 154000)

隨著城鎮化的發展，城市工業文明迅速崛起，城鎮工業化水平不斷提高。在工業快速發展的同時，由現代工業和農業結構產生的固體廢物及化肥農藥已經對土壤產生嚴重污染，土壤污染所帶來的生態環境問題制約著人類的可持續發展[1-3]。因此,眾多學者將研究的目光投向了土壤污染及相關領域。謝云峰等[4]利用BP神經網絡評價方法，采用蟻群算法對土壤污染程度進行了評價分析，根據土壤中重金屬含量的不同對土壤進行了等級劃分；張寧等[5]利用數理統計方法根據統計數據的方差、標準差等統計特征建立了污染評價模型；李鳳果等[6-8]以模糊數學為理論基礎，建立了重金屬毒性和重金屬種類的綜合權重土壤污染評價體系；蒲生彥等[9]利用地理統計方法建立了區域內土壤中重金屬Cu含量分布圖；高陽等[10]利用克里克空間差值方法，分析了德國小鎮土壤中重金屬Pb的分布空間特性。

從以上國內外學者的研究中可以發現，對于土壤污染的不確定性分析中，針對土壤污染的時空變異性研究有待加強，污染區域劃分有待進一步明確。本文以南方某市為研究對象，結合城市地理信息系統(GIS)，采用現場取樣實驗的方法，對區域內土壤污染進行了不確定性分析，針對污染狀況提出了治理措施。

1 項目概況

以某市為研究對象，區域GIS如圖1所示。該區域屬于亞熱帶季風氣候，夏季多雨，冬季干燥，年平均降雨量1 521 mm，年平均氣溫16.8 ℃。該市的工業體系較為完整，工業發展水平較高，尤其是化工產業及服裝加工業已經發展為當地的2大支柱性產業，且這2大產業污染物排放均高于其他工業行業。由此可以推斷該市的土壤污染形式已經比較嚴峻，有必要對其污染狀況進行一次摸排調查。

圖1 區域GISFig.1 Regional GIS

2 土壤污染不確定性分析

2.1 土壤樣品采集與測試

區域內采樣密度是關系到其評價精確度的重要因素。由于目標區域較大，本文采用GIS系統按照2 km×2 km的方形網格布點，在網格線交點處按照田字形取樣法對交點附近取5組土樣混合作為交點處樣品，對不同點處樣品編號以待實驗進一步分析。

土壤污染是一個由多種重金屬離子共同作用的結果，必須從重金屬離子種類入手，通過重金屬離子分類和含量測定，采用指標控制法對土壤污染狀況做出評價[11-12]。土壤中Cd與Pb的含量采用等離子體質譜法，Cr、Zn、Cu、Ni含量采用等離子體光學發射光譜法測定，As元素的測定采用氫化物—原子熒光法，Hg元素的測定采用冷蒸氣—原子熒光法。

2.2 不確定性分析

通過以上的取樣和測試方法，對土壤中重金屬離子含量進行了測定，測定結果見表1。

表1 重金屬含量統計性分析Tab.1 Statistical analysis of heavy metal content

由表1可知，區域內8種重金屬元素含量平均值低于國家標準值，表明區域內土壤整體狀況較好，但8種重金屬含量高于此區域內歷史背景值，說明區域內重金屬污染物已經出現了富集現象，區域內土壤污染已經初見端倪。地質累計指數Igeo是表征土壤中重金屬離子歷史變化和人為活動造成的土壤中離子變化情況，其計算公式為：

Igeo=log2[Cn/1.5Bn]

(1)

式中，Cn為測試樣品中元素n的濃度；Bn為樣品背景濃度。

根據式(1)得到了區域內累計指數評價結果見表2。

表2 地質累計指數評價結果Tab.2 Evaluation results of geological cumulative index

按照統計學方法，給出了地質累計指數在均值、中位數等5個不同統計數據下的值。從表2可以發現，根據地質累積指數法分級標準[13]，從均值考慮，區域內Cd與 Hg元素在無污染到中度污染狀態，其他元素均為無污染狀態；從極值分析，這8種重金屬離子最嚴重的處于中度污染狀態；以中位數分析，Cd與 Hg元素在無污染到中度污染狀態，其他元素均為無污染狀態。以上分析表明，該地區的重金屬已經出現了一定的富集現象，但從8種金屬離子總體考慮，該地區重金屬離子富集程度較弱，處于治理較為輕松階段。

從表1和表2的檢驗結果中可以發現，土壤重金屬污染范圍和程度都具有很大的波動性，本文借助GIS系統對土壤重金屬污染的不確定性進行了分析。由于本文的采樣方法為2 km×2 km的網格采樣法。因此，將某一點的采樣值代表4 km2范圍內土壤污染狀況，且此處采樣點污染程度衡量標準采用內梅羅綜合污染指數值。利用GIS得到了區域內重金屬污染范圍，如圖2所示。從圖2中可以發現，污染區域主要分布于區域位置的中部，且有一定的集中現象，除此之外，區域內南北部均有零星土壤污染情況。從實際情況出發，中部為城鎮居住區。因此，會出現較為密集的污染區域，南北部零星區域為工業園區，石化及紡織工業的污染物排放對土壤環境造成了一定的污染。

圖2 土壤重金屬污染范圍Fig.2 Pollution range of heavy metals in soil

3 土壤污染治理措施

目前常用的土壤重金屬污染修復方法有3種，分別為異位化學還原、土壤異位淋洗、原位化學還原。異位化學還原是針對1 m深度范圍內表層土壤，采用化學置換的方法將重金屬從污染的土壤中還原出來；土壤異位淋洗是將1～5 m內淺層土壤中重金屬采用含有化學溶劑的液體將土壤中重金屬采用置換的方法還原析出；深層原位注入是針對5～18 m內污染土壤，采用高壓噴射的方法對土壤進行化學處理，以降低其重金屬濃度。

土壤治理的目的是改善環境，在土壤修復過程中要避免對環境造成二次污染。本文采用影響因子價值評價方法，用標準化綜合環境影響單一計分指數表示污染修復過程中對環境的影響，如圖3所示。

圖3 標準化綜合環境影響單一計分指數Fig.3 Standardized integrated environmental impact single score index

根據研究區域內土壤污染治理實際情況，將人體健康、生態系統、氣候變化和資源消耗為指標，得到了3種修復方式下環境影響百分比如圖4所示。

圖4 環境影響百分比Fig.4 Environmental impact percentage

由圖4可知，3種土壤污染治理方法均對人體健康損害最大，對生態系統破壞最低。因此，在今后的環境治理中要加強材料及施工過程中的環保控制。

4 結論

城市土壤污染是城市發展過程中不可避免的問題，本文以我國某市為例，采用地理信息系統，在系統內對研究區域進行邊界劃分后又對區域內土壤樣品采用點進行了布設，使用網格采樣法對目標區域土壤進行了抽樣提取，通過分析土壤中8種重金屬含量及地質累計指數的統計學指標，采用內梅羅綜合污染指數值法對區域污染狀況進行了不確定分析。針對區域內3種污染治理方法，采用影響因子價值評價方法分析了各種方法的環境影響百分比，得出3種土壤污染治理方法均對人體健康損害最大，對生態系統破壞最低，在今后的環境治理中要加強材料及施工過程中的環保控制。