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1、2 0 1 0 年2 3 卷5 期V o L2 3N o 5西南农业学报S o u t h w e s tC h i n aJ o u r n a lo fA g r i c u l t u r a lS c i e n c e s1 5 8 1文章编号：1 0 0 1 4 8 2 9(2 0 1 0)0 5 1 5 8 1 0 5模糊综合评价在农田重金属污染评价中的应用李梦红，张晓君，卢杰(山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博2 5 5 0 4 9)摘要：从模糊分析的基本原理出发，运用模糊综合评价法对新豢市农田土壤重金属的污染状况进行评价研究。选取7 种重金属作为评价因子，建立评价集，计
2、算隶属函数和权重集等模糊集合，并对新泰市农田土壤进行了分级和质量标准划分。通过采用模糊综合一加权平均模型，可对样本进行比较排序，提高了评价结果的精度。同时对新泰市农田土壤的污染情况作了具体分析，指出Z n 和C d 的污染最为严重。关键词：模糊综合评价；土壤重金属；加权平均；新泰中图分类号：X 8 2 5文献标识码：AA p p l i c a t i o no fF u z z yC o m p r e h e n s i v eA s s e s s m e n ti nP o l l u t i o nA s s e s s m e n to fH e a v yM e n t a li
3、 nF a r m l a n dS o i lL IM e n g h o n g，Z H A N GX i a o-j u n，L UJ i e(C o l l e g eo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g，S h a n d o n gT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y，S h a n d o n gZ i b o2 5 5 0 4 9，C h i n a)A b s t r a c t：B a s e do nt h ep r i n c i p
4、 l eo ff u z z ya n a l y s i s，f u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tw s aa p p l i e dt Oe v a l u a t et h eh e a v ym e t a l sp o l l u t i o no ff a r m l a n ds o l li nX i n t a ic i t y S e v e nk i n d so fh e a v ym e t a l sw e r es e l e c t e da se v a l u a t i o nf a c
5、 t o ra n de v a l u a t i o nf a c t o rs e t sw e e s t a b l i s h e d M e r e b e r s h i pf u n c t i o na n df u z z ys e t ss u c h w e i g h ts e t sw e mc a l c u l a t e da n dt h e nc l a r i f i c a t i o no ff a r m l a n da n dd i v i s i o ns t a n d a r do ff a r m l a n dq u A I i t
6、 yw a sc o n d u c t e d T h ef u z z ye o m p r e h e n s i v e-w e i g h t e da v e r a g em o d e lW a Su s e dt or a n kt h es a m p l ea n di m p r o v et h ep r e c i s i o no fa s s e s s m e n t”s u h s A tt h e 铷吼et i m e d e t a i l e da n a l y s i so np o l l u t i o ns i t u a t i o no
7、ff a r m l a n ds o i lo fX i n t a iw a 8m a d ea n dt h ep o l l u t i o no fZ na n dC dw e r ef o u n dt ob et I I em o s ts e r i o u s K e yw o r d s：F u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t；H e a v ym e n t s i ns o i l；W e i g h ta v e r a g e；X i n t a l土壤作为人类赖以生存和发展的物质基础，不仅仅因为它
