35孙英君1898-1902

空间统计学模拟方法在城市重金属污染分析中的应用 空间统计学模拟方法在城市重金属污染分析中的应用 孙英君，丁宁，蔡菲，孟飞 山东建筑大学土木学院，山东 济南 250014 摘要：城市土壤重金属污染是城市化后噬待解决的一个重要问题。传统的土壤重金属污染分析方法——克里格方法，通过满足未采样点局部方差最小而获得土壤污染状况预测结果，算法本身会给估值结果带来光滑作用，并只能提供未采样点的局部不确定性。文章提出利用空间统计学的模拟方法，对土壤重金属污染状况进行研究，通过获取多幅模拟结果之间的差异来揭示研究区域土壤重金属污染的整体空间分布形态。文章以上海某区域6种重金属（Cu、Pb、Cd、Cr、Hg和As)为研究对象，利用空间统计学模拟方法对其空间分布予以研究，给出每种重金属空间分布模拟结果。最后，文章以研究区域土壤环境背景上限值为标准，给出研究区域不同土壤重金属空间分布相应级别的不确定性分析结果。 关键词：模拟；地统计学；空间变异；重金属；不确定性 中图分类号：X14 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）05-1898-05 城市的土壤环境质量与人类健康息息相关，随着城市化进程的迅速发展，城市土壤重金属污染日趋引起人们的关注。研究者将汞、镉、铅、铬、砷、锌、铜、镍合称为重金属环境污染元素，尤其是铅、镉、汞、铜及其复合污染最为突出，其中镉、汞、铅等重金属是城市和工业发展过程中产生的典型的“污染元素”，给区域土壤资源的保护、利用与管理带来了严峻挑战[1]。据报道，中国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm2，约占总耕地面积的1/5。土壤重金属污染导致严重的经济损失，如中国每年就因重金属污染而减产粮食1000多万t，另外被重金属污染的粮食每年也多达1200万t，合计经济损失至少200亿元[2]。同时，土壤重金属污染也会导致重金属在植物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人畜健康，引发癌症和其他疾病等。其次，土壤受到重金属污染会导致大气污染、地表水污染，地下水污染等生态环境问题。 因此开展土壤重金属空间结构特征的研究，特别是模拟土壤重金属的全局空间分布形态，定量化评价土壤重金属污染程度，及时有效地采取防护、修复措施，对减少城市重金属污染，提高人们的生活质量具有重要的意义。 1 土壤重金属空间结构及分布特征研究现状 已有一些研究者对城市重金属污染状况进行分析：Hu等利用地统计学对北京市大兴区土壤重金属含量的空间分布特征进行了研究[3]；郑袁明、陈同斌等利用地统计技术对北京市近郊区土壤Ni的空间结构及分布特征进行了研究[4]；钟晓兰等以江苏省太仓市为例，运用地统计技术研究了长江三角洲地区土壤重金属污染的空间变异特征[5]；郑海龙等利用地统计学普通克里格插值方法对上海梅山刚体集团附近的土壤重金属空间变异进行研究[6]；李亮亮等通过克里格插值对葫芦岛市连山区、龙港区土壤重金属汞、铬、镍的空间分布进行单因子评价[7]。Pilar Burgos等运用Kriging方法对Seville， Spain地区的土壤修复前后重金属、微量元素的变化进行了分析[8]；M. Biasioli等利用地统计方法及GIS技术对大型城市发展对土壤重金属的影响加以分析[9]。Li等利用克里格方法，结合GIS技术对香港九龙6种重金属元素（Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn）的空间分布加以研究，并通过热点探测的方法进行污染源的求解[10]。 黄勇等对地统计学在土壤重金属研究中的应用做了综述及其展望[11]。总结起来，在土壤重金属空间结构及分布特征研究上，研究人员较多地基于GIS技术与空间（地）统计学克里格系列插值方法对城市重金属污染状况进行分析：利用GIS技术进行研究区域及其采样数据、空间分布插值结果的可视化表达；利用空间统计学的变异函数对采样数据的空间异质性予以分析，并通过理论变异函数的不同因子、系数来寻求异质性产生的原因（影响因子），最后给出克里格算法插值得到的某重金属空间分布结果。 2 存在的问题及解决方法 经过克里格插值得到的重金属空间分布结果不能够反映研究区域的真实状况，特别是当研究者的目标是发现研究区域的全局分布态势或进行热点探测时。因为克里格算法本身具有一定的平滑作用：即将极大值估计偏小，极小值估计偏大，因此插值后的结果趋于平缓[12]。但在某些问题的解决中，人们需要的恰恰是被克里格方法平滑掉的极值，例如在污染分析中，研究者主要是通过污染金属所表现的极值来发现污染源。此外，克里格方法只能为未采样点提供唯一的“最优”估计值，且仅仅能够提供该点估值的局部不确定性。 土壤重金属污染的全局模拟预测及其空间不确定性分析可通过空间统计学的系列模拟方法加以解决。在此，本文选择序列高斯模拟方法进行研究区域土壤重金属空间分布的模拟预测。该方法通过随机扰动因子，获得不同搜索路径，从而在某一具体点位预测时采用不同的已知采样点及已模拟点估值结果，最后得到相同概率的多个不同模拟结果。这些模拟结果与已知采样点的空间结构（变异函数或直方图分布）一致，但对某个单一的未采样点而言，不同轮次的模拟结果会有所差异，也正是这种差异，体现了模拟结果的空间不确定性问题。 