孫 雷，孫世群，楊 晨

（1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

幾種綜合指數(shù)方法在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以淮南礦區(qū)為例

孫 雷1，孫世群2，楊 晨2

（1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

分別應(yīng)用內(nèi)梅羅指數(shù)法、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)法對(duì)淮南礦區(qū)土壤的重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)采用三種方法計(jì)算的綜合污染指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以arcgis9.2將計(jì)算結(jié)果輸出表達(dá)，認(rèn)為混合加權(quán)法對(duì)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)具有較好的靈敏性，能將土壤重金屬污染程度的差別較好的區(qū)分開(kāi)來(lái).根據(jù)混合加權(quán)的計(jì)算結(jié)果，利用反距離加權(quán)差值方法，在GIS技術(shù)的支持下，得出淮南礦區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)的分析結(jié)果.

綜合指數(shù)法；土壤污染評(píng)價(jià)；淮南礦區(qū)；重金屬污染；GIS

土壤重金屬污染主要是由于Zn、Cu、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等重金屬元素引起的土壤污染，評(píng)價(jià)土壤中的重金屬污染程度對(duì)于環(huán)境和健康問(wèn)題有著重要意義[1].土壤中重金屬的污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于評(píng)價(jià)方法的合理性和適用性，目前國(guó)內(nèi)外常用于土壤中重金屬評(píng)價(jià)主要有的綜合指數(shù)法[2]、模型指數(shù)法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的評(píng)價(jià)方法.其中，綜合指數(shù)法主要包括內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法、姚氏綜合指數(shù)法、灰色聚類(lèi)分析法、混合加權(quán)法等幾種；模型指數(shù)法則主要包括模糊數(shù)學(xué)模型、灰色聚類(lèi)模型及層次分析法等.

當(dāng)前常用的土壤污染綜合指數(shù)的計(jì)算公式——內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，由于其過(guò)分突出污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，在評(píng)價(jià)時(shí)可能會(huì)人為夸大一些因子的影響作用，使其對(duì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的靈敏性不夠高[3].本文在GIS的支持下，以淮南礦區(qū)土壤重金屬污染的狀況為例，應(yīng)用混合加權(quán)模式對(duì)淮南礦區(qū)土壤重金屬污染程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、姚氏綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此說(shuō)明混合加權(quán)法在土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)中的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn).

1 幾種綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法的比較

1.1 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將主要依據(jù)《關(guān)于印發(fā)〈全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查重點(diǎn)區(qū)域土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)定〉的通知》（環(huán)發(fā)[2008]115號(hào)）進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，同時(shí)，需考慮全面、綜合地反映多種土壤污染物的整體污染水平，采用土壤單項(xiàng)污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，按國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)，計(jì)算單項(xiàng)污染指數(shù)，計(jì)算公式為：

其中：Qi：土壤單個(gè)污染物i的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（商值）；

Ci：調(diào)查點(diǎn)位土壤中單個(gè)污染特i的實(shí)測(cè)濃度（mg/kg）；

Ri：污染物i的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參考值（mg/kg）.

Qi<1則表明未受污染，Qi>1則表明已受污染，Qi數(shù)值越大，說(shuō)明該項(xiàng)重金屬污染就越嚴(yán)重[4].

單項(xiàng)污染指數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是以土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ),目標(biāo)明確,但單因子指數(shù)法僅僅針對(duì)土壤中重金屬單元素進(jìn)行評(píng)價(jià),不能反映土壤污染的綜合狀況，因此在單因子評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上發(fā)展了多種綜合污染指數(shù)法.

1.2 綜合指數(shù)法的基本原理

1.2.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計(jì)算公式為：

其中：Q綜：內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；n：監(jiān)測(cè)污染指標(biāo)個(gè)數(shù)；Qi(max)：各指標(biāo)污染指數(shù)中的最大值.由內(nèi)梅羅污染指數(shù)的計(jì)算公式可以看出，內(nèi)梅羅指數(shù)法的計(jì)算公式中含有評(píng)價(jià)參數(shù)中最大的單項(xiàng)污染分指數(shù)，突出了污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，可以避免由于平均作用削弱污染金屬權(quán)值現(xiàn)象的發(fā)生，但是其過(guò)分突出污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用,在評(píng)價(jià)時(shí)可能會(huì)人為夸大濃度高的因子或縮小濃度低的因子的影響作用使其對(duì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的靈敏性不夠高,可能造成計(jì)算結(jié)果難以區(qū)分土壤環(huán)境質(zhì)量污染程度的差別.

