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表层土壤重金属污染风险评价.rar

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    编号:20180915222315110    类型:共享资源    大小:1.05MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    表层 土壤 重金属 污染 风险 评价
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    编号:10009410413南阳师范学院 2014 届毕业生毕业论文(设计)题 目: 表层土壤重金属污染风险评价 完 成 人: 张 许 班 级: 2010-04 学 制: 4 年 专 业: 测绘工程 指导教师: 张海军 完成日期: 2014-03-30 目 录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)0 引言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1 样品的采集 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)2 土壤评价与划定方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)2.1 污染土壤评价方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)2.2 污染土壤划定方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3 分析与讨论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.1 功能区的划分以及各重金属污染分布 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.2 土壤重金属污染现状(两种方法评价) ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)3.2.1 单因子污染指数法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (7)3.2.2 综合污染指数法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (9)4 结论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (13)参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (14)Abstract ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (15)第 1 页 (共 15 页)表层土壤重金属污染风险评价——以某城市不同功能区表土为例作 者:张 许指导教师:张海军摘要:以某城市表层土壤为研究对象,通过对其不同功能区的 319 个表土的重金属 As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb 和 Zn 含量的分析测试 ,认为其表层土壤污染以重金属 Cu, Zn, Cd 和 Hg 为主,且造成不同功能区表层土壤污染的重金属种类存在明显差异,工业区以 Pb, Zn, Cd, Hg 和 Cu 为主,交通区以 Cu,Hg,Zn和 Cd 为主,生活区以 Cu, Zn 为主。表层土壤的潜在生态风险评价结果表明,工业区土壤的污染程度明显要高于其它地区,局部地区已出现极强污染,其次为交通区,公园绿地区和生活区。关键词:污染评价;表层土壤;重金属;功能区工业化是土壤化学污染的一个重要来源,在工业化历史悠久的欧洲,散漫型中等程度的污染规模已位居全世界之首,而且一旦受到污染很难修复。工业化城市的污染又常以重金属汞、镉、铅、铬、铜等为主要特征,而受到人们的广泛关注。本次研究以某城市不同功能区的表层土壤为研究对象,对土壤中重金属 As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn 含量进行测定,通过分析表层土壤重金属的污染物的分布特征和现状,对土壤重金属进行潜在生态危害程度的评价,旨在为今后该城市的土壤的利用、环境管理及发展规划提供一定的科学依据。首先需要在该城市不同的功能区采集若干表层土壤样品,通过科学的方法对样品进行处理,探知其内所包含的重金属含量,从而判断其污染程度,分析污染等级。