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1、基于模糊数学的太原市敦化灌区污灌土壤重金属污染评价基于模糊数学的太原市敦化灌区污灌土壤重金属污染评价11第 29 卷第 6 期环境化学 Vol 29，No 6 2010 年 11 月 ENVIRONMENTAL CHEMISTRY November 2010 基于模糊数学的太原市敦化灌区污灌土壤重金属污染评价* 梁镇海 1 陈翠翠 1 韩玉兰 2 成昌顺 2 罗玉 2 续卫国 2陈启斌 1 任所才 1( 1 太原理工大学，太原，030024; 2 太原市清徐县水务局，太原，030400)摘要采用原子吸收和原子荧光分光光度法测定了太原市敦化污灌区95 个表层土壤样品的 8 种重金属含量，并对污灌
2、土壤的 pH 值、阳离子交换量、容重等理化性质进行分析，在此基础上采用模糊数学方法评价了其土壤环境质量，探讨了灌区土壤重金属的分布特征及污染状况 结果表明，土壤重金属砷、铜、锌、镍、汞、铬和铅含量值都在国家二级标准值范围内，平均含量分别为 6 165，39 198，114 758，37 225，0 171，28 249 和37 468 mgkg 1 ，重金属镉的含量高于国家二级标准值，平均含量高达 1 247 mgkg 1 ; 敦化灌区土壤的平均pH 值为 8 01，属弱碱性土壤，平均阳离子交换量为 80 96cmolkg 1 ，表层土壤有机质含量在 1 27% 2 18%之间; 模糊数学评价
3、结果得到灌区土壤环境质量为三级水平，各个采样点的污染程度为董家营村西 西谷乡东 王答乡南 孟封镇北 鹅池村南关键词敦化污灌区，模糊数学模型，污染评价，土壤，重金属重金属是土壤环境中一类具有潜在危害的污染物，它们在土壤环境中一般不易随水流失，不能被微生物分解，常在土壤环境中富集1 ，因此对土壤重金属的研究越来越受到国内外学者的关注2-4 用来评价土壤环境质量的方法有综合污染指数法、聚类分析法、层次分析法和模糊数学法等5 ，其中最主要的方法是单因子污染指数法和内罗梅综合污染指数法，但由于土壤污染具有渐变性和隐蔽性等特点，采用模糊数学模型对污染程度进行评价更科学合理，而且在环境质量评价中其分辨率明显
4、高于其它评价方法6 敦化灌区位于太原市南端，是晋中平川的一部分，本文针对有二十余年污灌历史的清徐县，通过取样与室内分析，采用模糊数学法进行综合评价，对敦化污灌区土壤重金属 Cu，As，Ni，Hg 、Zn 、Cr 、Cd 和 Pb 的含量及累积污染程度做出相应的研究，以期为太原市污灌区土壤污染防治及生态环境管理提供参考 实验部分1 1 样品采集敦化灌区土地资源较丰富，根据全国第二次土壤普查结果，灌区土壤分为褐土、草甸土、盐土三大类 采样点主要分布在太原市敦化污灌区的五个乡镇，具体取样位置为王答乡南、董家营村西，西谷乡东、鹅池村南和孟封镇北，共采集到样品 95 个，每个样品的取样量不少于 1kg
5、1 2 样品分析将样品自然风干，采用四分法取 0 5kg，去除植物残体及石子，研磨过 100 目筛，装入样品袋保存 采用电位法测定土壤 pH 值，有机质( SOM) 采用重铬酸钾法测定，土壤粒度采用比重法测定，环刀法测定土壤的容重 样品经 HCl-HNO3 消化测定重金属离子，消解时按国标要求加入强酸试剂，消解后过滤定容至 50ml 备用 利用火焰原子吸收法( AA240FS VARIAN) 测定重金属离子 Cu，Ni，Zn，Cr，Pb 和 Cd，重金属 Hg 和 As 采用 AFS-3100 双道原子荧光光度计( 北京科创) 分析，每个样品平行测定三次，取平均值进行统计分析 2009 年 1
6、1 月 27 日收稿 * 山西省水利厅科研项目( 2007-647) 通讯联系人，E-mail: liangzhenhai tyut edu cn 6 期梁镇海等: 基于模糊数学的太原市敦化灌区污灌土壤重金属污染评价 1153 1 3 评价方法研究采用模糊数学模型对清徐县土壤重金属进行评价 首先需要确定隶属度函数，建立关系模糊矩阵 取 u = 铜、镍、汞 为评价因子的集合; v = 一级、二级、三级 ; 通过隶属度函数求得各指标对各级别土壤重金属污染状况的隶属度，组成一个 3 3 的模糊矩阵，即关系模糊矩阵7 按如下隶属度函数计算各因素指标的隶属度: 一级隶属度函数 u( xi ) = 1 x
7、iai ( bi xi ) /( bi ai ) ai xi bi 0 xib i 二级隶属度函数 u( xi ) = 1 xiai ( xi ai ) /( bi ai ) ai xi bi ( ci xi ) /( ci bi ) bixi c i 三级隶属度函数 u( xi ) = 0 xibi ( xi bi ) /( ci bi ) bi xi ci 1 xic i 式中，xi为某重金属含量的实测值; ai、bi、ci 分别为该重金属对应于一、二、三级土壤重金属环境质量状况的标准值 由于各单项评价指标对环境综合体的贡献存在差异，因此应有不同的权重 计算权重的方法很多， 一般采用土壤环
8、境中污染物因子的实测浓度与其相应分级标准的比值来计算权重，其公式为: wi = ci /Si n i = 1 ci /Si 其中，ci为各指标的实测值; Si 为( S1 + S2 + S3 ) /3 依照此式计算出三个参评重金属因子的权重，写成矩阵形式 w = a，b，c ，这种以各个评价因子的权重值形成的矩阵称为权重模糊矩阵 按照上述方法分别计算各采样点的关系模糊矩阵和权重模糊矩阵，采用单因素决定模型和加权平均模型进行评价 单因素决定模型即先取小后取大的原则来计算各级隶属度并归一化; 加权平均模型为: bj =n i = 1 wi rij， j = 1，2，3 式中: bj 为最终评价结果
