基于三角模糊數(shù)的生活垃圾填埋場重金屬污染綜合評價

黃志亮，劉 勇，魏延伊洛，王正中，洪慧蘭，羅 彬，金 晶

（1.北京高能時代環(huán)境技術(shù)股份有限公司，北京 100095；2.曼谷大學國際學院，曼谷 10700）

2011年，全國657個城市共有677座各類生活垃圾處理設(shè)施，其中填埋場有547座，占全部處理設(shè)施的80.8%，而且衛(wèi)生填埋的數(shù)量和處理能力還在增長中。另外還有大量的堆放和簡易填埋處理設(shè)施［1］。我國垃圾收集時因電池、廢舊燈管等廢物混入生活垃圾填埋場，造成填埋場滲瀝液和周邊土壤重金屬污染嚴重。同時在老舊填埋場改造過程中，填埋的垃圾經(jīng)簡單的篩分、堆肥后的產(chǎn)品施用于農(nóng)業(yè)土壤，造成了農(nóng)田重金屬污染，通過食物鏈影響到人體健康。因此，掌握生活垃圾填埋場的重金屬污染狀況，對于老舊垃圾填埋場的生態(tài)修復和改造具有重要意義。

1 評價方法

1.1 數(shù)據(jù)源

從2001—2013年公開發(fā)表的文獻中，收集我國30多個垃圾填埋場所調(diào)查的土壤重金屬數(shù)據(jù)，總共收集各種數(shù)據(jù)437個［2-20］。所收集的資料采用SPSS18.0做統(tǒng)計分析。

1.2 基于三角模糊數(shù)的地累積指數(shù)評價模型分析

地累積指數(shù)法是德國海德堡大學沉積物研究所的科學家Muller在1969年提出的，用于定量評價沉積物中的重金屬污染程度［21］。

式中：Ci為樣品中第i種重金屬元素的平均濃度（mg/kg）；Bi是所測元素的平均地球化學背景值，通常為全球頁巖元素的平均含量（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 依次為13、0.3、62、45、0.35、68、34、118 mg/kg）；k為修正造巖運動引起的背景波動而設(shè)定的系數(shù)，一般取值1.5。

依據(jù)地累積指數(shù)值（Igeo）把土壤中重金屬污染程度分為7個等級，見表1。

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模糊數(shù)學方法通過隸屬度函數(shù)描述土壤重金屬污染狀況的漸變性和模糊性，評價結(jié)果具有一定可靠性。三角模糊數(shù)處理技術(shù)適用于評價數(shù)據(jù)不足或者數(shù)據(jù)精度不高的重金屬污染狀況，已有成功的應用［22-25］。將污染物濃度和地球化學背景值經(jīng)α-截集技術(shù)［26-27］處理后的數(shù)據(jù)分別表示為Ci=（C1i，C2i，C3i）、Bi=（B1i，B2i，B3i）。把三角模糊數(shù)參數(shù)用公式（1）算得三角模糊化的地累積指數(shù)評價模型：

經(jīng)α-截集技術(shù)處理得到的土壤污染物地累積指數(shù)是一個區(qū)間數(shù)，用隸屬度函數(shù)計算可確定土壤重金屬污染程度等級。設(shè)地累積指數(shù)區(qū)間［Igeo1，Igeo2］對［I*geo1，I*geo2］的隸屬度可以定量表示為：

式中：A（λ）表示 ［Igeo1，Igeo2］對 ［I*geo1，I*geo2］的隸屬度；||表示區(qū)間幾何長度；∩表示取2個區(qū)間的交集；［I*geo1，I*geo2］表示評價等級的第λ等級，其中λ=1，2，3…n。

由公式（3） 得到［Igeo1，Igeo2］對各個等級的隸屬度，然后基于地累積指數(shù)污染等級的劃分得出［Igeo1，Igeo2］的重金屬污染程度。

式中：I′geoi是重金屬i的模糊地累積指數(shù)，V（λ）為各個污染等級的賦值。

地累積指數(shù)法只能判斷單獨一種重金屬的危害程度，不能很好地反映各填埋場的重金屬污染的綜合程度。可結(jié)合各重金屬的生物毒性的差異，確定8種重金屬的污染權(quán)重W。將污染權(quán)重分為5個級別，并表示為三角模糊數(shù)，5個級別分別定義為 ： 1= （0， 1， 2）， 2= （1， 2， 3）， 3=（2，3，4），4= （3，4，5），5= （4，5，6），經(jīng)α-截集技術(shù)處理后污染權(quán)重區(qū)間為1=［0.90，1.10］，2=［1.90，2.10］，3=［2.90，3.10］，4=［3.90，4.10］，5=［4.90，5.10］。根據(jù)各種重金屬的生物毒性大小，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的污染權(quán)重見表2。結(jié)合污染權(quán)重，建立生活垃圾填埋場重金屬污染綜合評價模型：

2 結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)的選擇

2.1.1 污染物濃度參數(shù)

