基于模糊數學方法的土壤重金屬污染評價

安 卓

(河北工業職業技術學院宣鋼分院，河北 張家口 075100)

重金屬污染屬于土壤無機物污染的一種，該污染無法被微生物分解，經過長期積累后，會產生甲基化合物并進入糧食、蔬菜等農作物中，嚴重影響人類健康。在對土壤重金屬進行治理前，首先要做好針對重金屬污染的評價工作，可供選擇的評價方法較多，但實際操作中普遍面臨缺乏評價標準的問題[1-3]。在重金屬污染治理工作中，單純的土壤重金屬檢測數據難以直接用于指導污染治理工作。需要在土壤重金屬檢測數據的基礎上，對土壤污染程度進行分級處理，為有關單位提供一個定性的評級指標，在污染評級指標的指導下，管理者能夠更加便捷且有針對性地制定重金屬污染治理方案，避免治污藥物的濫用，防止產生二次污染，提高治污管理工作效率。因此，研究通過模糊綜合評價法來對土壤重金屬污染程序進行定性分析，構造模糊關系矩陣并建立綜合評價模型，基于土壤環境質量標準與現場土壤重金屬檢測數據來明確土壤樣點綜合隸屬度及其等級，為礦區土壤重金屬的治理工作提供定性的指標依據，方便煤礦企業制定土壤重金屬治理方案，環保部門也可以根據以定性指標為主的重金屬污染評價級別來開展相應的監督工作，在降低重金屬染污治理成本的同時提高治理方案的針對性。

1 模糊數學評價法

1.1 建立評價因素的因素集

研究設U為評價因素的因素集，各項評價指標因素為u1、u2、u3，…，則有U={u1，u2，…，un}。在此基礎上，依照重金屬元素污染及礦區施工工藝的特點建立土壤重金屬元素污染的因素集[4-5]。研究所建立的重金屬元素為因素集包括Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As重金屬元素，并將目標評價因子設定為各重金屬污染物的實測濃度，建立評價目標的評價集。研究設V為評價因子評價標準集合，各指標因素分別為v1、v2、v3，…，則有V={v1，v2，…，vn}。在此基礎上，依照《土壤環境質量標準》(GB 15618—2009)，通過Ⅰ級(清潔)、Ⅱ級(尚清潔)、Ⅲ級(輕污染)、Ⅳ級(中污染)、Ⅴ級(重污染)5個等級對重金屬元素污染進行劃分，建立V={v1，v2，v3，v4，v5}的重金屬元素污染評價集，表1為各項因子的評價標準[6-8]。

表1 評價目標的評價集V

1.2 確定評價因素的權重集

將A={a1，a2，a3，a4，a5，a6}定義為各重金屬元素的權重值集。研究基于各重金屬元素的危害程度和毒理特性，通過毒性系數來確定各重金屬元素的權重值集。計算權重的具體方法為[9-10]：

(1)

式中，i為重金屬元素類別；Ti為毒理系數；Si為各類標準值的算術平均值；Ci為實測濃度；Wi為權重。

Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As重金屬元素的毒理系數分別為1、5、5、2、30、10。

針對各單項權重實施歸一化處理[11]：

(2)

1.3 確定隸屬度函數

基于模糊數據的綜合評價需要事先確定用來計算隸屬度的函數，研究所采用的隸屬度函數基于半梯形分布模型原理進行設計，設土壤環境質量等級為j，隸屬度計算函數具體形式如下。

(1)在j=1的情況下，隸屬度的計算方法為：

(3)

(2)在j=2，3，4的情況下，隸屬度的計算方法為：

(4)

(3)在j=5的情況下，隸屬度的計算方法與j=1時的計算方法相同[12]。

式(3)和式(4)將評價因素i對j級重金屬元素標準的隸屬度記為rij，將評價因素i的第j級土壤重金屬元素國家標準記為Si，j，將參數i的實測濃度值記為Si。

1.4 構造模糊關系矩陣

以各評價因子的隸屬度構成的矩陣即為模糊關系矩陣，以Ri(ri1，ri2，…，rim)代表單因子模糊矩陣，在此基礎上建立R=(rij)m×n模糊評判矩陣。

1.5 建立綜合評價模型

由于評價集V與因素集U之間存在映射關系，因此可以建立綜合評價模型(U，V，R)，通過B代表綜合評判集，則B=A×R即為模糊運算表達式[13]。

2 模糊數學評價法的應用實踐

2.1 采樣點選取

實測地址位于陜西省榆林市神樹畔井田礦區，土壤采樣點共計20個，所在位置如圖1所示。

圖1 礦區土壤采樣點位置

2.2 現場土壤樣本采集

利用P3600型手持式土壤重金屬檢測儀分別對各采樣點土壤中的Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、As五種重金屬元素進行檢測?，F場采樣方式如圖2所示。

圖2 土壤重金屬現場檢測

各土壤樣本中的重金屬元素含量檢測結果見表2。

表2 各土壤樣本中的重金屬元素含量檢測結果

3 數據處理

采用章節1所提出的計算流程可以對20個樣點的綜合隸屬度及等級進行計算。為了驗證模糊數學評價法的可靠性，研究還通過業內應用較為成熟的綜合指數法對同樣一組檢測數據進行處理，計算結果見表3。

表3 土壤樣點綜合隸屬度及其等級

模糊數學方法與綜合指數法土壤重金屬污染等級評價對比結果如圖3所示。

圖3 兩組土壤重金屬污染等級評價方法對比結果

經過評價結果對比發現，研究所提出的模糊數學法與業界普遍采用的綜合指數法評價結果相近，具有較為充分的可靠性。

4 結論

數據分析發現，榆林市神樹畔井田礦區20個土壤采樣點中，土壤Ⅰ類樣點數量為7個，Ⅱ類樣點數量為2個，Ⅲ類樣點數量為4個，Ⅳ類樣點數量為3個，Ⅴ類樣點數量為4個。為了進一步了解榆林市神樹畔井田礦區的土壤重金屬污染情況，研究將20個土壤采樣點擴大至624個，采用同樣的數據處理方法，得到該礦區土壤Ⅰ類樣點數量為56個，Ⅱ類樣點數量為71個，Ⅲ類樣點數量為85個，Ⅳ類樣點數量為212個，Ⅴ類樣點數量為200個。根據數據分析結果可知，榆林市神樹畔井田礦區中、重污染率達到66%，重金屬污染較為嚴重，且重金屬污染以銅、鎘、鉛元素為主，說明該地區煤炭資源存在不合理開發的問題。煤炭礦物經過開發、冶選后，在地下水、地表水、風力的作用下，重金屬元素已經大量進入土壤，需要對煤礦開發方案以及重金屬污染治理方案進行調整。