本次研究将从几个不同的方面用不同的方法进行深入的研究分析。1 样品的采集样品的采集区域为某城市的不同功能区(生活区、工业区、交第 2 页 (共 15 页)通区、山区、公园绿地区) ,采样区总面积为 319 km2。本次研究采集的土壤样品主要由生活区、工业区、交通区、山区、公园绿地区的表土组成,其中生活区 44 件、工业区 36 件、山区 66 件、交通区 138 件、公园绿地区 35 件。样品的采集方法为 1个/km 2。采样的原则为在 1 km2范围内,随机选取一块合适的土壤样品,并记录其坐标及其所属功能区,以便室内软件分析研究时更加方便准确。采样的具体方法为:先拨开覆盖在表层土壤最上层的树枝、碎石和杂草,用木铲垂直于地表挖出 0~20cm 的土壤剖面,取厚度大致相同的土壤薄片,除去大颗粒杂质,约 1 kg,装入采样布袋中,扎口、编号,带回实验室。2 土壤评价与划定方法2.1 污染土壤评价方法 评价和判定土壤环境是否发生污染,目前通常采用环境背景值评价法、土壤临界值 (种植作物中的污染物含量达到初始污染时土壤中污染物的含量) 法和土壤质量标准值法等方法 [1]。鉴于区域土壤重金属背景含量的差异性和 Cd 等重金属的高毒性及其对区域生态环境的高危害性,我们采用区域土壤环境背景上限值进行污染判断与评价 [2]。计算各指标的单因子污染指数(P i),并选择As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8 种重金属按内梅罗法 [3]计算重金属综合污染指数,计算公式如下:P = (1)12(𝑃𝑖2+𝑃𝑖,𝑚𝑎𝑥2)Pi = Ci / Si (2)公式(1) 、 (2)中, P 为综合污染指数; 为各污染物指数的平均𝑃𝑖值; 为污染物中最大的污染指数;C i 为监测点污染物含量实测 𝑃𝑖,𝑚𝑎𝑥值(μg/g) ;S i为污染物含量的评价标准值(μg/g) 。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的背景平均值(评价标准值分别为 3.6、130、31、13.2、35、12.3、31、69μg/g。污染程度按 5 级划分,分级标准如下:P5.0,极度污染。2.2 污染土壤划定方法利用在外采集表土样品时记录的数据,把各样品的相对位置以及所属功能区属性等信息直观地用 ArcMap 软件表达出来,再依据样品所属功能区信息、点位相对坐标以及样品编号通过泰森多边形法则进行整个城市功能区的划分,把相邻的并且处于相同功能区的点位进行合并处理,就能够很直观地表达城市功能区范围。利用样品重金属含量测定结果,把重金属污染浓度属性通过软件表现出来,就可以观察到各重金属对各功能区的污染程度。计算污染指数,对污染程度进行划分评价。可以利用单因子污染指数法,综合污染指数法进行分析研究,进行对比。3 数据分析3.1 功能区的划分以及各重金属污染分布根据采集的表土样品点的相对坐标及其所属功能区信息,将点位相对坐标通过 ArcMap 软件展示出来(用 Add XY Data 工具) ,如下图:图 1 加载 XY 数据第 4 页 (共 15 页)由于要研究的是功能区的划分,因此需要先建立一个凸包 [4](用“最小边界几何”工具) ,又因为样品是在每 1 Km2内随机采集的,所以应对所做出的凸包再做一个向外 707m(即 500 m)的缓2冲区(用“缓冲区”工具) ,得到研究区的范围。如下图所示:图 2 凸包以及缓冲区效果图用“创建泰森多边形”工具,输入样品点要素,即可得到泰森多边形。由于创建的泰森多边形范围大于研究区范围,所以要用“裁剪”工具,从创建的泰森多边形要素中裁剪出研究区的范围以供研究分析。得到的结果如下图所示:图 3 泰森多边形第 5 页 (共 15 页)把样品点的相对坐标及功能区属性与上面得到的研究区要素属性进行连接,这样就可以利用“融合”工具把相邻的并且属于同一个功能区的泰森多边形融合,融合字段设为“功能区” 。为了方便直观地分清楚各个功能区的范围,可以对不同的功能区进行着色,如图:图 4 功能区划分成果图至此,功能区划分成功。接下来研究各重金属污染的分布情况以及污染程度。首先要把各重金属污染浓度表通过“属性连接”连接到点要素属性,保存。然后用“Geostatistical Analyst”工具对各种金属污染进行趋势分析,得到数据中存在的趋势次数,利用 Universal Kriging 插值 [5],在插值过程中剔除分析出的趋势次数,生成重金属的污染浓度图,并修改插值得到的污染浓度图的范围,使其能够完全覆盖研究区的范围,最后利用“按掩膜提取”工具提取出研究区范围内的地图,就得到最终的重金属污染浓度图。结果如下:第 6 页 (共 15 页)As CdCr CuHg Ni Pb Zn图 5 各重金属污染分布情况和污染程度由各重金属污染分布图可以很直观地看到各污染在该城市的分布情况 [6]以及污染程度。