基于地统计学与GIS的区域土壤重金属污染评价与不确定性分析

摘要

土壤是人类农业生产的基础，是植物生长繁育和生物生产的基地，在植物生长过程中有着不可取代的特殊作用。土壤环境质量安全，对维持社会经济快速发展保障人体健康至关重要。近年来，随着社会经济的快速发展，工业企业废弃物的排放量以及农业农药化肥施用量也不断增加，土壤重金属污染已经演变成为一个全球性的环境热点问题，引起广泛关注，也吸引了众多国内外研究学者的注意，城市地区尤其是工业化城市化进程较快的我国长江三角洲地区土壤重金属污染问题尤为突出。鉴于此本研究选取我国长江三角洲南部世界著名港口型工业城市作为研究区域，对研究区内土壤重金属污染状况进行评价和空间插值分析来评估研究区土壤重金属污染程度以及其空间分异情况。再对土壤重金属污染范围的划定进行不确定性分析，确定土壤重金属综合污染范围，比较分析土壤重金属综合污染范围划分结果的准确率和不确定性。以期为土壤重金属污染监测、治理提供基础。本文的主要研究内容和成果包括以下几个方面:
　　(1)土壤重金属含量描述性统计分析及其空间分布特征
　　研究区土壤重金属Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn和Ni平均含量分别为61.84mg/kg、39.86 mg/kg、0.19 mg/kg、0.27 mg/kg、6.55 mg/kg、33.87 mg/kg、99.60 mg/kg、23.85mg/kg，均低于全国土壤环境质量标准(GB15168-1995)二级标准值。研究区内8种重金属含量的变异系数均大于10％，其中Cu、Pb、Ni、Zn、Cr和As属于中等变异，Cd和Hg属于强变异性。
　　Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn和Ni8种重金属含量具有不同的空间分布特征。其中Cr、Pb、Hg、Cu和Zn含量高值区主要集中在研究区中部地区。Cd含量高值区主要分布在研究区中部偏西及东南部局部区域。As和Ni含量在研究区中部偏北地区以及东南山地丘陵地区含量相对较低，其他地区含量相对较高，污染区域也主要集中于中部中心城区。
　　8种土壤重金属中，Cr含量的变程最小为11.7公里。其次为Cu，其变程为17公里，变程最大的是Pb达到了54.5公里。从块金系数(C/(C+C0))的计算结果来看，Cr、Hg和Ni含量的空间分布主要受到人为活动导致的随机因素的影响。Pb、Cd、As、Cu和Zn含量同时受到自然结构性因素和人为随机因素的影响。
　　(2)土壤重金属富集情况和污染程度评价及污染空间分布特征
　　研究区土壤重金属Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni的地质积累指数平均值分别为:-0.49、-0.02、0.06、0.26、-0.43、-0.06、-0.08和-0.21。其中Cd和Hg属于无污染到中度污染，其他元素地质累积指数平均值均处于无污染程度。土壤重金属单项污染指数评价结果显示:Cr、Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn、Ni的单项污染指数平均值分别为0.24、0.13、0.54、0.31、0.24、0.33、0.40和0.48，均处于安全水平，说明研究区内土壤重金属污染总体情况良好。研究区土壤重金属综合污染指数平均值为0.59，处于安全等级。
　　从空间分布特征来看，研究区内绝大部分地区土壤重金属Cr、Pb、As、Zn、Cu和Ni都处于无污染的水平。大部分地区土壤重金属Cd含量处于安全水平，只有研究区中部西侧沿着山地边缘的山前平原部分地区土壤重金属Cd污染达到中度甚至重度污染。研究区内土壤重金属Hg污染范围较大，主要集中于中部主城区，污染主要以轻微污染和轻度污染为主。
　　(3)土壤重金属污染概率空间分布图
　　本研究使用指示克里格法，对研究区土壤重金属污染指数进行空间插值，得到研究区土壤重金属单项污染指数污染概率分布图和综合污染指数污染概率分布图。研究区土壤重金属Cr和As含量超标概率即单项污染指数值大于1.0的概率均低于0.1，说明研究区面临的土壤Cr和As威胁极小;研究区绝大部分区域土壤重金属Pb含量超标概率即单项污染指数值大于1.0的概率均低于0.1，极少部分地区超标概率介于0.3和0.4之间，说明除了部分区域以外，研究区大部分地区面临的土壤Pb污染风险极小;研究区中部偏西区域土壤Cd污染概率达到了0.3-0.4的水平，具有一定的污染风险，其他区域土壤重金属Cd污染概率极小;研究区中西部主要城区土壤重金属Hg污染概率非常大，部分地区土壤重金属Hg超标概率甚至达到0.9以上;研究区内绝大部分区域土壤重金属Cu、Zn和Ni的污染风险概率都处于较低水平，也即研究区内大部分地区可以较为确定的被划分为未污染区域。但是在局部地区仍然存在一些污染风险达到0.3-0.5的高污染概率斑块，这些区域存在着较大的土壤重金属污染风险，显示局部地区仍然面临着土壤重金属Cu、Zn和Ni污染的威胁。
　　从土壤重金属综合污染概率来看，研究区内土壤重金属综合污染概率高值区主要分布于研究区中部，这一区域主要为城市中心，受人为社会经济生产生活活动影响较大，将这一区域划分为污染区域具有较高的可信度。
　　(4)土壤重金属综合污染范围的不确定性分析
　　首先提取每个样点的污染概率值，再以0.05为步长，依次选取从0到1中间的20个概率值作为划分污染与未污染的概率阈值，将样点划分为污染样点与未污染样点两类。随后将划分结果与内梅罗综合污染指数值计算结果进行比较，绘制分类错误率与概率阈值的曲线图。我们通过计算比较样点土壤重金属综合污染分类的错误率来确定划分污染区和未污染区的最优概率值。使结果表明，当概率阈值为0.4时，土壤样点污染分类的错误率最低，分类准确率高达92.88％。因此在后续分析中我们选择0.4作为划分污染区域与未污染区域的概率阈值。
　　基于污染概率分布划定的污染范围区域集中分布于于研究区中部，呈西南东北走向的团块区域。从污染范围划分的准确性来看，污染划分结果中出现第一类错误即实际上属于污染区域而被错误划分为未污染区域的面积约为220.56平方公里，占研究区面积总比例5.17％。属于第二类错误即实际上属于未污染区域而被错误划分为污染区域的面积约为89.26平方公里，占研究区面积总比例2.09％。污染范围划分正确的区域面积为3954.18平方公里，污染区域划分的准确率高达92.73％。说明本研究中基于指示克里格插值得到的污染概率空间分布所确定的污染区域范围较为合理，与实际情况高度吻合，具有较高的可信度。污染范围划分错误的区域尤其是具有较高的不确定性的区域主要位于污染区域与未污染区域的交界带。需要通过进一步的加密采样和分析，来明晰污染范围边界。
　　本研究结果可以为土壤环境质量尤其是土壤重金属污染监测和防治工作提供理论依据和技术支撑，具有较为重要的理论指导意义和实用价值。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