所收集的數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析處理后見表2。由表2可以看出，As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn屬于高強度變異，Cu、Ni屬于中等變異，都說明了所調(diào)查的8種重金屬元素的數(shù)據(jù)離散程度較大，符合各地不同垃圾填埋場重金屬污染的特征。經(jīng)過K-S檢驗后，除Cu和Ni外，其他元素都不符合正態(tài)分布。因此采用三角模糊模型進行評價。

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將表2各重金屬元素的濃度用三角模糊數(shù)Ci的形式表示，見表3。

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將表3數(shù)據(jù)經(jīng)α-截集技術(shù)（α取0.9） 轉(zhuǎn)化為明確的區(qū)間數(shù)，見表4。

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2.1.2 地球化學背景值參數(shù)

Bi為地球化學背景值，參考關(guān)于背景值研究的文獻［28-31］，將8種重金屬的背景值進行三角模糊化表示，經(jīng)過α-截集處理轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)，結(jié)果見表5。

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2.2 綜合評價結(jié)果

根據(jù)公式（2）和表4、5計算得到垃圾填埋場土壤中各重金屬的模糊地累積指數(shù)區(qū)間，見表6。

由表1的地累積指數(shù)的土壤重金屬污染程度分級可知，表6中部分重金屬的地累積指數(shù)區(qū)間介于2個污染級別之間，說明僅用該指數(shù)判斷重金屬的污染程度存在模糊性。因此通過表6數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（3） 和公式（4） 進行隸屬度的運算得到I′geoi，與確定性方法評價（采用公式（1）計算）的結(jié)果Igeoi對比，結(jié)果四舍五入后取值，見表7（排列順序為模糊地累積指數(shù)模型結(jié)果，確定性地累積指數(shù)評價結(jié)果）。

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從表7可看出，我國生活垃圾填埋場在一定程度上均受到了重金屬的污染，As和Cd達到中度污染水平，其他重金屬處于輕度和偏中度污染范圍。采用模糊地累積指數(shù)模型和確定性地累積指數(shù)進行評價，結(jié)果有偏差，確定性地累積指數(shù)評價的污染等級小于模糊地累積指數(shù)模型評價的污染等級。可能原因是確定性地累積指數(shù)的評價僅考慮單一重金屬的污染，忽略了每種重金屬的生物毒性的差異，這可能掩蓋了有些濃度低但毒性大的重金屬的污染作用。模糊地累積指數(shù)模型中的地球化學背景值是一個范圍值，較于確定性地累積指數(shù)評價取得的固定值更具準確性，因此基于三角模糊數(shù)的地累積指數(shù)評價模型評價結(jié)果更加科學。結(jié)合各重金屬的生物毒性的污染權(quán)重的模糊地累積指數(shù)模型評價結(jié)果見表8。

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由表8可看出，我國垃圾填埋場的重金屬綜合污染處于嚴重污染狀況，8種重金屬都處于不同程度的污染水平。

3 結(jié)論

基于三角模糊數(shù)和重金屬污染權(quán)重的垃圾填埋場重金屬綜合污染評價模型在數(shù)據(jù)較少或精度不高等條件下彌補了確定性評價的缺點，能更全面、真實地綜合評價垃圾填埋場的重金屬污染和潛在生物毒性風險的信息，提高了評價結(jié)果的可分辨性。用此模型評價了我國垃圾填埋場面臨較嚴重的重金屬污染問題，其中As和Cd污染情況突出。綜合評價的結(jié)果對于垃圾填埋場的發(fā)展和生態(tài)修復提供了重要指導意義。今后一段時間，垃圾衛(wèi)生填埋作為主要的垃圾處理方式，填埋場數(shù)量和處理能力將逐漸增加，填埋場和周邊土壤的重金屬污染問題不容忽視。另一個方面，越來越多的老舊垃圾填埋場嚴重影響周邊的環(huán)境，需要進行生態(tài)修復，垃圾填埋場的重金屬綜合污染狀況評價對于其生態(tài)修復的決策有重要指導意義。

［1］中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會城市生活垃圾處理委員會.我國城市生活垃圾處理行業(yè)2012年發(fā)展綜述［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2013（3）：20-26.

［2］張維，岳波，張志彬．陳腐垃圾的重金屬污染特征及其潛在風險評價［J］．陜西師范大學學報：自然科學版，2013，41（3）：89-92．

［3］涂培．成都長安垃圾填埋場周邊土壤重金屬污染狀況分析及評價［D］．成都：四川農(nóng)業(yè)大學，2013．

［4］常青山，馬慶祥，王志勇，等．城市垃圾填埋場重金屬污染特征及其評價［J］．福建農(nóng)林大學學報：自然科學版，2007，36（2）：194-197．

［5］李仲根，馮新斌，湯順林，等．城市生活垃圾填埋場垃圾-土壤-植物中汞含量的分布特征［J］．地球與環(huán)境，2006，34（4）：11-18．

［6］范例，羅毅，羅財紅．固體廢物集中填埋和焚燒處置場周邊土壤污染狀況研究［C］．中國環(huán)境科學學術(shù)年會論文集，2011．

［7］謝文彪，張鴻郭，溫珠花，等．廣州某垃圾填埋場土壤重金屬污染調(diào)查［C］．第二屆重金屬污染監(jiān)測風險評價及修復技術(shù)高級研討會論文集，2008．