3 应用实例 本文以上海某试验区域为研究对象，采用梅花多点取样方法共获取240个样品。土壤样品经风干、过100目筛后，Hg和As用王水水浴加热消解，其他重金属用HNO3-HClO4-HF消化法制样，土壤中全量Cu、Zn、Pb、Cr采用X荧光法，全量Hg、As采用原子荧光法。全量Cd采用原子吸收石墨炉法。重金属的分析测定中，均加入国家标准土壤标样（GSS-1）进行分析质量控制，分析结果符合质量控制要求。 3.1 土壤重金属空间结构分析 研究区域土壤重金属空间结构分析如下表1所示，有关半方差函数模型选取及参数交互验证等可以参考文献[13]。 表1 研究区域土壤重金属的半方差函数模型 Table 1 The semi-variogram models of heavy metals in the studied soils Heavy metal Model Nugget/C0 Sill/(C0+C1) Range/km C0/(C0+C1) Hg Gaussian 0.006 0.007 1.54 0.860 Cu Spherical 152.450 361.660 0.81 0.422 Pb Exponential 39.829 65.294 1.73 0.609 Cd Gaussian 0.037 0.047 11.54 0.785 Cr Gaussian 189.120 307.570 11.0 0.614 As Gaussian 2.331 3.496 7.0 0.666 从表1可以看出，研究区域内6种重金属元素的变程大小顺序为：Cd> Cr> As> Pb> Hg> Cu。其中Cd、Cr、As的变程较大，分别为11.54 km、11.0 km、7.0 km，反映了区域因素对Cd和Cr的影响较大，而植物吸收、施肥等小尺度因素对它们的影响较小；其余重金属的变程范围为0.81~1.73 km，说明它们受到污水灌溉、施肥等随机因素的影响较大，导致了它们在一个较小的距离范围内存在相关关系。 表1中块金值C0与基台值C0+C1之比是反映区域化变量空间异质性程度的重要指标，该比值用以反映空间变异影响因素中区域因素（自然因素）和非区域因素（人为因素）的作用[12]。从表1可以看出Cu、Pb、Cr、As的7种重金属元素的块金常数/基台值均大于0.25小于0.75，属于中等空间相关。而Hg和Cd的块金常数/基台值大于0.75，反映了受随机因子影响较大，外源污染物对表层土壤Hg和Cd含量的贡献较大。 3.2 土壤重金属空间分布模拟 6种土壤重金属空间分布模拟均在GS+(v.9)软件环境下完成，下图1所示均是取自1000次模拟结果的平均值。为识别土壤重金属空间分布的整体态势，作者对每一类重金属选择10个以上取值区间成图。同时，本文选取研究区所在城市1987年土壤重金属背景值上限值（按95%置信限）为判断标准，分别是：Cu 40.6 mg/kg、Pb 36.1 mg/kg、Cd 0.293 mg/kg、Cr 99.5 mg/kg、Hg 0.259 mg/kg、As 14.2 mg/kg[14]。 对比各重金属标准值，可以看出，研究区域西北区域铜要素严重超标，此外Cr、Pb元素也存在较明显超标斑块，其余三种重金属超过标准值的斑点相对较少。而从研究区域而言，西北、中南偏下部位是受各种重金属污染较为严重的区域。 3.3 土壤重金属空间分布模拟不确定性分析 如“3.2”所述，文章选取研究区域所在城市1987年土壤重金属背景值上限值为阈值，对取得的土壤重金属空间分布模拟结果进行不确定性分析，分别给出每一种金属超出阈值的概率分布图。 由图2可以看出，在Cd、Cr、Cu三幅图上，均出现了概率较高的紫色区域，而这些区域比较集中在图幅的西北角及其中南偏下部位，与3.2中的分析取得一致结果。特别是Cu，在整幅图面上，只有少部分区域超标的概率小于50%，预示了铜要素在该研究区域的严重污染。其他三中重金属元素，As、Hg及Pb，存在特定斑点区域超标，几率在60%上（红色系以上色彩表示），但大部分研究区域污染程度较轻。 4 总结 以上研究，由于资料所限，作者并没有将分析结果与研究区域的自然、社会状况相关联，如污染区域是否与研究区域的厂矿企业分布一致等。但从上文分析可以看出，经过1000次高斯序列模拟，其结果已相对稳定，能够揭示研究区域整体空间分布形态。特别是结合研究区域土壤重金属背景值对模拟结果进行不确定性分析，不仅对模拟结果做了有效的印证，同时还发现一些在模拟结果中没突现出来，而发生几率又相对较高的污染斑点（如重金属Cd）。将二者结合起来，可以对重金属污染区域进行评价区划，为决策部门对土壤的整治与修复提供科学的依据。 图1 研究区重金属空间分布模拟结果 Fig. 1 The spatial distribution of heavy metals 参考文献： [1] 刘勋鑫，王翠红，廖超林, 等. 土壤重金属特性空间变异性方法研究[J]. 农业网络信息，2007，6：106-108. Liu Xunxin, Wang Cuihong, Liao Chaolin, et al. The research on the methods of heavy metal spacial variation in soil [J]. Agriculture network information, 2007，6：106-108. [2] 隋红建，吴璇，崔岩山. 