CN112595834A - 一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种农田土壤重金属溯源及污染途径确定方法，包括研究区域确定及数据获取、污染差异度计算、污染途径确定和污染源贡献率，根据污染差异度确定污染差异度突变地块位置，并在所述突变地块进行辐射性地块布设，进一步确定潜在污染源位置及污染途径，大大降低了污染源溯源的工作量，并提高了农田土壤重金属溯源效率。
Description
技术领域
本发明属于农业环境技术领域，具体涉及一种农田土壤重金属溯源方法及污染途径确定方法。
背景技术
农田土壤重金属污染严重且来源复杂，直接影响农产品质量安全与人体健康。目前对于农田污染土壤的研究工作多局限于重金属分布、赋存形态危害等方面，污染源溯源研究较少且多采用同位素示踪、空间分析及多元统计结合分析。此外，关于污染途径确认及潜在污染源确定的相关研究缺乏。
上述技术方法存在的主要问题有：(1)现有污染源溯源方法复杂，实施过程耗时长成本高；(2)现有方法难以根据已有土壤检测数据直接确定潜在污染源；(3)农田土壤污染防治措施缺乏针对性，人力资金等资源过度投入。因此，需要一种能够对土壤重金属污染溯源并能够确定污染途径的方法。
发明内容
本发明利用研究区域农田及已知污染源区域农田土壤数据，明确已知污染源是否为实际污染源，若为实际污染源则明确其污染途径；此外，通过污染途径，明确潜在污染源位置。同时通过计算所有污染源的贡献率，明确主要污染源，为区域性土壤污染防治工作提供决策支撑，制定针对性方案措施。
本发明的目的是提供一种农田土壤重金属溯源及污染途径确定方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种农田土壤重金属溯源及污染途径确定方法，所述方法包括：
(1)研究区域确定及数据获取；
(1.1)选取研究区域并明确背景信息，
(1.2)污染区域面积确定，
具体公式如下：
S＝max(S研究农田，S污染区域)
其中，S为研究区域内农田面积，S研究农田为研究农田面积，S污染区域是以污染源为中心，向四周辐射1-5km的区域内农田面积，面积单位为亩；
(1.3)点位布设，
(1.4)获取点位数据
获取所述点位的土壤，并对土壤进行检测，获取监测指标对应检测结果；
(1.5)对研究农田的土壤检测结果进行主成分分析，获取载荷矩阵X，所述载荷矩阵X的行为指标，列为主成分，获取得分系数矩阵Y，所述得分系数矩阵Y的行为监测指标，列为主成分，根据所述载荷矩阵X可得到任意单一监测指标Ii：
Ii＝a1F1+a2F2+…aiFi
其中，Ii为单一监测指标，仅示意无取值；Fi为单一监测指标对应主成分，仅示意无取值；ai指成分矩阵中单一监测指标Ii对应的数值；
同时根据Y得到任意Fi：
Fi＝m1I1+m2I2+…+miIi
其中：mi指得分系数矩阵中单一监测指标Ii对应的数值；
(2)污染差异度计算
(2.1)对于污染源区域内农田，所述区域内农田点位的监测指标均存在以下关系式，并可通过最小二乘法求解wi：
Ei(Fi)＝∑Cimi(Fi)
Ci＝w1(Fi)E1+w2(Fi)E2+…+wi(Fi)Ei
其中，Ei(Fi)为污染源地块单一监测指标Ii(如Cd)对应Fi下的成分因子，Ci为监测指标对应检测结果，mi(Fi)为得分系数矩阵中单一监测指标Ii对应Fi下的数值，wi(Fi)为单一监测指标Ii对应Fi下的值；
(2.2)依据单一监测指标Ii的ai(Fi)和wi(Fi)分别构建矩阵，求单一监测指标污染差异度，确定已知污染源是否为实际污染源，具体公式如下：
其中cosθi为单一监测指标污染差异度，a为ai(Fi)组成的矩阵，且ai(Fi)为成分矩阵中单一监测指标Ii对应Fi下的数值，w为wi(Fi)组成的矩阵；所述差异度≤0.85认为已知污染源为研究区域实际污染源；＞0.85则认为已知污染源不是研究区域实际污染源；
(3)污染途径确定；
污染途径确定，其特征在于：
(3.1)选取污染差异度≤0.85的污染源，依据区域背景信息预设污染途径，并布设污染途径地块，所述污染途径地块内点位数量、监测指标信息与污染区域保持一致，
(3.2)潜在污染源确定
依据步骤(1)-(2)的步骤计算步骤(3.1)确定的所述污染途径地块的污染差异度，确定差异度突变地块，针对所述突变地块进行辐射性地块布设，获取辐射性地块的污染差异度，循环此操作，直至差异度稳定变化，
所述辐射性地块内点位数量、监测指标等信息与污染区域保持一致，每次循环布设一个或多个辐射性地块；
(4)污染源贡献率
依据上述已知污染源及潜在污染源，获取污染地块所有监测指标的w值，所有污染地块与研究地块存在关系如下式；联立所有监测指标关系式，通过最小二乘法求解ki，ki即为各污染源地块的贡献率：
ai(Fi)＝k1wi (1) (Fi)+k2wi (2) (Fi)+…+kiwi (n) (Fi)
其中，wi (1) (Fi)、wi (2) (Fi)、wi (n) (Fi)与wi求法一致，仅用于区分不同污染源地块；
