基于模糊綜合評價的土壤環(huán)境質(zhì)量研究——以九龍縣里伍銅礦區(qū)為例

陳曉杰，何政偉，薛東劍

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都610059；2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都610059）

人類對礦產(chǎn)資源的開采由來已久，我國很早就對多種金屬與非金屬礦產(chǎn)資源進(jìn)行開發(fā)。礦產(chǎn)資源，在原有形成的自然條件下，具有其相應(yīng)的礦產(chǎn)資源賦存環(huán)境。然而，人工對資源予以開發(fā)，也就改變了原有成礦與賦存相對和諧的自然環(huán)境[1]。銅礦在采、選過程中產(chǎn)生的有毒和有害氣體、礦渣、廢水、粉塵等，不僅直接影響作業(yè)環(huán)境和工作條件，而且給礦區(qū)周圍的大氣、水、土壤造成危害；廢石堆、尾礦庫受到降雨淋浸作用，重金屬易進(jìn)入土壤造成污染；污水的排放污染水源，通過水循環(huán)，進(jìn)入地下水從而進(jìn)一步污染土壤[2]。合理地分析與評價礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，全面掌握土壤的污染現(xiàn)狀是礦區(qū)土壤污染治理和生態(tài)恢復(fù)必不可少的前提工作[3]。國內(nèi)學(xué)者在土壤環(huán)境質(zhì)量評價方面做出了許多創(chuàng)新性研究，如孟憲林等利用改進(jìn)層次分析法對上海市近郊和郊縣的農(nóng)業(yè)土壤做了環(huán)境質(zhì)量評價[4]；王金生利用灰色聚類法對江西德興銅礦的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價[5]；彭再德和王永利等人分別用模糊綜合評價法對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價[6－7]；師榮光等采用GIS混合加權(quán)模式對天津市城郊的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價研究[8]。

通過采集里伍礦區(qū)的土壤樣品并測定Cu，Zn，Hg，As，Pb，Cd重金屬元素含量，參照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618－1995），應(yīng)用模糊綜合評價法，對該銅礦區(qū)周邊土壤的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，為今后開展礦區(qū)土壤修復(fù)工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

里伍銅礦位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣魁多鄉(xiāng)和煙袋鄉(xiāng)境內(nèi)，地理位置為東經(jīng)101°38′25″—101°44′15″，北緯28°26′15″—28°33′00″。地貌上位于川西高原東緣，大雪山脈的南端，屬構(gòu)造深切割的中高山區(qū)，地形切割強烈。礦區(qū)屬于高原亞溫帶濕潤氣候區(qū)，冬季干燥寒冷，夏季溫涼多雨，降水豐富，溫度日較差大，四季不很分明。礦區(qū)主要土壤類型高程上自上而下大致是高山寒漠土、黑氈土、山地暗棕壤、棕壤。礦區(qū)植被覆蓋較高，以暗針葉林為主，下部也有針闊混交林。礦區(qū)處于揚子地臺西緣陸隆裂陷大地構(gòu)造背景下，銅礦體總體產(chǎn)狀受江浪背斜控制，含礦地層主要是中元古界里伍巖群中下段（Pt2l1—2）。巖性以云母片巖、云母石英片巖、片狀石英巖為主，為一套強烈變形變質(zhì)的核雜巖。里伍銅礦銅開采有30多年的歷史，銅礦開采已對周邊的土壤環(huán)境產(chǎn)生了重要影響。

2 樣品的采集及化驗分析

2.1 樣品的采集和處理

采樣點選擇有代表性的地段，根據(jù)礦區(qū)銅礦體的賦存狀況以及礦區(qū)各功能區(qū)（采場、選場、廢渣堆、尾礦庫等）的分布狀況設(shè)置了15個采樣點。土樣包括植被覆蓋土、廢渣、尾礦覆蓋土、臨近礦體土、遠(yuǎn)離礦區(qū)的原生土（具體見圖1）。采樣時盡量避開受居民生活污染的土壤，土壤樣品的采集按照梅花型布點法進(jìn)行，先用鐵鍬挖出方形土坑，選定一個切面，用木棍剔除與鐵鏟接觸的土壤，再按先下后上的順序挖取0—30cm的上層部分的土樣，最后將分層多點取得的土樣充分混合，用四分法反復(fù)取舍（剔除其中的砂礫、樹根、草根以及小生物），保留1.0kg左右的土樣，裝入布袋并寫好標(biāo)簽。

將自然風(fēng)干過的土壤樣品用瓷制研缽研磨，分別經(jīng)過100目和80目尼龍篩處理，保存?zhèn)溆?。實驗所用容器均?0%（體積分?jǐn)?shù)）的HNO3浸泡24h以上。

2.2 樣品的化驗測定

土壤樣品由四川省冶金地質(zhì)巖礦測試中心進(jìn)行分析。樣品分析的元素形態(tài)有：水溶態(tài)、吸附態(tài)、碳酸鹽態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和硅酸態(tài)6種，對研究的土壤分析的元素有 As，Cd，Cu，Hg，Pb，Zn這6種，不同的形態(tài)采用相應(yīng)的方法進(jìn)行處理。