8、具有生产绿色植物的功能，同时它还是各种污染物天然净化的场所 1 以】。随着经济的迅猛发展，工业“三废”和城市垃圾越来越多地被释放到土壤中，使土壤受到不同程度的污染 3“J。其中重金属污染是农业环境保护的重点和难点J。关于农田土壤中重金属的调查和评价已是国内外广泛研究的问题。目前，土壤环境质量评价的方法有指数法、T 值分级法、模糊数学综合评判法、灰色聚类法等7 1。由于土壤本身是一个复杂的有机一无机复收稿日期：2 0 1 0-0 5 1 6基金项目：山东省自然科学基金资助项目(Y 2 0 0 8 F 5 1)作者简介：李梦红(1 9 7 6 一)，女，山东淄博人，山东理工大学资源与环境工程学院教
9、师，讲师。硕士，主要从事环境监测及水处理方面的教学与研究。合体J，各种因素相互影响相互作用，而指数法和T值分析法用一种明确的界限加以区分，结论与实际情况存在一定差异0 7 J，因而模糊数学评判法在土壤综合环境中的应用得到很大的发展。在评价土壤环境质量时未污染、污染较重、污染严重等很难找出一个明确的界限，是一些模糊的概念，而模糊数学克服了上述方法的不合理性，提高了分析方法的灵敏度，使评价结果与实际环境的污染情况能够较好的吻合，因此模糊综合评判在环境质量评价中的应用非常广泛 9】。它不仅应用于土壤环境质量评价，而且在水环境、大气环境、城市道路交通噪声、环境生态的脆弱性评价等都已得到广泛的应用”J。
10、但模糊综合评价大都运用取大取小算法和最大隶属度原则，其综合程度较弱，信息丢失较多且与实际情况有时也存在较大差异6。因此本文采用模糊综合一加权平均模型作为最终评价结果J。通过对新泰万方数据西南农业学报2 3 卷市农田土壤重金属的监测结果进行模糊综合一加权平均分析，得出了较为合理的评价结果1模糊综合评价模型的建立1 1 建立评价对象的因素集在环境质量评价中，因素集就是参与评价的n个污染因子的实际测定浓度组成的模糊子集，即：u=l，2，。1 2 建立评价集评价集是各个污染因子相应的环境质量标准等级的集合，即y=K，E，吒。1 3用隶属度来刻划环境质量的分级界线在模糊集理论中，运用隶属度来刻划客观事物
11、中大量的模糊概念，如“污染程度”就是一个模糊概念。而隶属度可用隶属函数来表达。常用的隶属函数大致有降半矩形分布，降半正态分布，降半梯形分布和降半哥西分布等6 种。本文用降半梯形函数，该函数为分段函数，分段界限值为相应的环境质量标准级数：C i 配lU i l C i C i rO1 一c ic i U i j-t，C i 阢j+lr i j=一以-j-l C i 阢j(1 ，m)I 粉锅钒川L 一砜1“一1“p 1r1C i U i，。一l铲 若铃。媳钒。【lC i U i。式中，r i j 一因子u i 对-级水质的隶属度；C；一因子u；的实测浓度值；以；一因子u；第级土壤质量标准；m 第m
12、 级评价标准。根据以上计算过程，可确定各单因素模糊评价集R；的隶属度为行组成单因素评价矩阵，则可写出下列，l m 阶的模糊矩阵R：R=1 4 建立权重由于评价要素对某一综合体的贡献存在差异，即对综合体的作用不同，相应有不同的侧重。因此对各评价要素要给予一定的权重。计算权重的方法很多，通常有统计法、超标加权法、灰色聚类法、专家评估法、和层次分析法等计算方法。根据污染物对土壤的污染大权重应大和污染小权重应小的原则，确定各指标权重的大小。本论文采用超标倍数法：计算权重公式W i=C i S i对于S i，如果某评价要素指标分为m 个级别，则取它们的均值。为进行模糊计算，因子权重必须在 O，1 区间上
13、取n 一值，因此需要对权重i 进行归一化处理，即彤=1。r t 个因子指标分别计算权重后得到一个1 n阶的权重集：A=口1，口2，口3，a。1 5 模糊综合运算模糊矩阵复合运算非常类似于普通矩阵乘法，将模糊权向量A 与模糊矩阵尺相乘，得到模糊综合评价向量B，即：B=A R式中，b i 为评价指标，它是综合考虑所有因子的影响时，评价对象对评价集中第_ 等级的隶属程度，得出的结果能合理的反映所有因素的综合影响。1 6 对模糊综合评价结果进行综合分析上述评价系统几乎成了模糊数学评价的“标准”方法，流行于模糊数学的专门著作中u7。但是，有时评价结果与实际情况存在较大出入。模糊评价中常用的取大取小算法，
