模糊c-均值聚类法在土壤重金属污染空间预测中的应用

基于93个土壤表层样品重金属Cu、Zn、Cr、Cd、Pb和Hg全量浓度分析数据,应用模糊分类方法结合地统计学手段,对南京市边缘带梅山钢铁厂附近总面积约14 km2样区内的土壤重金属污染状况进行了空间预测.结果显示,样区北部及东北角区域的土壤遭受重金属元素Cu、Zn、Cr、Cd的轻微污染,样区西侧沿长江呈带状分布的土壤由于其重金属环境容量较低,存在潜在污染风险,样区其它区域的土壤未发现由上述重金属元素导致的污染现象.样区东北角土壤Pb、Hg污染严重,并与Cu、Zn、Cr、Cd污染在空间上重叠,是土壤重金属污染控制与土壤修复的重点区域.样区的东部和东北部区域土壤受Pb、Hg中度污染,在梅山集团的北部土壤轻微污染.研究表明,与直接对重金属浓度分析数据实施插值分析的常规克里格方法相比,模糊c-均值聚类结合地统计学方法获得的空间预测结果蕴含信息更加丰富,而模糊集理论及其相关算法在土壤学诸多领域中也具有极大的应用潜力.     

基于聚类算法的ERT污染区域识别方法

本文提出将聚类算法引入到ERT监测系统中，采用K均值（K-means）聚类、模糊C均值算法（FCM）以及混合高斯模型（GMM）3种常用聚类算法对ERT检测结果进行污染区域识别，通过一个数值模型分析了3种算法的识别效果.研究结果表明当污染区域与背景土壤的电阻率区分度较大时（电阻率差异性大于30%），采用3种聚类算法都可以识别出污染区域，K-means和FCM的识别效果优于GMM算法.最后，给出一个实际场地调查的应用案例.     

苏南某镇土壤重金属污染的景观格局特征

评价土壤重金属污染等级并掌握其空间格局特征,对区域土壤环境保护和治理具有重要意义.以苏南某镇8种土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn为研究对象,综合运用单因子评价法、内梅罗综合评价法、地统计分析法、景观格局的粒度效应及景观指数分析方法,在污染评价的基础上,分析了研究区土壤重金属的景观格局特征.结果表明:1研究区各土壤重金属单因子污染指数及内梅罗综合评价指数的均值取值范围为0.145~0.893,整体污染程度低,且南部地区污染程度低于北部;2 As、Pb、Hg和Zn面源污染特征明显,其中As和Pb空间分布特征相似,Hg和Zn空间分布特征相似;Cd、Cr、Cu、Ni点源污染特征显著,其中Cd和Cr空间分布特征相似,Cu和Ni空间分布特征相似;3土壤重金属景观的适宜粒度为30~40 m;4研究区土壤重金属低含量区域面积比例最大,较低含量区域边界最复杂,各污染程度区域分布相对集中且综合污染破碎化程度低.表明研究区重金属污染源数量尚少且分布集中,但有进一步发展的趋势,整体处于土壤重金属污染的早期阶段.     

渝东南山区乡镇尺度土壤合理采样数估算及重金属污染评价

为了研究乡镇尺度土壤重金属污染状况及土壤合理采样数的确定方法,选择在重庆市黔江区舟白镇采集表层（0~20 cm）土壤样品320件,分析了土壤中各重金属元素（Cd、Cr、Pb、Hg、As、Cu、Zn、Ni）含量和pH,基于经典统计学方法和地统计法研究不同土壤指标的空间变异特征及土壤合理采样数,利用内梅罗指数法进行土壤重金属污染评价.结果表明:研究区土壤中Cd、Cr、Pb、Ni含量及pH的空间分布主要受到成土母质的影响,土壤中Hg、As、Cu、Zn含量同时受到地质背景和人为活动的影响.对于研究区土壤各重金属含量和pH而言,250个土壤样点即可反映其基本信息.研究区中部土壤污染程度较低,北部和南部污染程度较高,中度和重度污染区主要分布在研究区南部.原始土壤点位和合理土壤点位重金属污染评价结果差别较小,说明所得的合理采样数结果较可靠.与地层分布对比发现,土壤中度、重度污染主要与二叠系地层有关.      

