【计量地理学】实验八 土壤重金属Zn污染范围的界定与不确定性分析
摘要
本研究通过对土壤重金属锌(Zn)污染范围的界定与不确定性分析,旨在深入探讨土壤环境质量及其可能的生态风险,为土壤污染防治和修复提供科学依据。通过采用基于空间预测图和基于污染概率图的方法,对土壤重金属污染范围进行了界定,并对两种方法的界定结果进行了对比分析。最后,综合考虑了两种方法的优势和不足,提出了综合界定污染范围的方法,并进行了不确定性分析。综合界定结果显示,研究区域内未被污染的区域占38.3%,不能确定是否被污染的区域占16.8%,被污染的区域面积占44.9%。
关键词 重金属;污染范围;污染概率;不确定性
1 研究意义
土壤作为人类活动的重要受体和环境中的主要污染物的聚集地,其污染情况对生态系统和人类健康产生着深远影响。当前我国面临着严重的土壤污染问题,尤其是重金属污染。工业化、城市化和农业集约化进程中产生的大量废弃物直接或间接进入土壤系统,导致土壤重金属污染问题日益突出。通过对研究区域内124个土壤样本的调查分析,可以更全面地了解土壤重金属污染的分布特征和程度,而通过对两种方法界定结果的对比分析,可以发现不同方法在污染范围界定上存在一定差异和不确定性。本项目的研究意义在于探索土壤重金属污染范围的界定与不确定性分析方法,为土壤环境保护和污染治理提供科学支撑,促进了土壤环境质量的改善和生态环境的可持续发展。
2 重金属污染物污染范围的识别
2.1土壤重金属污染现状
研究区域内共有124个土壤样本,经过对重金属含量的分析发现,其中总锌含量呈现出较大的变化范围,最低的锌含量为 48.052 mg/kg,而最高的锌含量则高达 191.041 mg/kg,显示出显著的差异性。这些数据揭示了在该区域土壤中锌的分布情况的广泛变异性。进一步分析显示,锌含量的变异系数达到了 75.16%,这表明样本之间的离散程度相对较高。同时,锌含量的偏度为 1.216,表明其分布向右偏斜,而峰度为 3.230,显示出数据分布的尖峭程度较高。这些发现突显了研究区域土壤中锌含量的不均匀性和复杂性,对于深入理解该区域土壤的环境质量及其可能的生态风险具有重要意义。
2.2基于空间预测图的土壤重金属污染范围
为了能够界定研究区污染物的污染范围,我们首先采用的是基于空间预测图的污染范围界定方法,利用ArcGIS软件中的普通克里格插值方法,以已知的预测点数据为主,预测得到研究区域范围内的土壤重金属含量结果图如图1所示,再以重金属的背景值为阈值做重分类分析,预测图中浓度未超过背景值赋值为0,表示未被污染,预测图中浓度超过背景值赋值为1,表示已被污染,得到结果如图2所示,对比污染面积超标率与采样点的超标率可以发现,基于空间预测图界定的污染面积超标率明显大于采样点的超标率。


2.3 基于污染概率图的土壤重金属污染范围
指示克里格法(Indicator Kriging)作为克里格法的一种扩展形式,主要用于进行空间预测,其与普通克里格法不同,指示克里格法主要用于预测某个阈值以上或以下的空间区域的概率,利用ArcGIS软件中的指示克里格插值方法,以已知的预测点数据为主,得到结果如下图3所示,将图3结果做重分类分析,指示克里格预测的污染概率不大于50%的区域界定为未污染区域,指示克里格预测的污染概率大于50%的区域界定为污染区域,得到结果如图4所示,对比污染面积超标率与采样点的超标率可以发现,通过此方法界定的污染面积超标率与其对应的采样点超标率较基于空间预测图界定的污染面积超标率与其对应的采样点超标率更为接近。


3 污染范围的不确定性分析
3.1 两种方法界定的结果对比
在上述研究内容中,我们分别利用基于空间预测图和基于污染概率预测结果来界定研究区土壤Zn的污染范围。对比两者的界定结果图,我们可以发现界定结果基本一致 ,但也存在一定的差别。总体而言,前者得到的污染面积要大于后者,在空间分布预测时,由于受克里格插值平滑影响而使预测值明显大于实际值,而在基于污染概率预测时,由于指示克里格只有0和1两个指示变量,受周边平滑影响小, 从而使其界定的污染区面积明显比基于空间预测小。
3.2 污染范围的不确定性分析
由于上述两种方法都有一定的缺陷,如基于空间预测法,受空间预测结果影响较大,而克里格预测都受平滑影响,致使局部极大值或极小值偏离了实际值,致使污染界定出现偏差;指示克里格虽然能预测出各点的污染概率,但由于概率自身的缺陷 ,概率为1也并不代表一定会污染或非污染。因而人为地以50%的概率为临界值来划分污染和非污染本身就存在一定的不确定性。但这两种方法都有自身的优势,存在一定的互补性。因此,可以将两种界定结果相比较,通过综合这两个结果来提高所界定的污染范围的可信度。
由此我们综合得到划分依据为:(1)将预测图中浓度未超过背景值,指示克里格预测的污染概率不大于50%的区域界定为未污染区域;(2)将预测图中浓度超过背景值,指示克里格预测的污染概率大于50%的区域界定为污染区域;(3)其余为不确定区域(即不能确定是否被污染)。综合该划分依据,我们利用ArcGIS中的栅格计算器工具,得到结果如下图5所示,综合界定结果显示,研究区域内未被污染的区域占38.3%,不能确定是否被污染的区域占16.8%,被污染的区域面积占44.9%。

4 污染范围的不确定性分析
本研究通过基于空间预测图和基于污染概率图的方法,对土壤重金属锌(Zn)的污染范围进行了界定,并将二者结合进行了不确定性分析。结果表明,在研究区域内,被污染的土壤面积占比较大,但同时也存在着一定程度的不确定性,因此本研究依然存在一些不足之处,对于污染范围的不确定性分析还可以进一步完善,包括对概率阈值的选择和不确定性来源的深入探讨等方面,有待后续的学习与不断完善。
参考文献
[1]吴春发,吴嘉平,骆永明,等.冶炼厂周边土壤重金属污染范围的界定与不确定性分析[J].土壤学报,2009,46(06):1006-1012.