14、在因素较多时，每一元素得到的权重常常很小，在模糊合成运算中，信息丢失较多，常导致结果不易分辨和不合理的情况。另外，最大隶属度原则的使用是有条件的，存在有效性问题，可能会得出不合理的评价结果0|。针对上述问题，本文采用加权平均原则对模糊综合评价结果向量进行分析，不仅能评价出环境的等级，而且能对多个样本进行比较排序。2 应用实例2 1 研究区概况以新泰市农田土壤为研究对象，运用模糊综合评价方法对其进行评价。新泰市土壤类型以棕壤、褐土、沙姜黑土为主。境内矿产资源丰富，其中仅煤炭储量有1 6 亿t，现有煤矿3 9 家。是全省重要能源基地之一。本研究选取翟镇、西张庄镇、羊流镇、谷O0口=k州引以m伽；如
15、屹；6 也；q 一l一一一O石；k；万方数据5 期李梦红等：模糊综合评价在农田重金属污染评价中的应用1 5 8 3图1 采样点分布图F i g 1D i a g r a mo fs a m p l i n gs i t e s里镇、宫里镇、楼德镇、果都镇、天宝镇共8 个乡镇作为研究对象，占新泰市总农田面积的4 0，是新泰市主要产粮区。2 2 样品的采集与处理用网格法布点，共设采样点1 0 0 个，采集0 2 0c m 耕作层土，混匀，用四分法取所需土样2 k g，用G P S 定位后带回实验室。将采集样品自然风干后，过1 0 0 目筛，取1 0 0g 土装入样品袋中，待测。2 3 评价因子的选
16、择及测定方法选择c u、z n、P b、C d、C r、A s、H g7 种重金属作为评价因子。其中A s 用H N 0 3-H 2 S O。消化，H g 用H：S O。-K M n O。消化，用原子荧光光谱法测定；其余6种重金属先用H N 0 3-H F H C l 0。消化，C u、z n、C r 用火焰原子吸收法测定；P b、C d 用石墨炉原子吸收法测定；p H 用酸度计测定。各乡镇农田土壤的重金属分析结果(表1)。2 4 评价标准及评价集的确定参考山东省土壤环境背景值、土壤环境质量标准(G B l 5 6 1 8 1 9 9 5)，将土壤环境质量分为5 个级别，评价集V=I，V ，土
17、壤环境质量分级标准见表2。2 5 隶属度的计算R 翟镇=l0000 1 C u000 9 7 80 0 2 20I Z n10000l P bO0 7 5 80 2 4 20Ol C d10000I C r10000I A s00 5 5 60 4 4 40O JH g用降半梯形分布来刻划隶属度，本文将土壤环表1 各乡镇农田土壤的重金属含量T a b l e1H e a v ym e t a l sc o n t e n to fe v e r yv i l l a g e sa n dt o w n si nf a r m l a n ds o i l单位：m g k g样点C uZ nP
18、bC dc rA sH g翟镇西张庄镇羊流镇谷里镇宫里镇楼德镇果都镇2 1 5 03 5 22 2 8 l2 4 4 33 0 0 63 1 9 l2 0 8 12 0 2 2 07 7 2 03 2 0 2 37 9 2 52 8 0 4 11 5 4 1 87 4 9 12 2 8 02 1 3 02 2 5 32 0 9 l2 2 8 22 4 1 61 8 8 20 3 70 4 6O 7 3O 1 91 1 7O 2 2O 1 16 6 2 41 0 1 4 07 7 4 56 8 4 l7 9 7 58 8 2 l7 2 2 l9 6 89 3 2l O 4 59 9 68 5 6
19、9 0 29 4 3O 1 lO 1 30 1 8O 0 6O 1 2O 1 5O 0 9天宝镇2 1 1 21 0 2 5 12 3 2 50 2 97 7 9 17 4 40 0 6表2 土壤环境质量分级标准T a b l e2G r a d i n gs t a n d a r d s0 fs o i le n v i r o n m e n tq u a l i t y单位：r n g k g评价因子清洁(I)尚清洁()轻污染()中度污染()重度污染(V)C u2 6 7Z n7 2 1P b2 7 9C dO 1 9C r6 8 8H g0 0 76 8 71 3 7 42 0 04
20、 0 01 7 0 66 9 10 31 5 0O 1 62 0 0 O1 3 8 2O 5 92 0 00 3 03 0 03 0 01 22 5 01 05 0 05 0 01 53 0 01 5如1 0 71 52 1 12 53 0万方数据1 5 8 4西南农业学报2 3 卷境分为5 个级别，因此J=5，根据隶属度的计算公式，以翟镇为例，建立模糊关系矩阵。2 6 权重的确定采用超标倍数法来确定，根据权重建立公式，计算出各乡镇的土壤质量的权重集(表3)。2 7 新泰市农田土壤重金属模糊综合评价根据1 5 模糊综合评价，利用公式B=A R 得到各乡镇的模糊综合评价结果(表4)。2 8 对模