1.2.2 姚氏綜合指數(shù)法

該方法是先確定主要污染物的分指數(shù)，再求所有污染物的平均分指數(shù)，最后求得兩個(gè)分指數(shù)的幾何平均值.指數(shù)公式定義為：

式中：Qi——某污染物的濃度；n：監(jiān)測(cè)污染指標(biāo)個(gè)數(shù)；max(Qi)：各指標(biāo)污染指數(shù)中的最大值；同內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)相比較，姚氏綜合指數(shù)法在考察平均污染程度的同時(shí)，又強(qiáng)調(diào)了主要污染物對(duì)綜合指數(shù)的突出影響，克服了算術(shù)平均值指數(shù)不高的缺陷[5].

1.2.3 混合加權(quán)模式

混合加權(quán)法的計(jì)算公式為：

式中：Ii為各重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)；∑1為所有Ii>1，即單項(xiàng)污染指數(shù)大于1的各項(xiàng)求和；∑2為所有單項(xiàng)污染指數(shù)Ii求和；Wi1和Wi2為組成系數(shù)，當(dāng)對(duì)于所有的Ii：則有.由上面的公式可以看出，混和加權(quán)模式法由兩部分給出，一部分是單因子未超標(biāo)的，一部分是單因子超標(biāo)的，二者對(duì)土壤污染的作用是不一致的，因此應(yīng)該根據(jù)二者貢獻(xiàn)的大小確定不同權(quán)重，分別賦予不同的系數(shù)，所以混和加權(quán)法反映土壤污染的真實(shí)情況.

2 以淮南礦區(qū)為例

2.1 評(píng)價(jià)范圍

本次評(píng)價(jià)選擇潘三礦和新莊孜礦所在淮南市部分區(qū)域，重點(diǎn)評(píng)價(jià)區(qū)域?yàn)榛茨系V區(qū)，同時(shí)添加淮南礦區(qū)界線圖、淮南縣區(qū)界線圖、水系圖和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖等要素.

2.2 樣品采集與分析

2.2.1 樣品采集

（1）采樣時(shí)間：2011年.

（2）樣點(diǎn)布置：土壤樣點(diǎn)采自淮南市域范圍內(nèi)的礦區(qū)，數(shù)據(jù)主要分為三個(gè)部分，一個(gè)是按照采樣區(qū)平均布點(diǎn)，第二個(gè)是潘三礦和新莊孜礦礦區(qū)內(nèi)重點(diǎn)采樣，第三個(gè)是礦區(qū)周?chē)貐^(qū)采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)均使用GPS進(jìn)行準(zhǔn)確定位，獲得該采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并相應(yīng)記錄樣點(diǎn)周?chē)耐恋乩煤铜h(huán)境情況，樣點(diǎn)和評(píng)價(jià)區(qū)域分布如圖1所示.

（3）樣點(diǎn)數(shù)量：60個(gè).

（4）樣品處理方法:土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干后去雜.

（5）主要測(cè)試儀器:M6型原子吸收分光光度計(jì),AFS-230 E型原子熒光光度計(jì),ADVANTcXP+型X-射線熒光光譜儀.

圖1 采樣點(diǎn)位和評(píng)價(jià)區(qū)域分布圖

2.2.2 分析比較

選取淮南礦區(qū)采集的4個(gè)土壤樣點(diǎn)，計(jì)算9項(xiàng)重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)分別用內(nèi)梅羅指數(shù)、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1所示.

