基于GIS技術的城市重金屬污染分析區域測繪研究

文章編號：1674-6139（2025）07-0131-04

中圖分類號：X833文獻標志碼：B

Research on Regional Surveying and Mapping of Urban Heavy Metal Pollution Analysis Based on GIS Technology

MaYoulu，LiuXiaojie，SongShenglei，DingYi （Qinghai Provincial Natural Resources Survey and Monitoring Institute，Xining 81Oooo，China）

Abstract：Heavymetalpollutantsposeaseriousthreattothehealthofurbanresidents.Inodertofectivelyontrolthem，itisnc esarytounderstandtedistribtioofavetalpltionaeasToisdseachogioalapigofurbanavtalp tionanalysisbasedonGIStechnology.Takingaresearchareainacityasanexample，thisstudysetupsamplingpointstocolectand processamples，determiningthetypeandoncentrationofheavymetalpolution，calculating theNemeropolutionindex，ndsingG technologytoimplementspatialinterpolationnddrawsurveying maps.TeresultsshowthatAsheavymetalpolutionismainlyconcen trated in the western and northern regions，and the distribution range is relatively wide，while Pb pollutionis mainly distributed near the northernregions.TepolutionindexofNmerointewesternregionissignificantlyhighertanthatintheasteregionInsomre as，the index even exceeds 3.O，reaching a level of severe pollution.

Keywords：GIS technology；urbanheavymetalpolution；sampling；concentrationdetection；regionalsurveyingandmapping

前言

重金屬污染是一個嚴峻的環境問題，不僅影響著土壤生態系統的平衡與穩定，還可能通過食物鏈傳遞，對人類健康構成潛在威脅，包括引發各種疾病和生理功能障礙[1]。鑒于對環境和人類社會的深遠影響，對城市重金屬污染進行精確分析和有效監測顯得尤為關鍵，這不僅關乎當前的生態安全，也是對未來可持續發展的保障。地理信息系統（GIS）技術在此背景下展現出了獨特的優勢與價值。作為一項強大的空間數據處理與分析工具，GIS技術為城市重金屬污染問題的研究與監測提供了不可或缺的技術支撐。能夠高效地集成、存儲、管理和查詢海量的地理空間數據，這些數據包括土壤樣本的重金屬含量、地形地貌、水文條件以及人類活動信息等。更重要的是，GIS技術通過空間分析、模型模擬等功能，能夠深入挖掘這些數據背后的規律與趨勢，為城市重金屬污染的分析提供科學的決策依據。基于GIS技術的城市重金屬污染分析區域測繪研究，能夠實現對城市重金屬污染源的精準定位，準確劃定污染范圍，并對污染程度進行量化評估。這些成果不僅有助于更全面地理解城市重金屬污染的現狀，也為城市環境管理和治理提供了重要的技術支撐，使得相關部門能夠采取更加精準有效的措施，保護生態環境，維護人類健康。

1 研究區概況

以某城市部分區域為例，進行土壤重金屬污染分析區域測繪研究。研究區基本情況如下：此研究選取的某城市部分區域，位于該市的工業集中地帶，是城市經濟發展的重要支撐區域。區域內人口密集，工業企業眾多，尤以化工、金屬冶煉等重工業為主導產業。這些企業在推動當地經濟快速增長的同時，也產生了大量的工業廢水和固體廢物，其中可能含有多種重金屬元素。這些重金屬元素通過廢水排放、廢氣沉降、固體廢物堆積等途徑進入土壤環境。近年來，雖然環境保護意識逐漸提高，環保政策得到有力實施，但由于歷史原因和污染源的復雜性，土壤重金屬污染問題仍然嚴峻[2]。因此，開展基于GIS技術的土壤重金屬污染分析區域測繪研究，對于了解污染現狀、評估污染風險、制定治理措施具有重要意義。