圖1 里伍銅礦土樣采樣點分布

用原子熒光光譜法（AFS）測元素 As，Se，Hg，用等離體質(zhì)譜法（ICP—MS）測Cd，Cu，Pb和Zn，化驗分析結(jié)果見表1。

表1 土壤重金屬元素化驗分析結(jié)果 μg／g

3 土壤環(huán)境質(zhì)量的模糊評價

由于土壤中重金屬的評價指標(biāo)具有區(qū)域性，且大部分指標(biāo)及其相互關(guān)系難以精確量化表達(dá)，在評價時往往不能給以明確的分級，表現(xiàn)出一定的模糊性。因此研究采用模糊數(shù)學(xué)模型對里伍銅礦土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價[9－12]。由于土壤污染影響因子很多，這里主要選定上面確定的6個元素在土壤中的含量對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。

參照國家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995），只能把土壤質(zhì)量分成三級。鑒于此，為了使隸屬分級更具有層次行，可采用表2中金屬污染物的分級方法。

表2 土壤質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn) μg／g

（1）建立隸屬函數(shù)。以Cu為例，根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)建立其五級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬函數(shù)為

其余各項其它評價因子也都采用偏小型分布同樣可以得到各環(huán)境染評價指標(biāo)對五級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬函數(shù)。以土樣1為例，根據(jù)隸屬度函數(shù)得到其模糊關(guān)系矩陣R1。

（2）歸一化權(quán)重向量。由于各單項評價因子對某一環(huán)境綜合體的貢獻(xiàn)存在差異，因此對各單項因子應(yīng)予以一定的權(quán)重系數(shù)，采用土壤環(huán)境中重金屬污染因子的實際測量濃度與其相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)的比值來計算權(quán)重，相當(dāng)于把某項因子單污染指數(shù)作為權(quán)重。

式中：Ci——污染物的實測濃度值；Si——i污染物的分級標(biāo)準(zhǔn)值。因單項指標(biāo)總體中權(quán)系數(shù)的大小與某種功能下的單項分級標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)，所以對于Si取平均值。

將權(quán)重歸一化，即

從而構(gòu)成一個1×n階的模糊矩陣A，即

以土樣1為例，根據(jù)化驗結(jié)果和土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)建立其權(quán)重集為A1。

A1＝｛0.382，0.034，0.253，0.133，0.070，0.128｝

利用利用加權(quán)平均模糊合成算子式，將A與R合成得到模糊綜合評價結(jié)果向量B。

以土樣1為例，得出模糊評價結(jié)果向量

B1＝A1·R1＝ （b1，b2，b3，b4，b5，b6）＝ （0.3，0.276，0.347，0.045，0）

其它各采樣點運算方法同理。

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量模糊綜合評價結(jié)果

（3）評價結(jié)果分析。對研究區(qū)的15個采樣點數(shù)據(jù)的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行模糊綜合，結(jié)果見表3。通過表3可以看出土樣6、土樣7、土樣9、土樣11、土樣12、凈化站對一級隸屬度大，土壤環(huán)境質(zhì)量屬于優(yōu)良。而土樣1、土樣2、土樣3、土樣4、土樣5、土樣13、尾—1、尾—2對三級隸屬度大，土壤環(huán)境質(zhì)量屬于較好，但接近較差。分析結(jié)果和采樣點區(qū)域位置分布密切相關(guān)，采樣點中土樣6、土樣7、土樣9、土樣11、土樣12、凈化站在生活區(qū)附近采集或遠(yuǎn)離礦區(qū)在雅礱江附近采集，土壤環(huán)境質(zhì)量屬于優(yōu)良。而土樣1、土樣2、土樣3、土樣4、土樣5、土樣13、尾—1、尾—2的土壤采集點分布在廢渣堆和尾礦庫旁，由于淋浸作用等，造成土壤環(huán)境質(zhì)量屬于較好到接近較差。

4 結(jié)論

通過模糊綜合評價分析可以得知，里伍銅礦的土壤環(huán)境質(zhì)量整體較好，但是部分區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量較差。根據(jù)分析結(jié)果可知礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量由較差到好依次為：堆浸礦泥土＜堆浸土＜銅礦排污口泥土＜原生土壤＜銅礦區(qū)下游江邊土壤。原生土壤和銅礦區(qū)下游江邊土壤平時需要保護其現(xiàn)有的土壤環(huán)境質(zhì)量，避免一定的污染；堆浸礦泥土、堆浸土和銅礦排污口泥土需要采取一定的修復(fù)技術(shù)恢復(fù)其基本功能和重建生產(chǎn)力。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法來評價土壤重金屬污染程度是切實可行的。在模糊評價過程中，利用模糊數(shù)學(xué)的擬人思維和復(fù)雜邏輯推理能力，減少了評價結(jié)果中人為因素所造成的誤差，保證了評價結(jié)果的精度和可靠性。

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