表目录

图目录

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 土壤重金属污染评价

1．2．2 土壤重金属污染空间分异

1．2．3 土壤重金属污染概率分布与污染范围的不确定性分析

1．2．4 存在问题与不足

1．3 研究目标及内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 研究技术路线图

第二章 材料与方法

2．1 研究区概况

2．2 样品采集

2．3 样品测试

2．4 土壤重金属污染评价方法

2．5 地统计学

2．5．1 地统计学发展简史

2．5．2 地统计学的主要特点和研究进展

2．6 地理信息系统(GIS)

2．6．1 基本定义

2．6．2 主要功能

2．6．3 地理信息系统的发展简史与进展

2．7 统计及分析软件

第三章 土壤重金属含量空间分布特征

3．1 土壤重金属含量分析

3．1．1 土壤重金属含量描述性分析

3．1．2 土壤重金属相关性分析

3．2 土壤重金属含量半方差函数分析

3．2．1 半方差函数

3．2．2 半方差函数分析

3．3 土壤重金属含量空间分异特征

3．3．1 普通克里格插值法

3．3．2 土壤重金属含量空间分异特征

3．4 本章小结

4．1 土壤重金属累积情况分析

4．1．1 地质累积指数法

4．1．2 土壤重金属富集情况

4．2 土壤重金属污染单因子评价

4．2．1 单项指数法

4．2．2 土壤重金属单项污染评价结果

4．3 土壤重金属综合污染评价

4．3．2 内梅罗综合污染指数法

4．3．2 土壤重金属综合污染评价结果

4．4 土壤重金属污染空间分布特征

4．4．1 反距离权重法

4．4．2 单项污染指数空间分布

4．4．3 土壤重金属综合污染指数空间分布特征

4．5 本章小结

第五章 土壤重金属污染不确定性分析

5．1 指示克里格法

5．2 单项污染指数污染风险概率分析

5．3 综合污染指数污染风险概率分布图

5．4 土壤重金属综合污染范围的不确定性分析

5．4．1 基于网格的土壤重金属污染范围划定

5．4．2 基于污染概率的土壤重金属污染范围划定

5．4．3 污染范围的不确定性分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 不足与展望

参考文献

作者简历