畢業(yè)論文-表層土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

1、編號：10009410413南陽師范學(xué)院2014屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 表層土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 完 成 人： 班 級： 2010-04 學(xué) 制： 4年 專 業(yè)： 測繪工程 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014-03-30 目 錄摘要(1)0引言(1)1 樣品的采集(1)2土壤評價(jià)與劃定方法(2)2.1污染土壤評價(jià)方法(2)2.2污染土壤劃定方法(3)3分析與討論(3)3.1功能區(qū)的劃分以及各重金屬污染分布(3)3.2土壤重金屬污染現(xiàn)狀(兩種方法評價(jià)) (7) 3.2.1 單因子污染指數(shù)法(7) 3.2.2 綜合污染指數(shù)法(9)4結(jié)論(13)參考文獻(xiàn)(14)Abstract(15)第第

2、 頁 （共15頁）表層土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) 以某城市不同功能區(qū)表土為例摘要：以某城市表層土壤為研究對象,通過對其不同功能區(qū)的319個(gè)表土的重金屬As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb和Zn含量的分析測試,認(rèn)為其表層土壤污染以重金屬Cu, Zn, Cd和Hg為主,且造成不同功能區(qū)表層土壤污染的重金屬種類存在明顯差異,工業(yè)區(qū)以Pb, Zn, Cd, Hg和Cu為主,交通區(qū)以Cu，Hg，Zn和Cd為主,生活區(qū)以Cu, Zn為主。表層土壤的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果表明,工業(yè)區(qū)土壤的污染程度明顯要高于其它地區(qū),局部地區(qū)已出現(xiàn)極強(qiáng)污染,其次為交通區(qū),公園綠地區(qū)和生活區(qū)。關(guān)鍵詞：污染評價(jià);表層土

3、壤;重金屬;功能區(qū)工業(yè)化是土壤化學(xué)污染的一個(gè)重要來源，在工業(yè)化歷史悠久的歐洲，散漫型中等程度的污染規(guī)模已位居全世界之首，而且一旦受到污染很難修復(fù)。工業(yè)化城市的污染又常以重金屬汞、鎘、鉛、鉻、銅等為主要特征,而受到人們的廣泛關(guān)注。本次研究以某城市不同功能區(qū)的表層土壤為研究對象,對土壤中重金屬As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn含量進(jìn)行測定,通過分析表層土壤重金屬的污染物的分布特征和現(xiàn)狀,對土壤重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)危害程度的評價(jià)，旨在為今后該城市的土壤的利用、環(huán)境管理及發(fā)展規(guī)劃提供一定的科學(xué)依據(jù)。首先需要在該城市不同的功能區(qū)采集若干表層土壤樣品，通過科學(xué)的方法對樣品進(jìn)行處理，

4、探知其內(nèi)所包含的重金屬含量，從而判斷其污染程度，分析污染等級。本次研究將從幾個(gè)不同的方面用不同的方法進(jìn)行深入的研究分析。樣品的采集樣品的采集區(qū)域?yàn)槟吵鞘械牟煌δ軈^(qū)（生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、山區(qū)、公園綠地區(qū)），采樣區(qū)總面積為319 km2。本次研究采集的土壤樣品主要由生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、山區(qū)、公園綠地區(qū)的表土組成，其中生活區(qū)44件、工業(yè)區(qū)36件、山區(qū)66件、交通區(qū)138件、公園綠地區(qū)35件。樣品的采集方法為1個(gè)/km2。采樣的原則為在1 km2范圍內(nèi)，隨機(jī)選取一塊合適的土壤樣品，并記錄其坐標(biāo)及其所屬功能區(qū)，以便室內(nèi)軟件分析研究時(shí)更加方便準(zhǔn)確。采樣的具體方法為:先撥開覆蓋在表層土壤最上層的樹

5、枝、碎石和雜草，用木鏟垂直于地表挖出020cm的土壤剖面，取厚度大致相同的土壤薄片，除去大顆粒雜質(zhì)，約1 kg，裝入采樣布袋中，扎口、編號，帶回實(shí)驗(yàn)室。2 土壤評價(jià)與劃定方法2.1 污染土壤評價(jià)方法 評價(jià)和判定土壤環(huán)境是否發(fā)生污染，目前通常采用環(huán)境背景值評價(jià)法、土壤臨界值 (種植作物中的污染物含量達(dá)到初始污染時(shí)土壤中污染物的含量) 法和土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值法等方法1。鑒于區(qū)域土壤重金屬背景含量的差異性和Cd 等重金屬的高毒性及其對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的高危害性，我們采用區(qū)域土壤環(huán)境背景上限值進(jìn)行污染判斷與評價(jià)2。計(jì)算各指標(biāo)的單因子污染指數(shù)(Pi)，并選擇As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8 種