由表1中的計(jì)算結(jié)果可以看出，用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和姚氏指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果比較接近,但結(jié)果也不一樣,內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法雖然考慮了分指數(shù)的算術(shù)平均值和突出了污染最嚴(yán)重元素貢獻(xiàn)率,而忽略了各分指數(shù)對(duì)綜合污染影響貢獻(xiàn)的差異;姚氏指數(shù)法是對(duì)內(nèi)梅羅指數(shù)法的改進(jìn)，把最大值和平均值的比作為權(quán)重，減小污染指數(shù)最大的污染物在評(píng)價(jià)中對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響作用，但仍未考慮各分指數(shù)對(duì)綜合污染影響貢獻(xiàn)的差異；此外由表中計(jì)算結(jié)果還可以看出，用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和姚氏指數(shù)法均難以區(qū)分土壤環(huán)境質(zhì)量污染程度的差別.

表1 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表

混合加權(quán)方法特點(diǎn)在于首先對(duì)單項(xiàng)污染指數(shù)進(jìn)行比較和分析，將單項(xiàng)污染指數(shù)分成超標(biāo)和未超標(biāo)兩個(gè)部分，每一部分分別賦予不同的權(quán)重.因此當(dāng)某一采樣點(diǎn)各重金屬污染物的濃度都未超標(biāo)時(shí)，由混和加權(quán)法算出來(lái)的綜合污染指數(shù)也一定不超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)有一項(xiàng)重金屬超標(biāo)時(shí)，其綜合污染指數(shù)也一定會(huì)超標(biāo).這就避免了內(nèi)梅羅污染指數(shù)法由于平均作用削弱污染金屬權(quán)值，從而夸大濃度高的因子或縮小濃度低的因子的影響作用現(xiàn)象的發(fā)生.

2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

利用ESRI公司GIS桌面版軟件Arcgis9.2的空間分析，在計(jì)算出單項(xiàng)污染指數(shù)的基礎(chǔ)上，由內(nèi)梅羅指數(shù)法、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的綜合污染指數(shù).將計(jì)算結(jié)果和淮南行政區(qū)界圖、水系、礦區(qū)界線圖疊加處理后分別得到如下土壤重金屬綜合污染指數(shù)超標(biāo)點(diǎn)位分布情況，如圖2所示.

圖2 綜合污染指數(shù)超標(biāo)點(diǎn)位分布圖

由圖2可以看出內(nèi)梅羅指數(shù)法、混合加權(quán)法和姚氏綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果的基本趨勢(shì)是相同的，即三種污染評(píng)價(jià)方法對(duì)區(qū)域污染評(píng)估的大致趨勢(shì)是相同的，但不同之處在于用混合加權(quán)計(jì)算出來(lái)的綜合污染指數(shù)的超標(biāo)點(diǎn)位要比用內(nèi)梅羅指數(shù)和姚氏綜合指數(shù)法計(jì)算出來(lái)的多.

內(nèi)梅羅和混合加權(quán)的評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示.

表2 評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

本次評(píng)價(jià)區(qū)域所采集的樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中單元素超標(biāo)點(diǎn)位（即監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)中的9項(xiàng)重金屬有任意一項(xiàng)超標(biāo)的點(diǎn)位）個(gè)數(shù)共5個(gè).綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分別由內(nèi)梅羅指數(shù)、姚氏綜合指數(shù)法和混合加權(quán)計(jì)算給出，可以看出，混合加權(quán)計(jì)算出來(lái)的超標(biāo)點(diǎn)位和單元素超標(biāo)點(diǎn)位的個(gè)數(shù)是一致的，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果與評(píng)價(jià)圖所反映的情況也是一致的.

