GIS在土壤重金属污染治理中的应用实例

GIS在土壤重金属污染治理中的应用实例
作者：段雪刚
来源：《科技创新与生产力》 2016年第3期
段雪刚
（中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083）
摘要：文中介绍了土壤重金属污染现状及已有的治理技术，指出应根据土壤的污染程度、现状用地、规划用地类型等因子确定最佳的土壤治理技术；GIS强大的空间分析及统计能力，
可直观展现污染物的分布及空间相关特征，快速获得地理面积数据，并将GIS用于株洲的重金
属土壤污染治理工程中，准确划定每种治理技术适用范围，得出GIS技术可辅助土壤治理工程
的决策，提高工作效率。

关键词：土壤；重金属污染；GIS
中图分类号：X53 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2016.03.073
收稿日期：２０15－09－30；修回日期：２０16－02－04
作者简介：段雪刚（1989-）, 男，湖南常德人，在读硕士，主要从事GIS应用与GIS系统开发研究，E-mail：821257010@。

1 土壤重金属污染治理现状
城市中经营金属加工、机器制造、冶炼等工艺的工厂，其废弃物的不合理排放或泄露导致
土壤重金属元素富集，影响生态环境，危害人类健康[1-2]。

重金属污染危害人体健康的例子有：日本骨痛病事件、2009年的湖南省浏阳市镉污染事件等。

土壤中的重金属元素不能被微生物分解，在土壤中长期累积会改变土壤性质，甚至转化为毒性更大的烷基化合物。

此外，土壤中部
分的迁移会进一步扩大污染范围[3]。

因此，土壤重金属污染的治理成为人们重点关注的问题。

目前已有很多成熟的技术，如淋洗法、热处理、电解法等，每种方法各有优势，需根据土壤的
实际情况合理选择土壤治理技术[4-5]。

地理信息系统（简称GIS）技术正逐渐被应用到各行各业，其强大的空间分析能力，可以
满足土壤治理中的功能需求。

目前，GIS在土壤污染方面的研究有：重金属元素空间分布特征
分析、土壤重金属污染评价等[6-8]。

GIS将金属污染物的空间分布直观展现，可以辅助决策者
更好地分析及采取合理措施。

GIS强大的空间分析能力包括缓冲区分析、叠加分析、插值分析等。

文中主要利用GIS的插值分析、叠加分析等，根据污染程度、用地类型确定最佳的治理技术，并将对应的范围可视化。

GIS应用于土壤治理的优势还有：建立研究区的地理数据库，可
快速查询面积、周长等；输出专题图，预估治理的工作量更精确，进而提高工程的效率。

2 污染分布及评价
首先，调查分析治理区域内具体的污染情况。

以株洲市某地为例，面积为8.48 km2。

查阅
前任研究知，该地区的重金属污染的元素主要为Pb，As，Cd 3种[6]。

在研究区域内进行土壤
采样，利用GPS定位，均匀布点的方式，共计布设860个采样点。

将各个点的采集土壤（0~20 cm）化验分析得到3种元素的含量数据并录入计算机。

从国土部门获得研究区域的现状用地图、规划用地图、地形数据等，其中规划用地类型名称采用的标准为GB 50137—2011 城市用地分
类与规划建设用地标准。

利用ARCGIS10.2软件建立地理数据库并导入现状用地类型图、规划用地类型图，完成投影及配准工作。

采样点按其坐标投射到规划图上，采样点字段为X、Y及Pb，As，Cd的浓度值，
单位为
mg/kg。

单因子不能准确反映土壤的重金属污染程度，故将3种元素综合考虑：取Pb，As，Cd 3种元素污染程度最高者为土壤的重金属污染指数p，公式为
p=max（Ci/Si）.（1）
其中：p为土壤污染指数；Ci为土壤中污染物i的实测值；Si为土壤污染物i的标准值。

式中的Si根据规划用地是否敏感也不一样，见表1。

土壤污染治理考虑的主要因素有土壤污染分布及规划用途。

按规划用地类型分为敏感与非
敏感用地，敏感的判断依据为用地类型对自然条件的要求。

敏感用地包括居住文教用地、公园
及绿地、水域；非敏感用地包括工业用地、商业用地、道路、公用设施用地。

不同的用地类型对土壤的要求不一样，其中敏感用地对土壤要求较高，所确定的重金属含
量的标准值也较低；非敏感用地主要用于覆盖建筑、共用设施等，对生态、人体健康影响较小，所以确定的重金属含量的标准值也相对较高。