典型山区燃煤型电厂周边土壤重金属形态特征及污染评价

为了揭示毕节金沙电厂周边土壤重金属（Hg、As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn）污染状况,在电厂周围采集了32个土壤表层样品,采用改进的BCR连续提取法进行形态分析,并以Hakanson潜在生态危害指数法、改性灰色聚类法及风险评估编码法（RAC）进行生态风险评估.结果表明：重金属含量变化具有一定的空间变异结构和空间分布特征,除了Cd和Cr的含量平均值低于贵州省土壤平均背景值外,其余重金属含量的平均值均大于该背景值.土壤中的大部分重金属主要以残渣态形式存在,而Cd主要以酸可提取态和可还原态存在,具有很强的环境危害.相关性分析结果显示,Hg与As、Cd表现为极显著相关,而Zn与其余重金属元素相关性都较弱.生态风险评价得出7种重金属的生态风险大小顺序为Cd > Hg > As > Cu > Pb > Zn > Cr,综合潜在生态风险指数（RI）平均值为129.72,处于中等生态风险.通过改性灰色聚类法对土壤重金属污染进行分析评价,表明电厂西面污染明显高于东面,且Hg和Cd为主要污染物;由风险评估编码法得出元素Cd有效态占18.17%,对环境构成中等风险等级,元素Cr和Zn对环境的危害处于低风险状态,元素Hg、Pb、As和Cu处于无风险状态.综合以上研究结果,金沙电厂土壤受到不同程度的重金属污染,应特别重视Hg和Cd这两种重金属污染的治理.     

环境保护管理

环境规划与环境管理X32200702279模糊c-均值聚类法在土壤重金属污染空间预测中的应用/檀满枝(中科院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室)…∥环境科学学报/中科院生态环境研究中心.-2006,26(12).-2086~2092环图X-9基于93个土壤表层样品重金属Cu、Zn、Cr、Cd、Pb和Hg全量浓度分析数据,应用模糊分类方法结合地统计学手段,对南京市边缘带梅山钢铁厂附近总面积约14km2样区内的土壤重金属污染状况进行了空间预测.结果显示,样区北部及东北角区域的土壤遭受重金属元素Cu、Zn、Cr、Cd的轻微污染,样区西侧沿长江呈带状分布的土壤…     

西湖景区土壤典型重金属污染物的来源及空间分布特征

西湖景区由于其特殊的社会价值和地理位置,其土壤重金属污染问题备受关注.本研究通过对景区网格布点采样,采用数学统计学和Arcgis手段进行西湖风景区土壤重金属污染物的来源及空间分布特征分析.结果表明,景区土壤重金属Cu、Zn、Pb有明显人为累积,为景区的主要重金属污染物,浓度范围分别是4.6~197、11.1~885、11.7~346 mg·kg-1.Cu、Pb、Zn含量最高25%的区域都在景区东北部西湖周围绿地面积比例较小、交通道路密度大、城市化程度较高的区域;不同土地利用类型之间这3种重金属污染物含量的多重比较及空间聚类与离散分析的结果表明,交通排放是这3种重金属污染物的主要来源.本研究的结果为城市交通排放重金属污染土壤生态风险评价及城市环境管理提供了基础数据与理论依据.     

电子垃圾拆解区土壤重金属空间异质性及分布特征

在温岭电子垃圾拆解较为集中的区域系统采集90个土壤样品,研究土壤重金属的污染特征及空间异质性.结果表明,土壤重金属Cd、Cu、Zn、Pb和Ni的平均含量分别为0.38、35.13、121.38、35.40和28.13 mg·kg-1,与背景值相比较,这些重金属在研究区均有不同程度的累积,与国家二级标准相比,土壤重金属局部污染严重,尤其土壤Cd污染极为明显.土壤重金属Cd和Pb属于高度变异,其变异系数分别为121.05%和109.38%,其他重金属属于中度变异.地统计学空间插值和局部Moran'sⅠ指数结果表明土壤Cd、Cu、Zn和Pb的高值主要分布在大溪镇和泽国镇,这与电子垃圾拆解和其他的人为活动有关.土壤Ni的分布特征主要受到土壤母质的影响.重金属污染对当地生态和居民健康存在潜在的威胁.     