6、重金屬按內(nèi)梅羅法3計(jì)算重金屬綜合污染指數(shù)，計(jì)算公式如下: P =12(P Pi = Ci / Si （2）公式（1）、（2）中， P 為綜合污染指數(shù)；Pi為各污染物指數(shù)的平均值; Pi,max為污染物中最大的污染指數(shù);Ci 為監(jiān)測點(diǎn)污染物含量實(shí)測值（g/g）；Si為污染物含量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（g/g）。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb污染程度按5級劃分,分級標(biāo)準(zhǔn)如下:P=1.0，未污染；1.0 P=2.0，輕度污染；2.0P=3.0，中度污染；3.0P5.0，極度污染。2.2 污染土壤劃定方法利用在外采集表土樣品時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，把各樣品的相對位置以及所屬功能區(qū)屬性等信息直觀地用ArcMap軟

7、件表達(dá)出來，再依據(jù)樣品所屬功能區(qū)信息、點(diǎn)位相對坐標(biāo)以及樣品編號通過泰森多邊形法則進(jìn)行整個(gè)城市功能區(qū)的劃分，把相鄰的并且處于相同功能區(qū)的點(diǎn)位進(jìn)行合并處理，就能夠很直觀地表達(dá)城市功能區(qū)范圍。利用樣品重金屬含量測定結(jié)果，把重金屬污染濃度屬性通過軟件表現(xiàn)出來，就可以觀察到各重金屬對各功能區(qū)的污染程度。計(jì)算污染指數(shù)，對污染程度進(jìn)行劃分評價(jià)?？梢岳脝我蜃游廴局笖?shù)法，綜合污染指數(shù)法進(jìn)行分析研究，進(jìn)行對比。3 數(shù)據(jù)分析3.1 功能區(qū)的劃分以及各重金屬污染分布根據(jù)采集的表土樣品點(diǎn)的相對坐標(biāo)及其所屬功能區(qū)信息，將點(diǎn)位相對坐標(biāo)通過ArcMap軟件展示出來（用Add XY Data工具），如下圖：圖1 加載XY數(shù)據(jù)

8、由于要研究的是功能區(qū)的劃分，因此需要先建立一個(gè)凸包4（用“最小邊界幾何”工具），又因?yàn)闃悠肥窃诿? Km2內(nèi)隨機(jī)采集的，所以應(yīng)對所做出的凸包再做一個(gè)向外707m（即5002m）的緩沖區(qū)（用“緩沖區(qū)”工具），得到研究區(qū)的范圍。如下圖所示：圖2 凸包以及緩沖區(qū)效果圖用“創(chuàng)建泰森多邊形”工具，輸入樣品點(diǎn)要素，即可得到泰森多邊形。由于創(chuàng)建的泰森多邊形范圍大于研究區(qū)范圍，所以要用“裁剪”工具，從創(chuàng)建的泰森多邊形要素中裁剪出研究區(qū)的范圍以供研究分析。得到的結(jié)果如下圖所示：圖3 泰森多邊形把樣品點(diǎn)的相對坐標(biāo)及功能區(qū)屬性與上面得到的研究區(qū)要素屬性進(jìn)行連接，這樣就可以利用“融合”工具把相鄰的并且屬于同一個(gè)功能區(qū)

9、的泰森多邊形融合，融合字段設(shè)為“功能區(qū)”。為了方便直觀地分清楚各個(gè)功能區(qū)的范圍，可以對不同的功能區(qū)進(jìn)行著色，如圖： 圖4 功能區(qū)劃分成果圖 至此，功能區(qū)劃分成功。接下來研究各重金屬污染的分布情況以及污染程度。首先要把各重金屬污染濃度表通過“屬性連接”連接到點(diǎn)要素屬性，保存。然后用“Geostatistical Analyst”工具對各種金屬污染進(jìn)行趨勢分析，得到數(shù)據(jù)中存在的趨勢次數(shù)，利用Universal Kriging插值5，在插值過程中剔除分析出的趨勢次數(shù)，生成重金屬的污染濃度圖，并修改插值得到的污染濃度圖的范圍，使其能夠完全覆蓋研究區(qū)的范圍，最后利用“按掩膜提取”工具提取出研究區(qū)范圍內(nèi)的