2 城市重金屬污染檢測

2.1 實驗試劑和設備

在城市重金屬污染檢測中，實驗所需設備包括動力土壤采樣器（型號ZHT－49CC）、研磨機（規格 Φ¹⁷⁵ ）、石墨爐原子吸收分光光度計（型號AA370MC）以及自動進樣器（型號SOLATek72）。同時，實驗還使用了以下試劑：化學純硝酸、化學純氫氟酸和化學純高氯酸。

2.2 采樣點布設

采樣點布設是指在環境監測過程中，根據監測目的、監測對象、監測區域的環境特征以及監測技術的要求，科學、合理地確定采樣點的位置、數量和布局的過程[3]。這個過程需要綜合考慮多種因素，如污染源分布、地形地貌、氣象條件、土壤類型等，以確保采樣點的代表性和監測結果的準確性。將整個調查區域劃分為若干個 1km×1km 的柵格單元，這樣的劃分可以確保采樣點的分布足夠廣泛和均勻，以覆蓋整個礦區耕地的范圍。在確定了采樣地塊后，采用梅花采樣法在每個評價單元內進行土壤樣品的采集。在每個網格中，首先確定中心點，這通常是網格的幾何中心。從中心點出發，按照東南西北四個方向設置四個等分點，并在這些等分點的中點（即中分點）處設置采樣點。這樣，會得到一個類似梅花的形狀，中心點位于中間，四個采樣點均勻分布在四個方向上。

通過合理的采樣點布設，可以確保采樣點能夠覆蓋整個監測區域或特定區域，從而采集到具有代表性的樣品，這有助于準確評估監測區域的環境質量狀況，為環境管理提供科學依據[4]，見圖1。

2.3土壤樣品采集與處理

基于設置的采樣點，使用ZHT-49CC土壤動力取樣器，按設定深度垂直插入土壤中，啟動采樣機構，緩慢提取完整樣本至容器中[5]，密封標記，便于后續的土壤分析和測試。

針對采集到的土壤樣品，進行處理，具體處理過程如下：

（1）風干：將土壤樣品攤開風干，定期翻動以均勻干燥并去除雜質。（2）磨細：土壤樣品風干后破碎去雜，再進入研磨機按照需要的大小磨細。（3）過篩：將磨細的土壤放在 2mm 篩上，輕輕搖晃收集所需顆粒[6]（4）混合：多點采集土壤樣品，需要將其混合，以獲取代表性樣本。（5）保存：將土壤樣品裝入廣口瓶，均勻填充并貼上標記記錄信息（分析號、名稱、地點、日期、深度、采集人）。存儲于干燥陰涼通風處以防化學成分變化，確保分析結果的準確。

2.4 土壤樣品測定

為了將土壤中的重金屬轉化為可測量的形態，需要進行消解處理，將無機物轉化為可溶解形式，以便后續的分析和測定。該步驟為：稱取土壤樣品（通常 ，放入 50ml 的聚四氟乙烯燒杯中。加入少量水濕潤土壤樣品。向燒杯中加入 5ml 的HCl進行低溫加熱。溶液蒸發至大約 2～3ml 時，取下燒杯稍微冷卻。再加入 5ml 的 HNO₃、4ml 的HF和 2ml 的 HClO₄ 。蓋上燒杯的蓋子，溫加熱約1小時。冷卻后用水洗去殘留的酸液。再加入1ml 的 HNO₃ ，并進行溫熱溶解殘留的固體殘渣。最后，定容至25或 50ml 的刻度線。利用石墨爐原子吸收分光光度法進行測定。