典型区土壤重金属空间插值方法与污染评价

选择最优的空间插值方法对土壤重金属空间分布特征的反映和污染评价具有重要的意义.以湖北省恩施市典型区表层土壤重金属As和Cd为例,选取常用的反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、局部多项式法(LPI)和普通克里格法(OK)进行空间插值,对比分析了不同插值方法的插值精度及结果差异.同时采用地累积指数和指示克里格法(IK)评价了土壤重金属污染状况.结果表明,不同插值方法对于同一种元素的预测误差相差较小,但对土壤重金属含量的空间分布特征存在明显差异,其中LPI法表现出明显的平滑效应,OK法次之,而IDW法和RBF法极大地保留了元素含量的极值信息,插值结果较详尽.为准确了解局部高背景区土壤重金属的空间分布状况,应优选IDW法或RBF法进行插值.以湖北省深层土壤重金属含量算术均值作为背景值,地累积指数污染评价结果显示:As和Cd的超标样点分别占5.5%和99.0%,研究区Cd污染程度较高.IK法污染评价显示:Cd中度-强污染以上的高概率污染区域主要位于研究区的中部,应重视土壤Cd污染分布,并对其有效治理与修复.     

典型山核桃产区土壤重金属空间异质性及其风险评价

山核桃(Carya cathayensis)是我国特有的高档干果和木本油料植物,目前关于山核桃林地土壤重金属污染研究鲜有报道.本研究以典型山核桃产区临安为研究区,系统采集了188个山核桃土壤样品,采用地统计学以及Moran's I等空间分析方法研究土壤重金属的空间异质性,并对山核桃林土壤重金属潜在生态风险进行评价.结果表明,重金属Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr平均含量分别为0.37、40.76、87.61、30.10、28.33、56.57 mg·kg-1,其中Cd、Cu平均值分别是背景值的1.33和2.87倍.单因子污染指数、内梅罗污染指数及潜在生态风险评价结果显示研究区土壤重金属均有样点超过土壤背景值,且Cd、Cu、Zn、Pb、Ni有部分样点超过土壤环境质量二级标准,表明研究区土壤已具有Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr不同程度的累积特征,局部土壤已受到Cd、Cu、Zn、Pb、Ni的污染,其中Cd最为严重,达到了强生态危害程度,Cu次之,总体上重金属呈中等生态危害程度.基于半方差函数分析得出,Cd、Cu、Pb、Ni、Cr具有强烈的空间自相关,而Zn属于中等空间相关性.Moran's I指数以及克里格插值结果揭示重金属Cd、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr均存在明显的空间分布格局和局部空间聚集现象,高值主要集中在太阳、岛石、清凉峰、河桥以及湍口几个乡镇,且以重金属Cd、Cu污染风险概率较高.土壤Cd、Cu、Zn、Ni、Cr高值分布主要与矿区开采有关,而Pb与钾肥的施用密切相关.可见,研究区重金属空间分布特征受人为活动影响明显.     

地质高背景区土壤-玉米重金属综合质量评价

为了研究地质高背景区土壤及农产品的污染程度及原因,为农产品安全生产及土壤重金属风险管控提供依据,在重庆市巫山县抱龙镇耕地区采集了土壤-玉米协同样品36套,分析了土壤-玉米中重金属(Cd、 Hg、 Pb、 As和Cr)含量及土壤pH,利用内梅罗综合污染指数法(P_N)和综合质量影响指数(IICQ)对土壤-玉米中重金属的污染程度进行了评价,并分析了土壤重金属来源及玉米重金属超标的影响因素.结果表明,研究区土壤重金属含量的平均值高于全国及重庆土壤背景值,土壤重金属富集效应明显.Cd是土壤-玉米超标的主要因子,土壤和玉米Cd的总体超标率分别为91.67%和30.55%.内梅罗综合污染指数评价结果显示,土壤以重度污染为主,占比63.89%,玉米轻度污染、中度污染和重度污染的占比分别为5.56%、 11.11%和11.11%.土壤-玉米综合质量影响指数以中度和重度污染为主,分别占比44.44%和47.22%.从重金属污染空间分布来看,玉米与土壤污染区域不一致.土壤重金属污染主要受到二叠系和三叠系地层的影响,与黑色岩系和灰岩区次生富集作用有关.玉米Cd含量主要受到土壤pH的影响,...     

