土壤重金属污染评价方法

1、综合污染指数

综合指数法是一种通过单因子污染指数得出综合污染指数的方法,它能够较全面地评判其重金属的污染程度。其中，内梅罗指数法(Nemerow index)是人们在评价土壤重金属污染时运用最为广泛的综合指数法[1]。

SCPiii

2max22）（）（综合PPPii

式中：Pi为单项污染指数；

Ci为污染物实测值；

Si为根据需要选取的评价标准；Si为第i种金属的土壤环境质量指标[2-3]( As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 依次为15、0.2、90、35、0.15、40、35、100 mg/kg )

Pi为单项污染指数平均值；

Pimax为最大单项污染指数。

2、富集因子法

富集因子是分析表生环境中污染物来源和污染程度的有效手段，富集因子(EF)是Zoller等(1974)为了研究南极上空大气颗粒物中的化学元素是源于地壳还是海洋而首次提出来的。它选择满足一定条件的元素作为参比元素(一般选择表生过程中地球化学性质稳定的元素)，然后将样品中元素的浓度与基线中元素的浓度进行对比，以此来判断表生环境介质中元素的人为污染状况[4]。

）（）（BBCCrefnrefnEFsamplebackround

式中：Cn为待测元素在所测环境中的浓度；

Cref为参比元素在所测环境中的浓度；

Bn为待测元素在背景环境中的浓度；

Bref为参比元素在背景环境中的浓度。

3、地积累指数法

地积累指数法是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller在1969年提出的，用于定量评价沉积物中的重金属污染程度[5]。

Igeolog2BECni5.1

式中：Ci为样品中第i种重金属元素的平均浓度( mg/kg )，

BEn是所测元素的平均地球化学背景值，通常为全球页岩元素的平均含量( As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 依次为13、0.4、62、45、0.35、68、34、118 mg/kg)，1.5

是用来校正由于风化等效应引起的背景值差异的修正指数。

4、潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hakanson提出(Hakanson，1980)，是根据重金属性质及其在环境中迁移转化沉积等行为特点，从沉积学的角度对土壤或者沉积物中的重金属进行评价。该方法首先要测得土壤中重金属的含量，通过与土壤中重金属元素背景值的比值得到单项污染系数，然后引入重金属毒性响应系数，得到潜在生态危害单项系数，最后加权得到此区域土壤中重金属的潜在生态危害指数[6]。

单个重金属的潜在生态危害指数Ei计算式为：

CCTEii0i

式中，Ci为重金属的平均浓度( mg/kg) ；

C0为参比值，采用全球工业化前沉积物中重金属的最高背景值( As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 依次15、0.5、60、30、0.25、40、25、80 mg/kg ) ；

Ti为重金属的毒性系数( Hakanson 提出As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的毒性系数分别为10、30、2、5、40、2、5、1) 。

多个重金属的潜在生态危害指数RI计算式为：

niiERI1

表 1 重金属Nemerrow污染指数P，地质累积指数Igeo及潜在生态危害指标Ei、RI与污染分级标准

Table 1 Relationship between Nemerrow( P)，geo-accumulation( Igeo)，potential ecological

harm index( Ei、RI) and classification of heavy metal pollution

等级 P Igeo Ei RI

清洁（安全） ＜0.7 ＜0

尚清洁（警戒线） 0.7-1.0

轻度污染 1.0-2.0 0-1.0 ＜40 ＜150

中度污染 2.0-3.0 1.0-2.0 40-80 150-300

中度污染-强度污染 2.0-3.0

强度污染 3.0-10.0 3.0-4.0 80-160 300-600

强度污染-极度污染 4.0-5.0

重度污染 160-320 ＞600

极度污染 ＞10.0 ＞5.0 ＞320

表 2 几种常见指数法及其优缺点

Table 2 Advantages and disadvantages of several commonly used index methods

评价方法 公式 优点 缺点

内梅罗指数法

2max22）（）（综合PPPii 避免由于平均作用削弱污染金属的权值

可能会人为夸大或缩小某些因子的影响

富集因子法 ）（）（BBCCrefnrefnEFsamplebackround 能够比较准确地判断人为污染状况 参比元素的选择有待规范

地累积指数法 Igeolog2BECni5.1

考虑了成岩作用对土壤背景值的影响 应注意K值的选择

潜在生态危害指数法 CCTEii0i niiERI1 将环境生态效应与毒理学联系起来 注意重金属间毒性加权或拮抗作用

地积累指数法

地积累指数法是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller在1969年提出的，用于定量评价沉积物中的重金属污染程度[5]。

Igeoilog2BCiiK （1）

式中：Ci为样品中第i种重金属元素的平均浓度( mg/kg )，Bi是所测元素的平均地球化学背景值，通常为全球页岩元素的平均含量( As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 依次为13、0.4、62、45、0.35、68、34、118 mg/kg)，k 为修正造岩运动引起的背景波动而设定的系数，一般取值1.5。依据地累积指数值( Igeo) 把土壤中重金属污染程度分为7个等级，具体见表3。

表 3 基于地累积指数的土壤重金属污染程度分级

Table 1 Pollution level of heavy metals based on index of geo-accumulation

Igeo ≤0 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 ＞5

级数 0 1 2 3 4 5 6

污染指标 清洁 轻度污染 偏中污染 中度污染 偏重污染 重度污染 严重污染

基于三角模糊数的地累积指数评价模型的构建

模糊数学方法通过隶属度函数描述土壤重金属污染状况的渐变性和模糊性，评价结果具有一定可靠性。三角模糊数处理技术适用于评价数据资料不足或者数据精度不高的重金属污染状况，已有成功的应用[26-29]。将污染物浓度和地球化学背景值经α-截集技术[30-31]处理后的数据分别表示为Ci=(C1i，C2i，C3i)、Bi=（B1i，B2i，B3i）。把三角模糊数参数用式（1）算得三角模糊化的地累积指数评价模型：

Igeolog2BCnK （2）

经α-截集技术处理得到的土壤污染物地累积指数是一个区间数，用隶属度函数计算可确定土壤重金属污染程度等级。设地累积指数区间[Igeo1，I2geo]对[Io1ge，Io2ge]的隶属度可以定量表示为：

] ， [] ， [] ， [IIIIIIgeo2geo1*geo2*geo1geo2geo1）（A （3）

式中，A（λ）表示[Igeo1，I2geo]对[Io1ge，Io2ge]的隶属度，表示区间几何长度，表示取两个区间的交集，[Io1ge，Io2ge]表示评价等级的第λ等级，其中λ=1,2,3...n。

由式（3）得到[Igeo1，I2geo]对各个等级的隶属度，然后基于地累积指数污染等级的划分得出[Igeo1，I2geo]的重金属污染程度，式（4）。

)()(1geoVAIi＇ （4）

式中，Ii＇geo是重金属i的模糊地累积指数值，)(V为各个污染等级的赋值。

地累积指数法只能判断单独一种重金属的危害程度，不能很好地反应各填埋场的重金属污染的综合程度。可结合各重金属的生物毒性的差异，建立生活垃圾填埋场重金属污染综合评价模型，见式（5）。

nngeoIWR1 （5）

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