所述ki和为1。
进一步地，所述辐射性地块差异度稳定出现变化——越接近突变地块差异度越小，则最终布设的辐射性地块为潜在污染源所在位置；
进一步地，所述背景信息包括农田位置、类型、面积，已知污染源数量、类型、位置、面积、时期，研究区域水系流向、风向、道路，研究农田到各污染源间的距离；
进一步地，采取均匀布点法计算各区域内的点位数量，计算公式为：
其中，N为点位数量，计算结果为小数时向上取整；n为监测指标数量，且n≥5；
所述研究农田及所述污染区域内农田中点位布设数量一致；
进一步地，所述监测的检测指标包括但不限于Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Mg、Fe、Mn、Ca、Si、Se；
进一步地，所述预设污染途径依据区域背景信息，取研究农田与各污染源连线，并在连线上设置污染途径地块，所述污染途径地块中心点设置在所述连线上；
进一步地，每条所述污染源连线上设置的所述污染途径地块布设数量≥1；
进一步地，所述确定差异度突变地块为所述研究农田、污染途径地块及污染源的污染差异度呈单调递增或递减变化过程中的异常污染差异度对应的地块；
本发明的农田土壤重金属溯源及污染途径确定方法，具有以下优点：
1.点位数据获取时间快，土壤检测结果实时获取；点位数据获取成本低：传统判别是否为污染源，需进行同位素分析，成本较高，本发明单个点位数据获取成本仅为常规成本的10-20％；
2.依据已有土壤数据，可推断潜在污染源位置：现有的方法只能分析已知污染源，已经关停的企业或停用的灌渠等造成的重金属等污染，现有方法无法对其分析；
3.已知污染源，可同时推测污染源贡献率及污染途径，更利于制定针对性决策措施建议，减少现有大区域措施的人力物资等资源浪费；
4.根据污染差异度确定污染差异度突变地块位置，并在所述突变地块进行辐射性地块布设进一步确定潜在污染源，大大降低了工作量，为土壤重金属污染的工作提供了技术支持。
附图说明
图1为农田土壤重金属溯源及污染途径确定方法的技术流程图；
图2为某研究区域示意图；
图3为研究区域点位分布图；
图4为各地块污染差异度示意图；
图5为污染途径示意图；
图6为污染区域W值示意图；
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
1.研究区域确定及数据获取
①选取某地内农田M为研究对象，确定该乡镇存在两个污染源A(工矿业)和B(养殖业)；M到A距离约为8.5km，M到B距离约为3km(图2)；
②确定农田M的面积为780亩，以污染源为中心划分相同面积农田区域；
③点位布设：依据点位布设公式，各区域地块均匀布设41个点位，获取点位地理信息(图3)；
④点位数据获取：A、B、M三个区域所有点位通过X荧光快速检测仪器检测Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Mg、Fe、Mn、Ca、Si、Se等指标，现场获取检测结果。
2.污染差异度计算
①以Cd为研究指标，对农田M点位信息进行主成分分析，得到载荷矩阵和得分系数矩阵；
②依据差异度计算公式，计算污染区域污染差异度，其中A、B区域差异度均小于0.85，见图4。
③依据区域水系流向、风向等信息，在农田M到污染源A、B间均预设污染途径，并根据污染途径距离布设污染途径地块，其中M到A布设3个地块(C、D、E)，M到B布设1个地块(F)；
3.污染途径确定
①依据污染差异度，可知区域D污染差异度突增(由0.014突增至0.029)，说明其与农田M差异度增强，可能受其他污染源影响，在其两边预设相反污染途径并布设地块(G、H)，布设点位并获取点位地理信息；
②通过X荧光快速检测仪器获取G、H点位检测数据，计算区域污染差异度，确定三条污染途径(MA、MB、DH)，见图5。
4.污染源贡献率确定
①依据最小二乘法，计算出污染区域A、B所有指标wi值，见图6；
②通过农田的成分矩阵中的ai值及污染区域wi值，计算得到A的贡献率为0.865，B的贡献率为0.135，确定A与B均为农田M的污染源，且A为农田M的主要污染源，判定结果与实际认知相符。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)研究区域确定及数据获取；
(1.1)选取研究区域并明确背景信息，
(1.2)污染区域面积确定，
(1.3)点位布设，
(1.4)获取点位监测数据
获取所述点位的土壤，并对土壤进行检测，获取监测指标对应检测结果；
(1.5)对研究农田的土壤检测结果进行主成分分析，获取载荷矩阵X，所述载荷矩阵X的行为监测指标，列为主成分，获取得分系数矩阵Y，所述得分系数矩阵Y的行为监测指标，列为主成分，根据所述载荷矩阵X可得到单一监测指标Ii：
Ii＝a1F1+a2F2+…aiFi
其中，Ii为单一监测指标，仅示意无取值；Fi为单一监测指标对应主成分，仅示意无取值；ai指成分矩阵中单一监测指标Ii对应的数值；
同时根据Y得到任意Fi：
Fi＝m1I1+m2I2+…+miIi