比较明显的,Hg、Zn、Cd 等几种重金属对该城市不同的功能区存在比较严重的污染。一般的,各种金属污染表现的也都比较集中,尤以该城市的东北方向(也就是山区)受污染比较轻,说明该城市对山区的保护还是很有力度的。第 7 页 (共 15 页)表 1 各重金属污染浓度和污染指数统计表表 1 是根据采集的 319 个样品数据整理出来的,污染指数是按照公式 Pi = Ci / Si计算出来的,这里的 Si 为污染物含量的评价标准值(采用的是背景均值) 。结合功能区划分成果图及各重金属污染分布图可以看到 Hg、Cu等重金属在不同的功能区的污染浓度相差很大,反映其空间变异性 [7]较大。结合图表显示,很容易发现研究区土壤遭受了较为严重的Cd、Cu、Zn 等重金属的复合污染。3.2 土壤重金属污染现状(两种方法评价)3.2.1 单因子污染指数法 研究区土壤重金属单因子污染指数 [8]评价结果已经在上表给出。从表上可以看出,8 种重金属的单因子污染指数差异较大。污染指数平均值按降序排列为:Hg(8.56) 、Cu(4.17) 、Zn(2.92) 、Cd(2.33) 、Pb(1.99) 、Cr(1.73) 、As(1.58) 、Ni(1.40) 。同时我们发现 8 种重金属的单因子污染指数均值都大于 1,而Hg、Cu、Zn、Cd 的单因子污染指数均值已经大于 2,反映研究区土壤总体上遭受前 4 类重金属的污染比较严重。而整体上来说,该城市的重金属污染还是非常严重的,这需要从几个方面用不同的方法进行研究探索 [9]。根据重金属单因子污染指数计算结果,统计了不同污染程度样重金属质量含量( μg/g) 单因子污染指数(以背景均值来算)元素最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值As 30.13 1.61 5.68 8.37 0.45 1.58 Cd 1619.80 40.00 302.40 12.46 0.31 2.33 Cr 920.84 15.32 53.51 29.70 0.49 1.73 Cu 2528.48 2.29 55.02 191.55 0.17 4.17 Hg 16000.00 8.57 299.71 457.14 0.24 8.56 Ni 142.50 4.27 17.26 11.59 0.35 1.40 Pb 472.48 19.68 61.74 15.24 0.63 1.99 Zn 3760.82 32.86 201.20 54.50 0.48 2.92 第 8 页 (共 15 页)点所占比例,结果见图 6:As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn010203040506070未 污 染 (% )轻 度 污 染 (% )中 度 污 染 (% )重 度 污 染 (% )极 度 污 染 (% )图 6 各重金属不同污染等级所占百分比直方图(图中的数值是同一重金属污染污染等级的样品数量占受该重金属污染的所有样品数量的百分比)从图上可以看出,研究区 Cu 中等程度以上污染土壤在 50 %以上,其中重度以上污染比例也已经达到 35%。而 As、Cr、Ni 主要是轻度污染,约占 60%; 中度污染约占 10% ~ 20% ,重度以上的污染约占 5 % 。 Hg、Cu、Zn 极度污染土壤均在 10%以上,Cd 极度污染土壤也达到了 7%。利用采集的样品以及记录的附属信息,还可以计算各重金属对各功能区的污染指数(同样采用背景均值) ,结果如表 2:表 2 取背景平均值时各重金属污染指数As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn 1 生活区 1.74 2.23 2.23 3.74 2.66 1.49 2.23 3.43 2 工业区 2.01 3.02 1.72 9.66 18.35 1.61 3.00 4.03 3 山区 1.12 1.17 1.26 1.31 1.17 1.26 1.18 1.06 4 交通区 1.59 2.77 1.87 4.71 12.77 1.43 2.05 3.52 5 公园绿地区 1.74 2.16 1.41 2.29 3.29 1.24 1.96 2.24 取背景平均值时各重金属污染指数的算法:用同一功能区内同一重金属的污染浓度的平均值除以背景均值即可得到。把上表的数据用直方图的形式表现出来,如图 7:As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn0.00_5.00_10.00_15.00_20.00_1 生 活 区2 工 业 区3 山 区4 交 通 区5 公 园 绿 地 区
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