宽域灰色聚类法在减量化用地复垦场地土壤环境质量评价中的应用

张 惠，陈 敏，董聪慧

（1. 上海市岩土工程检测中心，上海 200436；2. 上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

针对城市发展面临的资源约束，上海市明确了“总量锁定、增量递减、存量优化、流量增效、质量提高”的土地管理思路[1-3]。为贯彻落实减量化用地复垦相关规定，各区县积极推动开展减量化用地复垦工作。减量化用地复垦，是对不符合土地利用总体规划要求，而且社会经济或者环境效益较差的低效工业用地等建设用地，通过拆除、平整等土地整治工作，恢复农地生产能力，发挥生态用地功能。减量化地块由于其用地历史原因存在环境质量差或环境污染的潜在风险，且复垦农用后关系到农产品安全问题，因此须对减量化用地复垦场地进行必要的环境质量调查，并基于调查结果对环境质量进行评价。

减量化用地复垦场地的土壤环境质量评价标准，目前大多采用《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)，根据土壤应用功能和保护目标，分级评价。环境保护部组织修改完成了《农用地土壤环境质量标准（三次征求意见稿）》，删除了一级标准，整合调整了二级和三级标准；同步完成了《土壤环境质量评价技术规范（二次征求意见稿）》，拟定了土壤环境质量评价的程序、内容、方法和要求；并与农业部颁布《农用地土壤环境管理办法（试行）》，制定了对农用地开展的土壤污染预防、环境质量类别划分等相关活动及其监督管理办法。

国内关于土壤质量评价方法主要有T值分级法、综合指数法、模糊数学综合评判法、灰色聚类法、等斜率灰色聚类法、宽域灰色聚类法。文献[4]对太原市5个区县的土壤进行评价，通过对宽域灰色聚类法、模糊综合评判法和综合指数法三种评价结果进行比对，发现宽域灰色聚类法的评价结果较另外两种方法更为合理。文献[5]对湖南某地10个土壤监测区域的监测数据，分别采用T值分级法、综合指数法、模糊数学综合评判法、灰色聚类法、等斜率灰色聚类法、宽域灰色聚类法进行评价。通过比对各评价方法的结果，认为宽域灰色聚类法的评价结果更为合理。目前还没有明确的减量化用地复垦场地的土壤环境质量评价方法。本文以某区域多个复垦地块的监测数据为基础，采用宽域灰色聚类法对复垦地块的土壤环境质量进行评价，以期为管控计划内农用地的土壤环境风险、保障农产品安全提供数据支持。

1 宽域灰色聚类法评价步骤

参照文献[4]、[6]等资料，设某一环境质量评价问题有m个评价点、n个评价指标和h个评价级别，且记i=1,2,…,n为评价指标，j=1,2,…,h为评价级别，k=1,2,…,m为评价点，聚类步骤主要包括构造白化函数、确定污染物权重、求修正系数、求聚类系数、求聚类结果。

1.1 构造白化函数

白化函数反映了污染物（评价指标）对污染级别的亲疏关系，其表达式如下：

第1类（j=1）白化函数为

第j类（j=2,3,…,h-1）白化函数为

第h类（j=h）白化函数为

式中，fij(x)—i种污染物关于第j个级别的白化函数；λij—i种污染物关于第j个级别的白化函数的阈值；x—污染物监测浓度值。

其中，阈值λij即为级别的中心值，由下式计算：

式中，Sij为i种污染物的第j级标准值（j=1,2,…,h）。

1.2 确定污染物权重

本文采用下式计算权重：

式中，Wkij—第k个评价点的第i种污染物在第j个级别中的权重；

xki—第k个评价点的第i种污染物的浓度值。

1.3 求修正系数

修正系数用来对白化函数值进行修正，以保证相邻两类白化函数在分级值上（即级别标准值处）具有相同的函数值。它由下式计算：

式中，Cij—第i种污染物关于第j类白化函数的修正系数。

1.4 求聚类系数

聚类系数反映了评价点与各级别之间的亲疏关系，由下述确定：

式中，ηki—第k个评价点关于第j个级别的聚类系数；

fij(xki)—第k个评价点的第i种污染物浓度值在该污染物第j类白化函数中的函数值。

1.5 求聚类结果

每个评价点对各个级别都有一个聚类系数，其中最大聚类系数所对应的级别即为所评价监测点应属的级别，把各个评价点的级别归纳起来，便是聚类的结果。同时，根据各评价点关于级别的聚类系数的大小，可以确定它们之间环境质量的优劣（系数越大，环境质量越好）。

