基于模糊数学综合评价法的弓长岭铁矿区土壤环境质量研究

时间：2024-07-28

张晓薇王恩德柏易彤

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新123000）

辽阳弓长岭铁矿是辽宁省近40 a来发现的最大富铁矿，也是我国迄今发现的继海南石碌铁矿之后的第二大富铁矿。该铁矿历经多年的开采，矿区环境承受能力不断减弱，累积性的土壤污染问题日益突出，以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr等为主的重金属污染严重［1-2］。由于土壤重金属污染具有持久性、隐蔽性和不可逆性等特点，一旦遭受重金属污染，便难以消除［3］。开展重金属污染土壤的环境质量评价，一方面可以了解土壤重金属污染的程度和现状，并以直观的数学方式表达出来，有利于进行科学、客观的判断；另一方面可以针对现有的情况，进行合理的农业和工业生产布局，维护周边居民的生存环境，同时有计划、有步骤地开展防治和修复工作。土壤环境质量评价是进行土壤环境保护、实施土壤环境综合整治的基础工作。

传统土壤环境质量评价方法有单因子污染指数法、内梅罗指数法、地累积指数法［4-6］、潜在生态危害指数法［7-8］等，但这些方法在描述土壤污染这个复杂综合体系的模糊性和渐变性时均有不足［9］。模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。该方法能通过相对隶属度描述分类的界限，准确诠释土壤环境状况以及级别划分的模糊性，客观地反映综合土壤环境质量状况，具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决［10-13］。

前期的研究表明，弓长岭铁矿区重金属污染主要以Cu、Cd、Zn、Pb、Cr为主［2，14］。因此，本研究以此5种重金属以及有机质（OM）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（OP）等土壤养分为主要因子，采用模糊综合评价法，对辽阳弓长岭铁矿区土壤环境质量进行详细评价，为后期生态修复方案的选择提供理论指导。有关该矿区生态修复方面的研究成果将在后续论文中进行报道。

1 研究区概况

弓长岭铁矿位于辽宁省中部，属温带大陆性气候，年平均气温8.4℃，年降水量708 mm、蒸发量 1 107 mm［15］。矿区总面积110 km2，露天采场4个，占用土地35 km2，同时还形成尾矿库及排土场等大面积废弃物堆存地，严重破坏了当地生态环境［16］。

2 样品采集与测定

2.1 样品采集及预处理

样品采自独木采区、露天矿、冯家尾矿、安平尾矿、苏安大街、茨沟村、汤河区等7处，共22个采样点。根据采样区类型，样点大致可分为露天采场区、尾矿区、河流底泥区、采场周边土壤区等4类。采样区具体地理位置分布见图1。

采样时，按S形线路，每个采样点采集0～30 cm厚的新鲜岩土，经混匀、缩分得1 kg样品供测试分析。土壤样品则需去除作物根系和石砾等杂质，并自然风干、研磨、过100目筛后供测试分析。

2.2 样品分析和测定

采用电位法对土壤的酸碱值进行测定，重铬酸钾容量法测定土壤OM，土壤中的TN采用半微量开氏法测定，用碱解扩散法测定AN，TP采用硫酸-高氯酸消煮法，土壤OP采用碳酸氢钠浸提法测定。重金属含量的测定，采用混酸（HF-HNO3-HClO3）微波消解，3%的稀硝酸溶液稀释定容后，用电感藕合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）进行分析测定。

3 土壤质量结果分析与评价

3.1 构建评价因子集和评价标准集

试验选择最常用的土壤养分评价因子OM、TN、AN、TP、OP作为土壤养分因素集，根据全国第二次土壤普查规定的5个土壤养分等级确定土壤养分评价标准集［17］。选择铁矿区最常见的几种重金属Cu，Zn，Pb，Cr，Cd为土壤重金属评价因子集（辽阳地区的背景值分别为24.57、59.84、22.15、57.66、0.16 mg/kg），根据土壤环境质量标准（GB15168—1995）确定土壤重金属污染评价标准集［18］。各采样点土壤中养分及重金属含量见表1。

3.2 隶属度计算

隶属度是通过构造等级模糊子集把反应评价事物的模糊指标进行量化的函数，因此，隶属度是用来描述土壤污染状况的模糊界线，是进行模糊运算所必须的函数。设土壤环境质量分为j个级别，各级别的隶属度函数rij可以表示为［19］：

（1）土壤环境质量为一级（j=1）时的

（2）土壤环境质量为二级到四级（1＜j＜5）时的

（3）土壤环境质量为五级（j=5）时的

式中，rij表示第i种评价因子隶属第j等级的隶属度；Ci表示土壤中第i种因子的实测浓度，mg/kg；Sij表示第i种因子第j等级的标准浓度，mg/kg。

3.3 权重计算

在模糊综合评判中所设计的各项因子对土壤的质量影响不同，因此，需要对各评价因子赋予不同的权重，来展示各评价因子在该研究区域中所起到的作用强度。运用污染值法计算的各污染因子权重