10、地圖，就得到最終的重金屬污染濃度圖。結(jié)果如下： As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn圖5 各重金屬污染分布情況和污染程度由各重金屬污染分布圖可以很直觀地看到各污染在該城市的分布情況6以及污染程度。比較明顯的，Hg、Zn、Cd等幾種重金屬對該城市不同的功能區(qū)存在比較嚴(yán)重的污染。一般的，各種金屬污染表現(xiàn)的也都比較集中，尤以該城市的東北方向（也就是山區(qū)）受污染比較輕，說明該城市對山區(qū)的保護(hù)還是很有力度的。表1 各重金屬污染濃度和污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)表元素重金屬質(zhì)量含量（g/g）單因子污染指數(shù)（以背景均值來算）最大值最小值平均值最大值最小值平均值A(chǔ)s30.13 1.61 5.68 8.37 0.45

11、 1.58 Cd1619.80 40.00 302.40 12.46 0.31 2.33 Cr920.84 15.32 53.51 29.70 0.49 1.73 Cu2528.48 2.29 55.02 191.55 0.17 4.17 Hg16000.00 8.57 299.71 457.14 0.24 8.56 Ni142.50 4.27 17.26 11.59 0.35 1.40 Pb472.48 19.68 61.74 15.24 0.63 1.99 Zn3760.82 32.86 201.20 54.50 0.48 2.92 表1是根據(jù)采集的319個(gè)樣品數(shù)據(jù)整理出來的，污染指數(shù)是按

12、照公式Pi = Ci / Si計(jì)算出來的，這里的Si 為污染物含量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（采用的是背景均值）。結(jié)合功能區(qū)劃分成果圖及各重金屬污染分布圖可以看到Hg、Cu等重金屬在不同的功能區(qū)的污染濃度相差很大，反映其空間變異性7較大。結(jié)合圖表顯示，很容易發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤遭受了較為嚴(yán)重的Cd、Cu、Zn等重金屬的復(fù)合污染。3.2 土壤重金屬污染現(xiàn)狀(兩種方法評價(jià))3.2.1單因子污染指數(shù)法 研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)8評價(jià)結(jié)果已經(jīng)在上表給出。從表上可以看出，8 種重金屬的單因子污染指數(shù)差異較大。污染指數(shù)平均值按降序排列為:Hg（8.56）、Cu（4.17）、Zn（2.92）、Cd（2.33）、Pb（1.

13、99）、Cr（1.73）、As（1.58）、Ni（1.40）。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)8種重金屬的單因子污染指數(shù)均值都大于1，而Hg、Cu、Zn、Cd的單因子污染指數(shù)均值已經(jīng)大于2，反映研究區(qū)土壤總體上遭受前4類重金屬的污染比較嚴(yán)重。而整體上來說，該城市的重金屬污染還是非常嚴(yán)重的，這需要從幾個(gè)方面用不同的方法進(jìn)行研究探索9。根據(jù)重金屬單因子污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了不同污染程度樣點(diǎn)所占比例，結(jié)果見圖6：圖6 各重金屬不同污染等級所占百分比直方圖（圖中的數(shù)值是同一重金屬污染污染等級的樣品數(shù)量占受該重金屬污染的所有樣品數(shù)量的百分比）從圖上可以看出，研究區(qū)Cu中等程度以上污染土壤在 50 %以上，其中重度以上污染

14、比例也已經(jīng)達(dá)到35%。而As、Cr、Ni主要是輕度污染，約占60%； 中度污染約占10% 20% ,重度以上的污染約占5 % 。Hg、Cu、Zn極度污染土壤均在10%以上，Cd極度污染土壤也達(dá)到了7%。利用采集的樣品以及記錄的附屬信息，還可以計(jì)算各重金屬對各功能區(qū)的污染指數(shù)（同樣采用背景均值），結(jié)果如表2：表2 取背景平均值時(shí)各重金屬污染指數(shù)As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn 1 生活區(qū)1.74 2.23 2.23 3.74 2.66 1.49 2.23 3.43 2 工業(yè)區(qū)2.01 3.02 1.72 9.66 18.35 1.61 3.00 4.03 3 山區(qū)1.12 1.17