贵阳市城区路侧土壤重金属分布特征及污染评价

研究了贵阳市城区各交通干线两侧表层土壤中重金属的质量分数、空间分布特征及其影响因素.以基线作为参比值,采用地积累指数法对其污染程度进行评价.结果表明:各交通干道两侧土壤中重金属质量分数存在显著差异,除Pb和Cr外,其余重金属质量分数均高于中国表层土壤重金属元素背景值和贵阳市表层土壤重金属元素基线值. 整体上,贵阳市路侧土壤尚未受到Pb和Cr的污染,其w(Hg),w(Cd)和w(Zn)已达中度污染甚至强污染水平,同时各路段也受到了不同程度的As,Cu和Ni污染,但并不严重. 据调查,路侧土壤中重金属质量分数及其分布格局主要受到燃煤、交通运输、地形及路况、气象因素以及城市建设等的影响.      

不同来源重金属污染土壤中重金属的释放行为

根据重金属来源的不同把重金属污染土壤分为2类:外源重金属污染土壤和内源重金属污染土壤,后者重金属来自成土母质.2类污染土壤中的重金属在不同颗粒中的分布有很大差异:外源重金属污染土壤的重金属主要分布于细颗粒中,重金属具有明显的向细颗粒富集的特点;而内源重金属污染土壤的重金属颗粒分异特征相对不明显.提取试验表明,内源重金属污染土壤中重金属主要以残余态形式存在,较为稳定,释放较缓慢,内源重金属污染土壤颗粒磨细程度对土壤重金属释放的影响明显高于外源重金属污染土壤.pH对外源和内源重金属污染土壤中重金属的溶出均有较大影响.连续淋溶试验表明,外源重金属污染土壤释放重金属的强度虽然较高,但其释放持续时间较短;而内源重金属污染土壤释放重金属的强度较低,但其持续时间较长.      

基于改进灰色聚类法的矿区土壤重金属污染评价

在传统灰色聚类法的基础上,以白化函数为突破口进行模型优化改进,并将其应用于马鞍山重点矿区土壤重金属污染评价中。结果表明:通过e型指数函数优化的白化函数评价范围更广,不遗漏任何重要信息;纳入生物毒性因子的双因子权重赋值法可挖掘出潜在的污染因子,使其评价应用更为合理;改进灰色聚类法较传统灰聚类法等更能综合地反映多种重金属联合作用下对土壤环境质量的影响,使其评价结果更为客观。     

基于蚁群算法的结构面产状模糊C均值聚类分析

鉴于传统结构面分析方法只能进行相对的优势组数划分,无法准确定量地给出优势结构面的产状,提出了基于蚁群算法(ACA)的结构面产状模糊C均值(FCM)聚类算法;该算法利用ACA算法得到结构面产状的模糊聚类个数,并利用FCM算法得到初始聚类中心,最终得到具有全局分布特性的最优聚类;通过现场实测数据分析,验证了该算法的实用性和有效性。     

土壤-水稻系统重金属空间异质性研究——以浙江省嵊州市为例

在嵊州农产品产地共采集94对土壤-水稻样品,研究重金属在土壤-水稻系统的污染特征及空间异质性.结果表明,土壤重金属Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分别为0.20、28.64、27.03、38.51和98.74mg/kg,与背景值相比较,这些重金属在研究区均有不同程度的累积,局部污染严重,但是水稻重金属没有超过国家规定的食品安全标准,仍处于安全水平.土壤重金属Cd、Cu、Ni、Pb和Zn都属于中等程度变异,其变异系数分别为45.00%、46.65%、81.54%、18.07%、32.47%.地统计学和局部Moran's I指数结果可识别出这五个重金属的污染分布情况.土壤Cd、Cu、Ni和Zn的空间分布较为相似,基本为东西部含量较低,中部较高,这与工业活动和其他的人为活动有关.土壤-水稻系统重金属的迁移、吸收主要受土壤重金属含量和土壤理化性状的影响.从长远来看,重金属污染对当地生态和居民健康仍有潜在的威胁.     

