沈伶伶

(鞍山技師學(xué)院，遼寧 鞍山 114000)

圖1 城區(qū)地形圖

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出.對(duì)城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證，以及如何應(yīng)用查證獲得的海量數(shù)據(jù)資料開展城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，研究人類活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).

按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)等，分別記為1 類區(qū)、2 類區(qū)、…、5 類區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境受人類活動(dòng)影響的程度不同.現(xiàn)對(duì)某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，將考察區(qū)域按照每平方公里1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土進(jìn)行取樣、編號(hào)，得到采樣點(diǎn)的位置、海拔、所屬功能區(qū)及采樣點(diǎn)處8種重金屬元素的濃度，已知8種重金屬元素的背景值.

1 對(duì)城區(qū)重金屬污染程度的分析

1.1 問題分析

由于采樣數(shù)據(jù)是一系列散點(diǎn)，利用Matlab進(jìn)行cubic插值，以便描繪出不同重金屬元素在該城區(qū)的空間分布圖.

要分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬元素的污染程度，需要確定污染程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立污染程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).模糊綜合評(píng)價(jià)法用隸屬度描述模糊的污染分級(jí)界線,各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度再以各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重修正,則得到評(píng)價(jià)樣品對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度.由于重金屬元素對(duì)土壤的污染程度與其濃度和毒性均有關(guān)，故采用雙權(quán)重因子改進(jìn)型模糊綜合評(píng)判模型來綜合考慮濃度和毒性作用[1].從定性和定量兩方面進(jìn)行分析，來尋找最佳權(quán)重，能夠比較客觀的反應(yīng)出各污染因子對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響.最后通過對(duì)比分析，得出城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的重金屬污染程度.

1.2 各重金屬元素的空間分布

1.2.1 城區(qū)地形圖 首先將采樣數(shù)據(jù)按5種功能區(qū)進(jìn)行分區(qū)整理，利用Matlab進(jìn)行cubic插值，畫出了城區(qū)的地形圖，如圖1.

1.2.2 各重金屬元素在城區(qū)的空間分布 根據(jù)各重金屬元素的濃度，畫出其空間分布圖2，圖2將不同區(qū)域的采樣點(diǎn)以不同符號(hào)示出.

由圖2可見，8種重金屬元素在空間分布上具有一定的規(guī)律性，表現(xiàn)為：人類活動(dòng)密集的工業(yè)區(qū)、交通干線兩側(cè)、生活區(qū)等污染較為嚴(yán)重，受人為活動(dòng)影響較小的公園綠地區(qū)重金屬含量較小，污染相對(duì)較輕，而山林區(qū)所受污染最小，大部分范圍未受污染.

1.3 基于改進(jìn)型模糊數(shù)學(xué)算法對(duì)土壤重金屬污染程度的分析

模糊數(shù)學(xué)法是對(duì)土壤污染評(píng)價(jià)的有效方法之一，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方法如下：

圖2 各種元素的濃度分布圖

1)首先要建立評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)隸屬度函數(shù)求出評(píng)價(jià)因子對(duì)各等級(jí)的模糊關(guān)系矩陣A，隸屬度表示某種污染元素濃度值隸屬于某等級(jí)的程度大小，隸屬度越大，該濃度屬于該某等級(jí)的程度越大；

2)其次確定各指標(biāo)的權(quán)重W,綜合考慮重金屬濃度和本身的毒性作用,本文采用雙權(quán)重因子尋找各指標(biāo)的最佳權(quán)重,比較客觀地反映出各污染因子對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響；

3)根據(jù)模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重矩陣得到各樣本的評(píng)價(jià)等級(jí)，對(duì)每個(gè)等級(jí)給定分值，加權(quán)得出個(gè)樣本的最終得分.

1.3.1 污染因子隸屬度函數(shù)及模糊關(guān)系矩陣的建立 為了進(jìn)行模糊運(yùn)算，需要確定各污染因子的隸屬度函數(shù)，并以隸屬度來描述土壤污染狀況的模糊界線.根據(jù)各重金屬元素的背景值將土壤質(zhì)量分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，設(shè)對(duì)第i種污染因子分別以Si1,Si2,Si3表示各等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)濃度值.仿照國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2](GB15618-1995)，根據(jù)提供的土壤背景值，按照同比例原則，得到了此時(shí)的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

使用表1的數(shù)據(jù)作為各個(gè)隸屬度函數(shù)的拐點(diǎn)，用分段的直線函數(shù)模擬可以得到土壤重金屬污染狀況的隸屬度函數(shù).由以上分析，采用以下三個(gè)分段函數(shù)來表示實(shí)測濃度為Ci的污染因子i對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度函數(shù)[3].一級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度函數(shù)：

(1)

式(1)表示：當(dāng)Ci小于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，對(duì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度為1，即認(rèn)為屬于一級(jí)；當(dāng)Ci介于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值之間時(shí)，該評(píng)價(jià)因子仍對(duì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有一定的隸屬度，其值在0～1之間；當(dāng)Ci大于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，該因子對(duì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度為零，即不屬于一級(jí).

