土壤中重金属污染源分析研究

刘高杰，胡立琴，何兆容

(1.成都理工大学 管理科学学院，四川 成都 610059;2.成都理工大学 数学地质四川省重点实验室，四川 成都 610059)

0 引 言

随着工业发展和城市化进程的加剧，由交通运输、工业排放与生活垃圾等造成的城市土壤重金属污染日益严重.随着城市经济的快速发展和土地利用形式的多样化而形成的不同城市功能区在人居环境质量、城市生态功能等方面有着重要的作用［1］.分析不同功能区表层土壤重金属的污染，通常采用单因子污染指数法、综合污染指数法、模糊数学法、普通概率统计法等评价方法，但这些方法存在一定的局限性［2］.对此，本研究采用3 种综合性的方法对某市重金属污染源评价进行对比分析，旨在更准确找出土壤的重金属污染来源，为城市污染的控制和管理提供更为行之有效的措施与思路.

1 元素间的相关关系

由于城市土壤重金属来源于成土母质和人类活动，同一来源的重金属之间存在着相关性，通过对原始数据(2011年全国大学生数学建模竞赛数据)进行处理，得到某市重金属的R 型聚类分析谱系图，如图1 所示.通过聚类分析将重金属元素分为2 类:As、Pb、Cd 与Cr、Cu、Hg、Ni、Zn，其中与主要重金属Hg 相关度较高的元素有As、Pb、Cd、Ni，这说明它们具有相同的污染源;而Hg 与Zn、Cr、Cu 之间相关性较差，表明这些重金属来源相对复杂，其污染源难以确认.

图1 8 种重金属R 型聚类分析谱系图

为进一步明确该市土壤中重金属的污染来源，对上述8 种重金属元素进行主成分分析［3－4］，其处理结果见表1、图2.

表1 主成分分析表

图2 8 种元素在3 个主成分上的载荷量和污染贡献程度

从表1、图2 可知，3 个主成分中，第一主成分PCA1 的贡献率为44.5%，且因子变量在各元素具有相似的载荷量，虽不能确定主要污染元素，但反映了工业污染可能是其主要的污染来源之一.由第二主成分PCA2 得出Hg、Cu、Pb 具有较大载荷量.而在第三主成分PCA3 中，可以明确看出，As 、Pb、Cd占有较大比重，其对城市污染具有较高贡献率.由于As、Hg、Cd、Cu 主要是由工厂冶炼过程中产生，Pb 主要来源于工厂污水排放和汽车尾气排放，Hg 主要来源于废水排放和垃圾燃烧.据此可知，该城市的污染主要来源于工厂金属冶炼、污水排放、汽车尾气及生活垃圾.

2 不同功能区重金属的富集系数

为了更好地描述各种金属的分布特征，本研究采用等势线图和富集系数这一表示污染程度的指标，其计算方法为，

富集系数= Cij/Di

其中，Cij为各重金属元素在城市各功能区采样点的均值，Di为各重金属的背景值.

8 种重金属元素的富集系数计算结果如图3 所示.

图3 8 种重金属元素的富集系数柱状图

由图3 可知，该城市不同功能区土壤中重金属含量差别较大，其中Hg 的含量从工业区、主干道路区和公园绿地区依次减少，Cu 的含量从高到低顺序依次为工业区、主干道路区和生活区，Zn 在工业区含量最高，在其他功能区相差不大，其他金属在城市各功能区含量较低，差异不明显.

3 不同功能区重金属的污染特征

3.1 重金属的污染程度

目前，重金属污染程度的评价方法，大致包括生态危害指数法、地积累指数法、单因子指数法和内梅罗综合污染指数法等［5－6］.本研究采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法来评价不同功能区的土壤受到重金属污染的程度，其计算公式为，

式中，Pi为土壤中i 元素的污染指数，P综为土壤中重金属元素的综合污染指数，i 为重金属的种类，Ci为重金属元素的实测浓度，Si为重金属元素i 的环境背景值;n 为参与评价的重金属种类总数［7］.土壤污染程度评价标准如表2、3 所示.

表2 土壤中各元素污染程度分级标准

表3 土壤综合污染程度分级标准

根据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法以及表2、3 中的数据，得出该城市生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区的土壤重金属单因子污染指数和内梅罗综合污染指数如表4 所示.

从表4 可以看出，该城市5 类区域土壤中均有重金属污染，各重金属污染存在一定的差异.重金属Cu、Hg、Cd、Pb、Zn 在工业区的污染指数均超过了重度污染的界限值，属于重度污染;Cu 和Zn 在生活区为重度污染，Cd、Cr、Hg 和Pb 在该区为中度污染;在主干道路区，Cu、Hg 和Zn 的污染指数为重度污染，Cd 和Pb 造成中度污染;在公园绿地区，Hg 污染指数为重度污染;Cd、Cu 和Zn 的污染指数为中度污染.综合所有数据可以得出，工业区、主干道路区、生活区、公园绿地区和山区的重金属的污染程度依次递减.

表4 土壤重金属单因子污染指数和内梅罗综合污染指数

3.2 8 种重金属空间分布特征

该城市8 种重金属的空间分布特征等高线图如图4 所示.

图4 8 种重金属空间分布图

由图4 可知，该城市8 种重金属的浓度最高点所在区域为:Cu、Pb、Zn 的浓度较高点主要在生活区和工业区，As 、Cd 、Hg 浓度较高点在工业区和主干道路区，且各金属元素在工业区的浓度相对较大，而Ni 和Cr 的浓度较高点在主干道道路区和生活区，Cr 在生活区浓度相对较大.

4 结 论

1)由单因子指数分析和图3 可知，金属Cu、Hg、Cd、Pb 在工业区的污染指数属于重度污染;As、Cu、Cd、Hg 和Pb 在生活区的污染指数为重度污染;在主干道路区，Hg、Cd 和Pb 的污染指数为中、重度污染;在公园绿地区，Hg 的污染指数为重度污染，Cd 的污染指数为中度污染.

2)由卡梅罗综合污染指数结论可知，该城市内不同功能区重金属的污染程度从大到小依次为工业区、主干道路区、生活区、公园绿地区、山区.而该方法并不能得出城市各重金属污染程度，只是对该市各区的污染状况做出粗略的评价.

3)由重金属金属空间分布图可知元素的浓度较高点均集中在工业区、主干道路区和生活区，可知工业区、主干道路区和生活区污染较为严重.由R型聚类分析知Pb、As、Hg 具有较大的相关性，而Hg与Cu 的相关性极差，虽然Hg 污染较强的地方分布与Cu 类似，但结合相关性分析结果，发现这2 种元素在整个城区的数据没有明显相关性，所以只从空间分布图不能判断元素相关性，类似地，相关性较差的元素污染源未必不同.由主成分分析可知，Hg、Cu、Pb、As 、Cd 在主成分中占较大比重.由此可知，该城市土壤的污染源主要来源于工业污水排放、生活垃圾以及汽车尾气的排放.

4)主成分分析法结合元素空间分布不仅能够描述各元素在各区和城市的污染贡献比重，又能得出主要污染功能区的污染程度，相对于单因子指数和卡梅罗综合污染指数分析法在污染评价方面更全面、更合理.

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