土壤重金属迁移模拟研究的现状与展望[J]. 农业工程学报，2006，22(6): 197-200. Sui HongJian, Wu Xuan, Cui Yanshan. Modeling heavy metal movement in soil: review and further study directions [J]. Transactions of the CSAE, 2006，22(6): 197 - 200. [3] Hu Kelin，Zhang Fengrong，Li Hong, et al. Spatial patterns of soil heavy metals in urban-rural transition zone of Beijing[J]. Pedosphere，2006，6: 690-698. [4] 郑袁明，陈同斌，陈煌, 等. 北京市近郊区土壤镍的空间结构及分布特征[J]. 地理学报，2003，3：470 - 476. Zheng Yuanming, Chen Tongbin, Chen Huang, et al. The spatial structure and distribution of Ni Contents in soils of suburbs of Beijing[J]. Acta geographica sinica, 2003，3：470 - 476. [5] 钟晓兰，周生路，李江涛, 等. 长江三角洲地区土壤重金属污染的空间变异特征：以江苏省太仓市为例[J]. 土壤学报，2007，1：33-40. Zhong Xiaolan, Zhou Shenglu, Li Jiangtao, et al. Spatial variability of soil heavy metals contamination in the yangtze river delta —a case study of taicang city in jiangsu province[J]. Acta pedologica sinica, 2007，1：33 - 40. 图2 土壤重金属空间分布不确定性预测结果 Fig. 2 The Probability Map of heavy metals [6] 郑海龙，陈杰，邓文靖, 等. 城市边缘带土壤重金属空间变异及其污染评价[J]. 土壤学报，2006，1：39 - 45. Zheng Hailong, Chen Jie, Deng Wenjing, et al. Spatial analysis and pollution assessment of soil heavy metals in the steel industry areas of nanjing periurban zone [J]. Acta pedologica sinica, 2006，1：39 - 45. [7] 李亮亮，张大庚，王延松, 等. 葫芦岛市连山区、龙港区土壤重金属汞、铬及镍的空间分布及其污染评价[J]. 土壤通报，2006，6：1207 - 1211. Li Liangliang, Zhang Dageng, Wang Yansong, et al. Spatial distribution contamination evaluation of Hg, Cr and Ni in soil of Lianshan and Longgang districts, Huludao city [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006，6：1207 - 1211. [8] BURGOS P, MADEJO´N E, PE´REZ-DE-MORA A, et al. Spatial variability of the chemical characteristics of a trace-element-contaminated soil before and after remedi-ation[J]. Geoderma, 2006, 130: 157-175. [9] BIASIOLIA M，BARBERIS R，AJMONE-MARSAN F. The influence of a large city on some soil properties and metals content[J]. Science of the Total Environment，2006，356: 154-164. [10] XIANGDONG LI，SIULAN LEE，SZECHUNG WONG, et la. The study of metal contamination in urban soils of Hong Kong using a GIS-based approach [J]. Environmental Pollution，2004，129:113-124. [11] 黄勇，郭庆荣，任海, 等. 地统计学在土壤重金属研究中的应用及展望[J]. 