15、 1.26 1.31 1.17 1.26 1.18 1.06 4 交通區(qū)1.59 2.77 1.87 4.71 12.77 1.43 2.05 3.52 5 公園綠地區(qū)1.74 2.16 1.41 2.29 3.29 1.24 1.96 2.24 取背景平均值時(shí)各重金屬污染指數(shù)的算法：用同一功能區(qū)內(nèi)同一重金屬的污染濃度的平均值除以背景均值即可得到。把上表的數(shù)據(jù)用直方圖的形式表現(xiàn)出來，如圖7：圖7 同一重金屬對不同功能區(qū)的污染指數(shù)直方圖圖8 同一功能區(qū)內(nèi)不同重金屬的污染指數(shù)直方圖結(jié)合兩個(gè)直方圖，很容易就能看出該城市Hg、Cu對工業(yè)區(qū)和交通區(qū)的污染最為嚴(yán)重，各重金屬對山區(qū)的污染都是最輕的?？傮w上看

16、來，工業(yè)區(qū)和交通區(qū)受到的污染最嚴(yán)重，其次是生活區(qū)和公園綠地區(qū)，污染最輕的是山區(qū)。3.2.2 綜合污染指數(shù)法 按內(nèi)梅羅法計(jì)算重金屬綜合污染指數(shù)8，計(jì)算公式如下:P =12(P Pi = Ci / Si （2）公式（1）（2）中，P為綜合污染指數(shù)；Pi為各污染物指數(shù)的平均值； Pi,max為污染物中最大的污染指數(shù)；Ci為監(jiān)測點(diǎn)污染物含量實(shí)測值（g/g）；Si為污染物含量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值（g/g）。根據(jù)公式得知，要想計(jì)算重金屬綜合污染指數(shù)，必須先有（各污染物指數(shù)的平均值）；（污染物中最大的污染指數(shù)）。前面已經(jīng)有了各重金屬的污染分布圖（柵格數(shù)據(jù)），可以利用“除”工具得到各重金屬的污染指數(shù)圖（柵格數(shù)據(jù)）?！?/p>

17、除”工具在ArcMap中的定義是將兩個(gè)柵格的值逐個(gè)像元地相除。所以需要在輸入柵格數(shù)據(jù)或常量值 1中輸入各重金屬的污染分布圖（柵格數(shù)據(jù)），在輸入柵格數(shù)據(jù)或常量值 2中輸入對應(yīng)的常數(shù)（即背景均值），就可以得到8種重金屬的污染指數(shù)圖。打開“像元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”工具，輸入上面得到的8種重金屬的污染指數(shù)圖，疊加統(tǒng)計(jì)中選“MEAN”就可以得到各污染物指數(shù)的平均值，選“MAXIMUM”就可以得到污染物中最大的污染指數(shù)，結(jié)果如下： mean max 打開“柵格計(jì)算器”，輸入內(nèi)梅羅法計(jì)算重金屬綜合污染指數(shù)公式，即可得到綜合污染指數(shù)P，如下圖：圖9 綜合污染指數(shù)圖可以看出，重金屬綜合污染指數(shù)范圍為0.73 439.73

18、。利用重分類工具，對綜合污染指數(shù)圖，按分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級10，如下圖：圖10 綜合污染等級圖把功能區(qū)劃分成果圖轉(zhuǎn)化為柵格格式，利用“合并”工具與綜合污染等級圖合并，得到圖11 合并結(jié)果打開屬性表，把“功能區(qū)”字段按升序排列，結(jié)果如下表：表3 “合并”結(jié)果COUNT綜合污染等級功能區(qū)COUNT綜合污染等級功能區(qū)3844311743134300212911434873411819531006051127233433111716824626221625044362732238455443314237942510838522225353940823449145644133307955從“合并”表（表中C

19、OUNT字段為某一功能區(qū)的某一污染等級所占的單元數(shù)）可計(jì)算不同功能區(qū)的各種污染等級所占面積百分比，結(jié)果如表4。從表4也可作圖，各功能區(qū)各污染等級所占面積百分比直方圖，如圖12。表4 不同功能區(qū)的各種污染等級所占面積百分比未污染（%）輕度污染（%）中度污染（%）重度污染（%）極度污染（%）生活區(qū)0.1418.6116.6321.0943.53工業(yè)區(qū)03.2218.6722.355.8山區(qū)3.3375.3212.315.563.48交通區(qū)024.5318.1823.2234.07公園綠地區(qū)027.9216.3733.0522.66圖12 各功能區(qū)各污染等級所占面積百分比直方圖上面的分析結(jié)果可以很直