2 评价实例

场地的历史用地状况对场地的土壤环境质量存在潜在的影响。通过选取某区域不同用地历史的10个减量化地块进行土壤环境调查，每个地块采集的土壤样品均分析了重金属（银、砷、铍、镉、铬、铜、镍、铅、锑、硒、铊、锌、汞）、总石油烃、挥发性有机物、半挥发性有机物、有机氯农药和有机磷农药。由于各地块土壤样品中有机物类、重金属银、镉、锑、硒、铊含量均低于检出限，因此本文不对上述监测因子进行环境质量评价。各减量化地块土壤样品中均检出了砷、铬、铜、镍、铅、锌、汞7种重金属，将各地块监测数据的平均值作为对应地块的监测结果（表1）。

表1 各地块用地历史与监测结果Table 1 The land use history and testing results of monitoring sites

参考文献[7]中的上海市土壤环境背景值、《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)、《农用地土壤环境质量标准（三次征求意见稿）》及文献[8]的分级原则，将土壤环境质量分为5个级别。并由此得出各污染物的各类白化函数阈值及其修正系数（表2）。

表2 土壤环境质量分级标准与污染物白化函数阈值及其修正系数Table 2 The classification standards of soil environmental quality and threshold values and theirs correction factors of different whitening functions of pollutants

同一污染物在不同级别的权重和不同污染物在同一级别的权重都可能不相同，本文列出监测区域1的权重结果（表3）。

表3 监测区域1中各污染物的权重及其白化函数值Table 3 The weights and whitening function values of different pollutants in site No.1

各监测区域的聚类系数见表4。

表4 各监测区域的聚类系数Table 4 Clustering coefficients of monitoring sites

按最大原则确定各监测区域所述的类别，如监测区域1的5个聚类系数中，级别Ⅱ的聚类系数最大，因此监测区域1的污染级别为Ⅱ级。同理可求得其它监测区域的污染级别，然后按级别Ⅰ的聚类系数大小确定各监测区域环境质量的优劣，系数越大，表明对应监测区域的环境质量最好。聚类结果见表5。

表5 各监测区域灰色聚类结果Table 5 Clustering results of monitoring sites

3 结果与讨论

灰色聚类结果表明，监测区域1、3、5、7均属于级别Ⅱ，监测区域2、4、6、8、10均属于级别Ⅲ，监测区域9属于级别Ⅳ，对应的污染程度分别为尚清洁、起始污染和中等污染。根据《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)制定的土壤环境质量标准值，并结合各监测区域土壤样品的pH值，属于级别Ⅱ和级别Ⅲ的各监测区域适用于农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤用途；属于级别Ⅳ的监测区域9适用于果园用途。

监测区域9位于原化工厂区域，主要生产水性油墨、水性色浆等化工原料及产品，使用历史约15年，土壤环境质量差。监测区域5和监测区域1分别位于原医院区域和原村委会区域，土壤环境质量较好。结合各监测区域的用地历史的回顾，各监测区域的污染级别与实际潜在污染状况较为吻合，因此本案例土壤环境质量采用灰色聚类评价效果较好，得出的结论也与文献[3]等人研究得出的化工等行业工业区的监测点的聚类系数比位于清洁区域的监测点的聚类系数小、土壤环境质量差的结论相似。

在进行减量化地块环境调查中，可以充分利用已知的多个监测因子的结果，以宽域式结构确定白化函数，并在评价过程中引入修正系数对白化函数值进行适当调整，对不同历史用地状况的地块的土壤环境进行污染级别评价，并就土壤环境质量进行排序，以直观的反映出各减量化地块的土壤环境质量，给后续减量化地块用作耕地、林地等提供数据支持。

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