其中：mi指得分系数矩阵中单一监测指标Ii对应的数值；
(2)污染差异度计算
(2.1)对于污染源区域内农田，所述农田内点位的监测指标均存在以下关系式，并可通过最小二乘法求解wi：
Ci＝w1(Fi)E1+w2(Fi)E2+…+wi(Fi)Ei
其中，
为污染源地块单一监测指标Ii对应Fi下的成分因子，Ci为监测指标Ii对应检测结果，mi(Fi)为得分系数矩阵中单一监测指标Ii对应Fi下的数值，wi(Fi)为单一监测指标Ii对应Fi下的值；
(2.2)依据单一监测指标Ii的ai(Fi)和wi(Fi)分别构建矩阵，求单一监测指标污染差异度，确定已知污染源是否为实际污染源，具体公式如下：
其中cosθi为单一监测指标污染差异度，a为ai(Fi)组成的矩阵，且ai(Fi)为成分矩阵中单一监测指标Ii对应Fi下的数值，w为wi(Fi)组成的矩阵；所述差异度≤0.85认为已知污染源为研究区域实际污染源；＞0.85则认为已知污染源不是研究区域实际污染源；
(3)污染途径确定；
污染途径确定，其特征在于：
(3.1)选取污染差异度≤0.85的污染源，依据区域背景信息预设污染途径，并布设污染途径地块，所述污染途径地块内点位数量、监测指标信息与污染区域保持一致，
(3.2)潜在污染源确定
依据步骤(1)-(2)的步骤计算步骤(3.1)确定的所述污染途径地块的污染差异度，确定差异度突变地块，针对所述突变地块进行辐射性地块布设，获取辐射性地块的污染差异度，循环此操作，直至差异度稳定变化，
所述辐射性地块点位数量、监测指标信息与污染区域保持一致，每次循环布设一个或多个辐射性地块；
(4)污染源贡献率
依据上述已知污染源及潜在污染源，获取污染地块所有监测指标的w值，所有污染地块与研究地块存在关系如下式；联立所有监测指标关系式，通过最小二乘法求解ki，ki即为各污染源地块的贡献率：
ai(Fi)＝k1wi (1) (Fi)+k2wi (2) (Fi)+…+kiwi (n) (Fi)
其中，wi (1) (Fi)、wi (2) (Fi)、wi (n) (Fi)与wi求法一致，仅用于区分不同污染源地块；
所述ki和为1。
2.如权利要求1所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述背景信息包括农田位置、类型、面积，已知污染源数量、类型、位置、面积、时期，研究区域水系流向、风向、道路，研究农田到各污染源间的距离。
3.如权利要求1所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，采取均匀布点法计算各区域内的点位数量，计算公式为：
其中，N为点位数量，计算结果为小数时向上取整；n为监测指标数量，且n≥5。
所述研究农田及所述污染区域内农田中点位布设数量一致。
4.如权利要求1所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述监测的检测指标包括但不限于Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Mg、Fe、Mn、Ca、Si、Se。
5.如权利要求1所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述预设污染途径依据区域背景信息，取研究农田与各污染源连线，并在连线上设置污染途径地块，所述污染途径地块中心点设置在所述连线上。
6.如权利要求5所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，每条所述污染源连线上设置的所述污染途径地块布设数量≥1。
7.如权利要求6所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述污染源连线上设置的所述污染途径地块布设数量依据所述连线的距离确定。
8.如权利要求6所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述污染途径地块在所述污染源连线上均匀设置。
9.如权利要求1所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述确定差异度突变地块为所述研究农田、污染途径地块及污染源地块的污染差异度呈单调递增或递减变化过程中的异常污染差异度对应的地块。
10.如权利要求1所述的一种土壤重金属溯源及污染途径确定方法，其特征在于，所述污染区域面积的确定公式如下：
S＝max(S研究农田，S污染区域)
其中，S为研究区域内农田面积，S研究农田为研究农田面积，S污染区域是以污染源为中心，向四周辐射1-5km的区域内农田面积，面积单位为亩。
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|---|---|
| CN112595834B (zh) | 2022-11-04 |
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