中国农田土壤重金属空间分布特征及污染评价

土壤是农业生产过程中不可或缺的自然资源,掌握农田土壤重金属的空间分布特征及污染水平,对于农田生态系统安全及人类健康具有重要意义.基于2002年来中国各行政区农田土壤重金属实测数据,探讨了农田土壤Cr、Cd、Pb、Zn、Cu、As和Hg等7种重金属的空间分布特征,并采用地累积指数法对污染状况展开评价.结果表明中国农田土壤重金属的空间分布特征差异较为明显,南方农田土壤重金属含量明显高于北方;平均值统计结果表明,湖南、云南、贵州、四川、福建、广西以及上海的农田土壤重金属含量较高;污染评价结果显示7种重金属的污染程度大小依次为CdHgPbCuZnAsCr,其中福建、广东、海南、浙江、湖南、陕西、甘肃、河南、重庆、山西、天津、内蒙古和安徽的富集程度较高.     

张家口市万全区某种植区土壤重金属污染评价与来源分析

以张家口市万全区某蔬菜种植区土壤为研究对象,采集132件表层和80件深层土壤样品,测试分析As、 Cd、 Cr、 Hg、 Cu、 Ni、 Pb和Zn等8种重金属元素含量以及Cr和Ni赋存形态.综合应用地统计学分析和PMF受体模型,并结合3种重金属污染评价方法,摸清了研究区土壤重金属空间分布特征、重金属污染程度和垂向上Cr和Ni赋存形态的分布情况,探析了土壤重金属污染源和贡献率.结果表明,表层土壤重金属Cd和Pb含量平均值均高于河北省土壤背景值,表层土壤Cr、 Ni、 Cu, Cd、 Pb和Zn空间分布特征存在相似性.地累积指数法表明研究区以无污染为主,分布少量轻污染点位,以Cd污染点居多;富集因子法表明研究区主要以无-弱污染为主,各元素均存在中污染情况,背景区显著污染元素为As、 Pb和Hg,重点区中显著污染元素为Cd;潜在生态风险指数法表明研究区以轻污染为主,局部分布“中”和“强”风险点,背景区Hg存在“很强”风险点,重点区Cd存在“很强”风险点.这3种评价结果表明背景区以Cd和Hg污染为主,而重点区则以Cd污染为主.垂向土壤赋存形态研究表明Cr以残渣态(F4)为主,可氧化态(F3)...     

滁州市表层土壤重金属含量特征、源解析及污染评价

为全面系统了解滁州市表层土壤重金属污染水平和生态风险,采集滁州市4 360个表层土壤样品,并分析Cr、 Zn、 Pb、 Cu、 Ni、 Cd、 As和Hg这8种重金属元素含量特征,利用相关分析、聚类分析和主成分分析解析重金属来源,采用富集因子法、单因子污染指数法、污染负荷指数、地累积指数法和潜在生态风险指数法对该地区表层土壤重金属进行环境风险评价.结果表明：(1)滁州市表层土壤8种重金属元素含量平均值均大于安徽省江淮流域土壤背景值,其中Cd、 Ni、 As和Hg空间变异较大,受外界干扰显著;(2)综合相关分析、聚类分析和主成分分析表明8种重金属污染来源可划分为4类,其中Cr、 Zn、 Cu和Ni来源于自然背景源,As和Hg主要来源于工农业污染源,Pb主要来自交通运输和工农业污染,Cd主要来源于交通源、自然源和工农业污染源;(3)富集因子法、单因子污染指数法、污染负荷指数法、地累积指数法和潜在生态风险指数法都表明该区域表层土壤Cd污染较为严重,Cd污染点位空间分布较多;(4)污染负荷指数法和潜在生态风险综合指数法表明,研究区内重金属污染程度较小、生态风险水平较低,但Cd和Hg的生态风险总...     

矿区耕地土壤重金属污染评价模型与实例研究

为对湘南某矿区耕地土壤重金属污染情况作出客观实际的评价,将层次分析理论用于环境评价领域,引入重金属毒性响应系数和重金属在粮食中限量值双重准则,以确定重金属元素之间的权重,并结合加权平均法建立综合评价模型.同时,结合GIS对耕地土壤重金属空间分布、重金属富集特征及综合污染情况进行分析.对该矿区4种重金属Pb、Cd、Cu和Zn的综合污染评价结果表明,该矿区耕地土壤重金属综合污染情况严重,综合污染指数变化范围为1.25～427,属重度污染.因子分析结果表明,4种重金属的来源具有一定相似性,主要来源于矿区有色金属采选冶炼活动.空间分析表明,4种重金属的含量及综合污染的空间分布特征呈明显富集.该评价模型可用于对矿区耕地土壤重金属污染评价的研究,为土壤重金属污染评价提供了新的思路.