9、对应于第 j 个等级的隶属度，wi 为对应的权重，rij 为模糊关系矩阵 S 中对应的元素，n 为参评因子的个数 1 4 评价标准分别采用土壤环境质量标准8( GB156181995) 二级标准进行分析评价，具体标准如表 1 表 1 土壤环境质量标准值( mgkg 1 ) Table 1 Soil enviromental quality standards 评价标准 As Hg Cd Pb Cr Cu Ni Zn pH 6 5 40 0 3 0 3 250 150 50 40 200 国家二级 6 5 pH 7 5 30 0 5 0 3 300 200 50 50 250 pH 7 5 25
10、 1 0 0 6 350 250 100 60 300 2 结果与讨论2 1 土壤理化性质太原市敦化污灌区表层土壤理化性质如表 2 所示 从表 2 可以看出，灌区阳离子交换量的平均值为80 96cmolkg 1，其中王答乡南的阳离子交换量最高( 118 95cmolkg 1 ) ; 灌区土壤 pH 分布比较集中， 表层土壤 pH 值在 8 左右，最高平均值 8 38 出现在王答乡南，最低平均值 7 61 出现在董家营村西，整体环 境化学 29 卷平均 pH 值为 8 01，属弱碱性土壤9; 表层土壤有机质含量在1 27% 2 18% 之间，灌区土壤整体有机质平均含量为 1 69% ，从有机质含
11、量的分布来看灌区土壤较适合农业生产; 土壤容重是指在未破坏土壤结构的情况下，单位容积中的质量，是衡量土壤松紧状况的指标，整体容重分布在 1 1971 471 gcm 3 之间，不同采样点的容重如表 2 所示，整体容重平均为1 320gcm 3 ; 从粒度比可以划分土壤的质地，5 个采样点的土壤质地均属于壤土类; 灌区土壤结构多为碎块和屑粒状，颜色为棕红色 表 2 表层土壤基本性质Table 2 The properties of surface soil采样点孟封镇北鹅池村南西谷乡东王答乡南董家营村西阳离子交换量/( cmolkg 1 ) 59 35 61 49 85 27 118 95 79
12、 75 pH 平均值 8 02 7 97 8 06 8 38 7 61 有机质/% 2 18 1 56 1 40 2 03 1 27 容重/( gcm 3 ) 1 373 1 312 1 249 1 197 1 471 沙粒/% 50 30 41 48 78 粉粒/% 43 60 48 45 17 粘粒/% 7 10 11 7 55 土壤质地壤土粉沙壤土粉沙壤土壤土沙壤土2 2 灌区重金属平均含量对灌区的 8 种重金属进行分析，结果见表 3 灌区重金属 Cu 的最高含量为 106 258mgkg 1 ，平均含量为 39 198mgkg 1 ，以国家二级标准值计算其超标率仅为 1% ，但若以山西
13、省的背景值计算10 ，超标率为 91 4% ，说明 Cu 含量基本没有高于二级标准的，符合农业生产的需要，但有被污染的趋势 采样点的 Zn 含量最高达 573 265mgkg 1 ，Hg 的最高含量为 0 981 mgkg 1 ，但整体上 Zn 、Hg 平均含量( 114. 758 、0 171mgkg 1 ) 没有高于二级标准值 Ni 含量超过二级标准 4 3% ，比山西省背景值高62. 9% ，污染程度较小 As 、Cr 的含量都很低，基本没有污染 Cd 含量都高于二级标准值( 06 mgkg 1 )， 属于污染最严重的重金属元素，由此推测，敦化灌区使用的灌溉污水中含有大量的 Cd，要控制
14、 Cd 的污染程度，应首先对灌溉污水进行处理 表 3 土壤中重金属元素平均含量( mgkg 1 ) Table 3 Average content of heavy metals in soils ( mgkg 1 ) 采样点 Cu Zn Hg Ni Pb Cr Cd As 王答乡南 38 452 103 713 0 168 36 588 35 796 28 691 1 256 6 576 董家营村西 42 112 156 763 0 190 41 788 36 046 30 793 1 422 6 638 西谷乡东 39 516 106 730 0 132 37 549 32 000 28
15、764 1 215 5 867 孟封镇北 40 606 109 610 0 246 37 973 34 319 28 707 1 234 6 338 鹅池村南 35 302 96 974 0 119 32 226 49 181 24 291 1 107 5 406 变异系数( CV) 0 241 0 290 0 491 0 266 0 328 0 438 0 142 0 195 2 3 重金属含量与土壤理化性质的相关性为了揭示重金属污染状况与土壤性质的关系，采用 SPSS 软件对其相关性进行分析，表 4 为土壤重金属含量与土壤理化性质的相关系数矩阵 分析结果表明，土壤中重金属与 pH 值均呈负相关，重金属Zn 与 pH 值的负相关性最明显为0 785，说明 pH 值是影响土壤重金属含量的一个重要性质; 重金属含量与阳离子交换量的相关性不明显，Zn，Hg，Pb 与阳离子交换量呈负相关，其余 5 种为正相关，但相关性不显著; 容重也是影响重金属含量的重要性质，从表 4 中可以看出重金属含量与土壤容重均为正相关; 重金属 Hg，As 与有机质呈正相关，其余为负相关 表 4 土壤重金属元素与土壤理