20、觀地反映研究區(qū)土壤受重金屬的綜合污染程度較高。山區(qū)輕度污染百分比最大，說明山區(qū)所受重金屬污染是最輕的。生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)極度污染所占百分比最大，重度污染次之，是受污染最嚴(yán)重的功能區(qū)。公園綠地區(qū)總體受污染也是比較嚴(yán)重的。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)約有70% 的土壤已遭受中等程度的重金屬綜合污染。其中，超過50%的土壤已達(dá)重度以上污染程度。把合并結(jié)果作為分帶柵格，分帶統(tǒng)計(jì)各功能區(qū)各污染等級的綜合污染指數(shù)（用“以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)”工具），把統(tǒng)計(jì)結(jié)果表以Value字段作為公共字段與合并圖層連接，從連接結(jié)果可得到各功能區(qū)不同污染等級的綜合污染指數(shù)平均值，如表5所示： 表5 各功能區(qū)不同污染等級的綜合污染指數(shù)平均

21、值功能區(qū)未污染輕度污染中度污染重度污染極度污染生活區(qū)0.931.642.533.7625.22工業(yè)區(qū)0.001.752.543.8022.66山區(qū)0.911.382.363.8112.69交通區(qū)0.001.572.453.9322.10公園綠地區(qū)0.001.632.513.7425.54不同功能區(qū)，不同污染等級綜合污染指數(shù)均值直方圖如下：圖13 不同功能區(qū)不同污染等級綜合污染指數(shù)均值直方圖從直方圖可以看出，在不同的功能區(qū)，極度污染綜合污染指數(shù)都是比較高的，但是山區(qū)的極度污染綜合污染指數(shù)還是相對小的。同樣說明該城市山區(qū)污染程度是最小的。 結(jié)論經(jīng)過分析探索，可以肯定研究區(qū)的土壤已深受Cd、Cu等重

22、金屬的污染。單因子污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)Cu中等程度以上污染土壤在50%以上，其中重度以上的污染比例已經(jīng)達(dá)到35%。而經(jīng)綜合污染指數(shù)評價(jià)，超過50%的土壤已達(dá)重度以上重金屬綜合污染。結(jié)合兩種方法，可以判斷該城市污染最嚴(yán)重的主要在工業(yè)區(qū)和交通區(qū)，其次是生活區(qū)和公園綠地區(qū)，受重金屬污染最輕的是山區(qū)。通過單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法2種分析結(jié)果的比較，我認(rèn)為，綜合污染指數(shù)法在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢明顯，能夠更加直觀地反映現(xiàn)實(shí)狀況。同時(shí)，本次研究也提示我們，表層土壤重金屬污染已經(jīng)越來越成為我們的一個(gè)威脅。該城市的生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)都受到了比較明顯的污染影響，而山區(qū)則受污染比較輕一點(diǎn)，說明重金屬

23、污染比較嚴(yán)重主要是受人們生活生產(chǎn)的影響。參 考 文 獻(xiàn)1 HYPERLINK /kns/popup/knetsearchNew.aspx?sdb=CJFQ&sfield=%e4%bd%9c%e8%80%85&skey=%e9%98%b4%e9%9b%b7%e9%b9%8f&scode= t knet 陰雷鵬， HYPERLINK /kns/popup/knetsearchNew.aspx?sdb=CJFQ&sfield=%e4%bd%9c%e8%80%85&skey=%e8%b5%b5%e6%99%af%e6%b3%a2&scode= t knet 趙景波. HYPERLINK /kns/de

24、tail/detail.aspx?QueryID=5&CurRec=4&recid=&FileName=SXSZ200603030&DbName=CJFD0608&DbCode=CJFQ&pr= t _blank 西安市主要功能區(qū)表層土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價(jià)J. HYPERLINK /kns/Navi/ScdbBridge.aspx?DBCode=CJFD&BaseID=SXSZ&UnitCode=&NaviLink=%e9%99%95%e8%a5%bf%e5%b8%88%e8%8c%83%e5%a4%a7%e5%ad%a6%e5%ad%a6%e6%8a%a5(%e8%87%aa%e7%84%b

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