生态环境，2004, 13(4): 681-684. Huang Yong, Guo Qingrong, Ren Hai, et al. Application and perspective of geostatistics in the study on soil heavy metals[J]. Ecology and Environment, 2004, 13(4): 681-684. [12] Goovaerts P. Geostatistics in Soil Science: State-of-the-Art and Perspectives [J]. Geoderma，2002，89:1 - 45. [13] 徐建华. 现代地理学中的方法[M]. 北京: 高等教育出版社，2002: 105 - 115. Xu Jianhua. Mathematical methods in contemporary geography[M]. Beijing: Higher Education Press, 2002: 105 - 115. [14] 王云，汪雅谷，罗海林, 等. 上海市土壤环境背景值[M]. 北京:中国环境科学出社，1992: 37 - 57. Wang Yun, Wang Yagu, Luo Hailin, et al. The background values of soil elements in Shanghai[M]. Beijing: Chinese Environment Science Press, 1992: 37 - 57. The application of spatial statistics simulation in the study of heavy metal contamination of urban soils Sun Yingjun, Ding Ning, Cai Fei, Meng Fei College of Civil Engineering; Shandong Jianzhu University Abstract: The pollution of surface soils caused by heavy metals was a focus problem appeared in the process of urbanization. Instead of the acquisition of the smoothed and “best” estimation of unsampled points，the paper paid much attention to describe the detail of contamination and assess the spatial uncertainty about unsampled values. The simulation method in Geostatistics was applied to the study of heavy metal contamination. Based on the statistics (histogram, Variogram) of sampled points，the simulation method can generate a set of equally-probable realizations. They represented the different situation of contamination possibly, which was particularly helpful for uncertainty assessment. The case study was from an Urban-Rural transition zone of Shanghai，China. Six kinds of heavy metals (Cu, Pb, Cd, Cr, Hg and As) in agricultural surface soils were analyzed in the paper. Based on the sequential simulation methods, the author got the different realizations of the six kinds of heavy metals respectively. At last，the author drew the conclusion that Cu，Cd and Cr were the dominant elements that influenced soil quality in the study area. Meanwhile，the author gave the uncertainty map of the six heave metals with the standards values of background as the threthold. Key words: simulation; geostatistics; spatial variability; heavy metals; uncertainty