該方法基于原子吸收光譜的原理，利用石墨爐作為高溫熱源將樣品蒸發并原子化，通過測量特定波長下原子對光的吸收程度來確定元素的含量。過程如下：

（1）進樣：通過自動進樣器將樣品加入石墨爐中。（2）石墨爐加熱：升溫過程分干燥、灰化、原子化三階段升溫。

（3）原子吸收光譜測量：特定波長光通過石墨爐，測量光強變化確定元素含量。（4）數據處理：分析數據得元素含量。（5）污染評估：計算內梅羅指數，劃分污染程度：

式（1）－式（2）中，A代表內梅羅污染指數; B_i 、 分別代表土壤中重金屬單項污染指數、指數最大值和平均值； b_i 代表土壤中重金屬元素 χ_i 的含量； C_i 代表重金屬元素 χ_i 的風險篩選值。

根據計算得到的內梅羅污染指數，可以將其與污染等級標準進行比較，從而劃分污染程度。常見的污染等級劃分如下：

（1）清潔（安全）： NPI?0.7 時，環境質量佳。（2）尚清潔（警戒限）： 0.73.0 時，重度污染，需立即治理。

2.5 測定結果與分析

以20個采樣點為例：經過對采樣點的重金屬污染濃度分析，研究區域主要受到碑（As）和鉛（Pb）的高濃度污染，特別是采樣點10至15，其內梅羅污染指數均在2.0至3.0以上，顯示出較為嚴重的污染狀況，而其他采樣點雖然污染程度有所差異，但As和Pb的濃度也普遍較高，表明整個研究區域均面臨不可忽視的重金屬污染問題。

3基于GIS的土壤重金屬污染特征測繪

3.1 測繪方法

基于GIS的土壤重金屬污染測繪，旨在結合實際情況分析城市重金屬污染。該過程包括：收集城市土壤重金屬數據，導人GIS軟件建立空間數據庫；利用GIS空間分析功能（如反距離權重插值），以研究區地圖為底圖，生成土壤重金屬污染分布圖。反距離權重法依據已知點距離估算未知點值，距離越近影響權重越大。

式（3）中， G（x₀） 是點 x₀ 處的重金屬污染濃度／內梅羅污染指數的待估值； n 是用于插值的樣點的個數； G（x_i） 是樣點 x_i 處的重金屬污染濃度／內梅羅污染指數的實測值； w_i 是第 χ_i 個樣點對待估點貢獻的權重。

式（4）中， l_i0 是待估點與樣點間的距離； Ψ_tΨ_t 是距離的冪。

執行插值生成柵格圖層，估算未知點屬性值。將柵欄加載至ArcGIS，以顏色或符號區分屬性值范圍，創建空間分布圖，并添加圖例、比例尺、標題。確保礦區土壤重金屬含量數據連續，從而得出含量空間分布圖。

3.2 測繪結果與分析

3.2.1 As和Pb重金屬污染測繪結果

As和Pb重金屬污染測繪結果見圖2。

如圖2所示，As污染主要分布在西部和北部，Pb 污染集中在北部。這可能與該區域工業活動，特別是冶煉、化工相關，導致土壤和地下水As、Pb含量上升。

3.2.2 內梅羅污染指數測繪結果

研究區整體污染的內梅羅污染指數測繪結果見圖3。

如圖3所示，研究區內梅羅污染指數西部高于東部，部分地區超3.0達重度污染，表明西部污染更嚴重，存在集中污染源，如工業、農業、交通排放。

4結束語

GIS技術為城市重金屬污染研究帶來了全面、高效且直觀的分析手段。該技術不僅能夠準確識別出污染嚴重區域，還為污染控制和污染治理提供了堅實的數據支撐。通過整合地理空間、環境和社會經濟數據，GIS技術實現了對城市重金屬污染狀況的深度剖析。借助內梅羅污染指數等評價方法，能夠量化并評估各區域的污染程度，直觀展示污染的空間分布特征。在研究過程中，揭示了污染源集中性、污染擴散規律及環境自凈能力差異等關鍵特點，這些發現為制定針對性的治理措施提供了重要的科學依據。總之，GIS技術在城市重金屬污染研究中發揮了重要作用，不僅提升了對污染狀況的理解，也為環境保護和治理工作提供了有力的技術支持。

參考文獻：

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