同樣地，二級(jí)、三級(jí)的隸屬度函數(shù)含義類似，表示為：

對(duì)二級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度函數(shù)：

(2)

對(duì)三級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度函數(shù)：

(3)

由此可得出污染因子i對(duì)土壤標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別j的隸屬度矩陣：A=(rij)8×3

表2 各重金屬的毒性指數(shù)

1.3.2 污染因子權(quán)重系數(shù)的確定 由于重金屬元素對(duì)土壤的污染程度與其濃度和毒性均有關(guān)，需綜合考慮兩者來確定各污染因子的權(quán)重系數(shù).

根據(jù)Hakanson制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，分別對(duì)各重金屬的毒性級(jí)別指數(shù)賦值，如表2.

指數(shù)越小，代表毒性作用越大，其權(quán)重應(yīng)越大.因此將污染物濃度的權(quán)重和毒性級(jí)別fi相除，并作歸一化處理，得到各污染因子的權(quán)重公式：

(4)

[w1,w2,…,w8]

同理可得出其他評(píng)價(jià)樣本點(diǎn)各污染因子的權(quán)重向量，最終得到319×8的權(quán)重矩陣W.

1.3.3 綜合評(píng)價(jià)矩陣 設(shè)B為評(píng)價(jià)樣本點(diǎn)對(duì)不同級(jí)別的隸屬度,通過不同污染因子的模糊關(guān)系矩陣A和權(quán)重值矩陣W 進(jìn)行矩陣運(yùn)算：

B=W·A

即可得出不同評(píng)價(jià)樣本點(diǎn)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，給定各等級(jí)對(duì)應(yīng)的分值(根據(jù)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量各級(jí)別的控制意義，取土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分值c1為100，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分值c2為80，三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分值c3為60).利用評(píng)價(jià)向量的分量形成權(quán)重,對(duì)各等級(jí)的分值進(jìn)行加權(quán)平均,得到評(píng)價(jià)分值.某樣本點(diǎn)評(píng)價(jià)分值的計(jì)算公式為：

(5)

式中：bj為評(píng)價(jià)向量B 中某樣本對(duì)應(yīng)于第j 級(jí)土壤質(zhì)量水平的隸屬度；λj是由B 的分量構(gòu)成的一組權(quán)重，反映了各等級(jí)分值占的重要性；cj是對(duì)第j 級(jí)土壤質(zhì)量水平所打的分值，c是該樣本點(diǎn)的最終得分.

1.4 模型求解

將各樣本點(diǎn)按所屬功能區(qū)域進(jìn)行分類.然后根據(jù)實(shí)測濃度值，各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值以及毒性指標(biāo)，利用Matlab編程求解[4-6]，得到了各功能區(qū)域各樣本點(diǎn)的評(píng)價(jià)分值，做出直方圖如圖3所示.

圖3 不同區(qū)域各采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)分值直方圖

根據(jù)直方圖，整理可得各功能區(qū)域隸屬于各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的樣本點(diǎn)數(shù)目及比率，其比率為某區(qū)域某級(jí)別的樣本點(diǎn)數(shù)與該區(qū)域總樣本數(shù)之比，如表3所示.

2 結(jié)果分析

1)綜合直方圖和表3可知，山區(qū)評(píng)價(jià)得分最高，采樣點(diǎn)中84.85%的采樣土壤質(zhì)量被評(píng)為一級(jí)，沒有采樣點(diǎn)被評(píng)為質(zhì)量最差的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

表3 各區(qū)域隸屬各等級(jí)的樣本頻數(shù)及比率

2)其次是公園綠地區(qū)，有57.14%的采樣點(diǎn)為一級(jí)，僅11.43%的采樣點(diǎn)為三級(jí)；再次是生活區(qū)，54.55%的采樣點(diǎn)被評(píng)為一級(jí)，18.18%的采樣土壤為三級(jí)，表明公園綠地區(qū)和生活區(qū)已受到一定程度的重金屬污染，公園綠地區(qū)受一定人為活動(dòng)的影響，但人為活動(dòng)不如生活區(qū)頻繁，而生活區(qū)的主要污染則來自居民日常生活垃圾等；

3)主干道道路區(qū)三級(jí)土壤樣本點(diǎn)較多，60%以上的采樣點(diǎn)被評(píng)為二、三級(jí)，主要是由于汽車尾氣排放、輪胎摩擦等的影響，重金屬隨大氣沉降進(jìn)入土壤；而重金屬污染最嚴(yán)重的是工業(yè)區(qū)，其評(píng)價(jià)得分最低，有83%以上的土壤被評(píng)為二、三級(jí)，且在所有區(qū)域中屬于三級(jí)的土壤樣本比例最大，主要由于是工廠排放大量的廢氣，廢水，導(dǎo)致土壤中重金屬含量較高.

綜上分析，得到了該城市各區(qū)域污染程度大小的排序?yàn)椋荷絽^(qū)<公園綠地區(qū)<生活區(qū)<主干道道路區(qū)<工業(yè)區(qū).

[1] 張超,馬建華,李劍.改進(jìn)型模糊數(shù)學(xué)法在土壤重金屬污染分析中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009,37(4)：1763-1766.

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