式中，ai表示第i个污染因子的权重值；Si表示为各级土壤环境质量标准值的平均值，mg/kg。

根据计算出的各评价因子的单向权重得出的归一化权重［20］见表2。

3.4 模糊综合评价

为了避免“取大取小”运算法可能带来的重要信息丢失，且权重的作用在该运算中体现不明显的缺点，选择加权平均型算法计算的隶属度

式中，bj表示第j等级的隶属度，由bj可得到各区域土壤环境质量的模糊综合评价结果向量，然后根据模糊综合指数法原则，模糊综合评价结果向量与等级标准向量合成得到模糊综合指数F，F=Y·S，其中F为模糊综合评价指数，Y为模糊综合评价结果向量，S为等级标准向量，S=［35 50 65 80 95］。根据F值所属范围确定弓长岭铁矿区各区域土壤养分和重金属模糊综合评价等级结果见表3。

由表3可知：①矿区因开采导致重金属污染较严重，但各采样点土壤养分评价结果大多数为丰富（Ⅴ），并未受到重金属污染的影响。②结合表2的权重值可知，TN对土壤养分评价结果影响最大，其次为OM，AN、TP和OP的权重偏小，说明虽然矿区土壤养分整体比较丰富，但供植物快速有效利用的成分较低。③计算得矿区土壤重金属污染在清洁（I）、尚清洁（II）、轻污染（III）、中污染（IV）、重污染（V）的隶属度分别为0.017、0.064、0.108、0.052和0.758，重污染的隶属度最大，即矿区总体处于重金属重污染水平。④由5种重金属的归一化权重大小可以看出，5种重金属的权重大小顺序为Cd＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn，其中污染因子Cd的权重超过其他污染因子权重总和，说明该矿区Cd污染最为严重。而Pb、Zn的权重值很小，基本可以忽略不计，说明该矿区Pb、Zn污染很小或者无污染，对土壤环境质量的影响最小。所以，该弓长岭铁矿区主要污染因子为Cd、Cu、Cr。

将该研究结论与传统的利用地累积指数法和富集因子法研究的矿区重金属污染程度评价结论进行对比，结果见表4。

由表4可知，3种方法的评价结果基本一致，说明模糊数学综合评价法适用于矿区土壤环境质量评价。

4 研究结果分析

从重金属全量看，矿区5种重金属元素全量均高于辽阳土壤背景值。其中，Cd含量最高，超过90%的点位Cd含量超过国家土壤环境质量三级标准，露天采场和尾矿库含量平均值分别为11.50 mg/kg和5.20 mg/kg，最高达到了15.83 mg/kg；约有73%的点位Cu含量超过国家土壤环境质量二级标准，露天采场和尾矿Cu含量较高，采场周边土壤4个点位（编号17、18、19、22）铜含量异常高，平均达241.8 mg/kg，具体原因有待后期详细探索；Zn、Pb、Cr的含量较低，因此，建议在进行土壤环境恢复时，重点针对Cd、Cu污染采取相应措施，以达到在较小的投入情况下实现较好的恢复效果。

从采样区整体空间分布来看，露天采场重金属污染最严重，其次为尾矿库，再到河流底泥及周边土壤，5种重金属平均含量呈降低趋势，说明重金属含量明显受人为开采活动的影响。从露天采场向外，重金属Cd污染的权重逐渐降低，其他4种重金属污染的权重平均值呈增大的趋势，这是由于Cd的权重降低，而总和不变，所以其他4种重金属权重增大。需要特别指出的是，露天采场和尾矿库的pH值较小，特别是尾矿库，部分点位土壤的pH甚至小于6.0，这主要是由于区内黄铁矿等硫化矿物发生氧化，生成了酸，这些酸的生成又促进了重金属离子的溶出，加剧了露天采场和尾矿库的重金属污染［21］。就土壤养分的5个评价因子而言，OM、TN、TP的权重平均值变化规律性不强，但是，从露天采场开始，向外延伸过程中，AN、OP的权重平均值逐渐增大，说明供植物吸收利用的养分含量逐渐增多，逐渐适宜植物种植。

从矿区整体污染水平来看，露天采场和尾矿库重金属污染最严重，是矿山污染环境恢复的重点和难点。对于这2个区域，可以先使用农艺法调节土壤的pH、有机质、质地等因素，改变土壤重金属活性，降低其生物有效性，减少对植物的毒害，使先锋植物能进入，使污染土壤向良性发展［22］。当土壤质地稍微变好后再利用植物修复，引入超富集植物或高耐性植物，利用植物吸收、挥发和固定降低重金属的毒性，以达到清除污染的目的。在经过多年修复的恢复区或土壤污染低的地区可以种植经济作物，实现经济、社会、环境和谐发展。