2.4 結(jié)果分析

通過(guò)兩者的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)梅羅指數(shù)法和姚氏綜合指數(shù)法不能明確區(qū)分環(huán)境是清潔還是已經(jīng)被污染，對(duì)于已有單因子污染指數(shù)大于1的點(diǎn)位用內(nèi)梅羅指數(shù)法和姚氏綜合指數(shù)法計(jì)算出的結(jié)果可能并不超標(biāo)，認(rèn)為環(huán)境并未被污染，這就與實(shí)際結(jié)果不相一致.此次實(shí)驗(yàn)中，內(nèi)梅羅指數(shù)法和姚氏綜合指數(shù)法分別有4個(gè)點(diǎn)和5個(gè)點(diǎn)單因子污染指數(shù)大于1，但是綜合污染指數(shù)被認(rèn)為是清潔的.由此對(duì)比可以看出混合加權(quán)法的優(yōu)勢(shì)，混合加權(quán)法根據(jù)單項(xiàng)污染指數(shù)的屬性進(jìn)行了分類(lèi)加權(quán)求和，將超標(biāo)的污染物進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，這就使得混合加權(quán)法對(duì)各種環(huán)境質(zhì)量有較靈敏的分辨率，可以體現(xiàn)土壤中超標(biāo)污染物和未超標(biāo)污染物的不同作用，能將其他方法無(wú)法區(qū)別的環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)別開(kāi)來(lái).

3 GIS支持下的三種綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)分析

由于土壤是一個(gè)不均勻、具有高度空間變異性的混合體，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)位只能代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的土壤質(zhì)量狀況，以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值表示區(qū)域土壤污染的程度誤差較大，無(wú)法從真正意義上表達(dá)區(qū)域土壤污染的分布情況[3].反距離加權(quán)插值（Inverse Distance to a Power），也可以稱(chēng)為距離倒數(shù)乘方法，綜合了泰森多邊形的自然鄰近法和多元回歸漸變方法的長(zhǎng)處，它是一種精確的插值法.是研究空間分布比較穩(wěn)健的工具，可以最大限度的保留空間信息，在地理信息系統(tǒng)軟件（GIS）的支持下，可以用來(lái)揭示區(qū)域土壤各重金屬元素污染的空間分布特征和規(guī)律.

圖3 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)圖

本文即在arcgis9.2支持下利用反距離加權(quán)插值分析技術(shù)根據(jù)評(píng)價(jià)單元生成基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的預(yù)測(cè)表面，從而可視化顯示區(qū)域的土壤污染的空間分布情況，如圖3所示.可以看出，潘三礦西部，新莊孜礦南部等區(qū)域，重金屬濃度偏高，這一結(jié)果與上圖中超標(biāo)樣點(diǎn)的分布大致趨于一致.

4 結(jié)論

(1)通過(guò)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、姚氏綜合污染指數(shù)法和混合加權(quán)法三種方法的比較可以看出，混合加權(quán)法是可以克服內(nèi)梅羅污染指數(shù)及姚氏綜合污染指數(shù)法的缺陷和不足，更好的反應(yīng)土地重金屬污染現(xiàn)狀，相比其它兩種方法具有更好的靈敏性，但由于混合加權(quán)還沒(méi)有相應(yīng)的污染分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，只能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷該區(qū)域是污染而不能區(qū)分污染的程度和級(jí)別，因此對(duì)混合加權(quán)法還需要進(jìn)一步的改進(jìn).

(2)利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能可以對(duì)環(huán)境檢測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，是對(duì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的分析和評(píng)價(jià)工具，也是環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)的有效工具，在GIS支持下進(jìn)行淮南礦區(qū)土壤的重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：潘三礦西部，新莊孜礦南部地區(qū)土壤重金屬濃度偏高，主要污染物為砷（As），可能與這些區(qū)域長(zhǎng)期進(jìn)行采礦作業(yè)導(dǎo)致土壤中重金屬的蓄積有關(guān)，尤其是礦山開(kāi)采中的伴生礦中很容易導(dǎo)致砷污染.

(3)反距離加權(quán)空間插法一種局部插值法，其假設(shè)前提是未知值的點(diǎn)受較近控制點(diǎn)的影響比較遠(yuǎn)控制點(diǎn)的影響更大[7].該方法要求對(duì)受影響的局部控制點(diǎn)有清楚的認(rèn)識(shí)，且其結(jié)論直接受到采樣點(diǎn)數(shù)值的影響，采樣點(diǎn)越多，對(duì)局部的真實(shí)反映越強(qiáng)，利用反距離加權(quán)插值法所確定的污染范圍就越準(zhǔn)確.

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