以p值进行插值分析可得到整个区域内污染的分
布情况。

常用的插值方法有：反距离加权法、克里格插值法、样条函数法等。

据李冰茹，王纪
华等人研究[8]，反距离加权法在土壤重金属污染中属于相对快速、精度高的插值方法。

文中采用该插值方法对土壤重金属污染分布进行预测。

按p值为1.0，1.5，2.0分为四级，图1为株
洲市某地的污染分布情况图。

中东部污染严重，该地区主要为工厂，与实际情况相符，插值效
果明显；西部污染程度低，工厂少；污染程度以清石片区为中心，逐渐向周边降低，所以土壤
重金属污染治理的重点在中东部即清石片区。

3 技术范围的划定
根据区域内的污染分布图，将其与现状用地及规划用地叠加分析，获得每一块现状用地图斑、规划用地图斑对应的污染程度。

根据土壤的污染程度、规划用地类型、现状用地类型等确
定不同土壤治理技术对应的区域范围。

区域内确定的土壤治理措施：一是移至规划工业用地，即将该区域受污染土壤转移至敏感
度低的工业用地；二是稳定化/固化技术，即将金属污染物与粘合剂结合生成不易溶解、迁移能力或毒性更小的固体，从而达到控制污染物迁移的物理化学修复方法；三是生态修复技术，以
植物忍耐某种或某些重金属的理论含量为基础，利用自然生长或者遗传工程培育的植物，通过
植物提取、植物挥发、植物稳定3种方式，清除环境中的重金属，恢复污染区生态植被；四是
阻隔技术，即规避重金属污染场地治理存在的污染扩散潜在危害，采用控制地表径流及渗透液
的阻隔系统；五是化学焚烧，即污染土壤进行高温处理达到去除污染的目的。

为有效治理整个
区域的土壤污染问题，利用GIS技术准确圈定每种治理技术对应的范围，可以为统筹土壤治理
工程及决策提供依据。

利用ARCGIS处理的主要步骤为：将p值栅格图转为矢量图。

按属性条件选择图斑，根据现状用地类型提取出水域（内陆滩涂、沟渠、河流水面、坑塘水面、沼泽地），确定出采用异位
稳定化/固化技术的范围。

判断余下区域是否规划为敏感用地而采用不同p值进行分类提取。

用相交分析功能确定治理技术的范围并以不同颜色将其可视化。

完成以上工作后即可输出对应的专题图，掌握空间分布特征，快速统计区域面积等。

此外，将研究区域数据利用ARCGIS建立地理数据库，可将土壤污染治理之后的数据进行对比，快速判断出治理效果，为治理工程效果的评价提供有效数据。

4 结束语
GIS技术可有效应用于土壤治理。

前期，利用土壤采样点数据对土壤污染进行污染的可视
化及评价，根据污染指数因子及用地类型划定各个区域的最佳土壤治理技术；中期，每种治理
技术的范围专题图用于指导治理工程的调度和实施；后期，利用地理数据库中的历史数据与最
新检测数据进行对比分析，评价区域的治理效果。

GIS正逐渐应用于其他领域，数据格式一致
可促进不同领域之间的数据共享，从而节约社会成本。

在实际生产活动中，将行业的需求与
GIS紧密联系，可不断拓宽GIS的应用领域。

参考文献：
[1] 王振中,邓继福.湖南省清水塘工业区重金属污染对土壤动物群落生态影响的研究[J].
地理科学,1994,14(1):64-72.
[2] Abrahams P W. Soils: their implications to human health[J]. Science of the Total Environment, 2002, 291(1): 1-32.
[3] 周建军,周桔,冯仁国.我国土壤重金属污染现状及治理战略[J].中国科学院院
刊,2014,29(3):315-320.
[4] 黄益宗,郝晓伟,雷鸣,等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学学报,2013,32(3):409-417.
[5] 丁园.重金属污染土壤的治理方法[J].环境与开发,2000,15(2):25-28.
[6] 息朝庄,戴塔根,黄丹艳.湖南株洲市土壤重金属分布特征及污染评价[J].中国地质,2008,35(3):524-530.
[7] 范拴喜,甘卓亭,李美娟,等.土壤重金属污染评价方法进展[J].中国农学通
报,2010,26(17):310-315.
[8] 李冰茹,王纪华,马智宏,等. GIS 在土壤重金属污染评价中的应用[J].测绘科学,2015,40(2):119-122.
[9] 黄博燕.城市建设用地敏感度研究初探[D].西安:西安建筑科技大学,2009.
（责任编辑高腾）。