［8］王春銘，高云華，張登偉，等．廣州增城市垃圾填埋場封場土壤及植物重金屬調(diào)查與評價［J］．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32（4）：714-720．

［9］羅緒強，闕丹丹，張桂玲，等．貴陽市高雁城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場土壤Cd、Pb、Zn、Ni污染及評價研究［J］．山地農(nóng)業(yè)生物學報，2013，32（2）：159-163．

［10］于曉紅，趙賓，任明強．貴陽市花溪區(qū)垃圾填埋場土壤污染特征［J］．環(huán)境化學，2013，32 （10）：1993-1994．

［11］吳紅雨，黃紅，吳敬波．淮安市某垃圾填埋場重金屬及有機物污染現(xiàn)狀調(diào)查［J］．儀器儀表與環(huán)境監(jiān)測，2013（3）：44-46．

［12］夏立江，溫小樂．生活垃圾堆填區(qū)周邊土壤的性狀變化及其污染狀況［J］．土壤與環(huán)境，2001，10（1）：17-19．

［13］包丹丹，李戀卿，潘根興，等．垃圾堆放場周邊土壤重金屬含量的分析及污染評價［J］．土壤通報，2011，42（1）：185-189．

［14］趙秀閣，張金良，王紅梅，等．某衛(wèi)生垃圾填埋場周邊土壤和植物的重金屬污染現(xiàn)狀［J］．職業(yè)與健康，2013，29（1）：29-31．

［15］劉可卿，陳澤智，劉鵬，等．南京市某垃圾填埋場重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查［J］．環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2008，20（4）：24-26．

［16］梁晶，王肖剛，張慶費，等．上海市垃圾填埋場土壤特性研究［J］．南京林業(yè)大學學報：自然科學版，2013，37（1）：147-152．

［17］陳志濤，覃仁娟，李子峰，等．上海市桃浦垃圾填埋場封場植被的重金屬吸收和積累特征［J］．環(huán)境工程學報，2013，7（12）：5025-5031．

［18］楊紅艷．沈陽市生活垃圾填埋區(qū)周邊土壤重金屬污染狀況研究［J］．遼寧師專學報，2008，10（2）：106-107．

［19］肖正，何品晶，邵立明，等．填埋場內(nèi)重金屬總量及其形態(tài)分布對遷移性的影響［J］．環(huán)境化學，2005，24（3）：265-269．

［20］詹良通，陳如海，陳云敏，等.重金屬在某簡易垃圾填埋場底部及周邊土層擴散勘查與分析［J］.巖土工程學報，2011，33（6）：853-861.

［21］Muller G.Index of geoaccumulation in sediment of the Rhine River［J］.Geojournal，1969 （2）：108-118.

［22］Ronald E G，Robert E Y.Analysis of the error in the standard approximation used for multiplication of triangular an trapezoidal fuzzy numbers and the development of a new approximation［J］.Fuzzy Set Syst，1997，91 （1）：1-13.

［23］祝慧娜，袁興中，曾光明，等．基于區(qū)間數(shù)的河流水環(huán)境健康風險模糊綜合評價模型［J］．環(huán)境科學學報，2009，29（7）：1527-1533．

［24］樊夢佳，袁興中，祝慧娜，等．基于三角模糊數(shù)的河流沉積物中重金屬污染評價模型［J］．環(huán)境科學學報，2010，30（8）：1700-1706．

［25］李飛，黃瑾輝，曾光明，等．基于三角模糊數(shù)和重金屬化學形態(tài)的土壤重金屬污染綜合評價模型［J］．環(huán)境科學學報，2012，32（2）：432-439．

［26］Pan N F.Fuzzy AHP approach for selecting the suitable bridge construction method［J］.Automat Const，2008，17 （8）：958-965.

［27］李如忠．基于不確定信息的城市水源水環(huán)境健康風險評價［J］．水力學報，2007，38（8）：895-900．

［28］盛菊江，范德江，楊東方，等.長江口及毗鄰海域沉積物生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價［J］.環(huán)境科學，2008，29（9）：2405-2412.

［29］楊卓，李貴寶，王殿武，等.白洋淀底泥重金屬的污染及其潛在生態(tài)危害評價［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2005，24（5）：945-951.

［30］滕彥國，庹先國，倪師軍，等.應用地累積指數(shù)評價沉積物中重金屬污染：選擇地球化學背景的影響［J］.環(huán)境科學與技術(shù)，2002，25（2）：7-10.

［31］范文宏，張博，陳靜生，等.錦州灣沉積物中重金屬污染的潛在生物毒性風險評價［J］.環(huán)境科學學報，2006，26（6）：1000-1005.