21、糊综合评价结果向量进行分析本研究采用加权平均原则对模糊综合评价结果向量进行分析，根据加权平均公式得到改进的模糊综合评价结果0 1。儿挚，吾6；式中b i 隶属于第j 等级的隶属度；后待定系数(k=l 或k=2)，目的是控制较大的b；所起的作用。采用加权平均原则，对8 个乡镇的评价结果进行分析。根据计算得到的B 分别为：翟镇，2 2 4 2；西张庄镇，1 2 9 5；羊流镇，2 9 1 3；谷里镇，1 0 0 0；官里镇，3 4 7 1；楼德镇，1 3 4 7；果都镇，1 0 0 2；天宝镇，1 1 2 9。可以作出评价：翟镇的土壤质量为2 级，稍偏向于3 级；羊流镇的土壤质量属于2 级，偏向3
22、级；宫里镇的土壤质量属于3 级，稍偏向于4 级；谷里镇、西张庄镇、楼德镇、果都镇、天宝镇的土壤质量属于1 级，且都稍偏向于2 级，由此新泰市8 个乡镇的土壤质量由好到差进行排序。依次为谷里镇、果都镇、天宝镇、西张庄镇、楼德镇、翟镇、羊流镇、宫里镇。此结果虽与最大隶属度原则所得的结果稍有不同，但它对其它等级的隶属度大小进行了综合分析和计算，在一定程度上弥补了最大隶属度原则在信息取舍方面的不足；并可对多样性样本进行比较排序，使结论更加具体、清晰，结果更加可靠、合理。3 讨论与结论土壤重金属污染状况是渐变的，模糊的，模糊数学法可以通过隶属度描述土壤重金属污染状况的渐变性、模糊性，在土壤环境质量评价中
23、其分辨率明显高于其它方法。模糊综合评价法的加权平均模型综合每个因素的贡献，并把贡献按权重进行分配，体现了各参评因素对整个评价结果的综合影响，并可对多样本进行比较排序，弥补了取大取小算法和最大隶属度原则的缺点6 J，使评价结果更加精确，可靠。万方数据5 期李梦红等：模糊综合评价在农田重金属污染评价中的应用1 5 8 5P b、C d、C r、A s、H g 进行评价，结果表明：宫里镇和羊流镇的环境污染比较严重，原因是其境内煤矿较多，长期的煤矿开采导致周边土壤重金属含量严重超标；其次，宫里镇还建有染料厂、化工厂、硫铁矿厂等，羊流镇境内还有稀土公司、玻璃纤维厂等，这些高污染、高耗能的工矿企业所排放的
24、废水、废渣，含有大量的重金属元素，由于长期的污灌历史使土壤中的重金属累积量较大，污染较严重。从权重集来看，污染较严重的重金属元素主要是Z n 和C d，其次是A s 和C r，其原因主要是煤矿开采所产生的固体废弃物一煤矸石的堆积和风化是造成重金属积累的重要原因。煤矸石中含有Z n、C r、A s、C d 等重金属导致其在土壤中累积。另外，由于磷肥和农药的长期使用使土壤中的C d 等重金属积累严重，在一定程度上加重了土壤重金属的污染。参考文献：1 王纪华，沈涛，陆安祥，等田块尺度上土壤重金属污染地分析统计及评价 J 农业工程学报，2 0 0 8，2 4(1 1)：2 2 6 2 2 9 2 EG
25、 a b l e r，JS c h n e i d e r A s s e s s m e n to fH e a v yM e t a lC o n t a m i n a t i o no fF l o o d p l a i nS o i l sd u et oM i n i n ga n dM i n e r a lP r o c e s s i n gi nt h eH a r zM o u n t a i n sG e r m a n y J E c o n o m i cG e o l o g y，2 0 0 0，3 9(7)：7 7 4 7 8 1 3 刘庆。王静，史衍玺，等绿
26、色食品产地土壤重金属空间分布及污染评价 J 水土保持学报，2 0 0 7，2 1(3)：9 0 9 4 4 M a n t a aDS，B e l l a n c aMAA，N e r i aR，e ta 1 H e a v ym e t a l si nu r-b a ns o i l s：AC t l S es t u d yf r o mt h ec i t yo f P a l e r m o(S i c i l y)，I t a l y J T h eS c i e n c eo ft h eT o t a lE n l，i r o n m e n t。2 0 0 2。3 0 0：2
27、 2 9 2 4 3 5 O c a m p o-D u q u eW，F e r r 6 一H u g u e tN，D o m i n g oJL，e ta 1 A s s e s s i n gw a t e rq u a l i t yi nr i v e r sw i t hf u z z yi n f e r e n c es y s t e m s：Ac a s e8 t I I d y J E n、r i m nI n t，2 0 0 6，3 2(6)：7 3 3 7 4 2 6 L e eCS，W e nCG R i v e ra s s i m i l a t i v ec
28、 a p a c i t ya n a i y 8 i sv i af u z z yl i n e a rp r o g r a m m i n g J F u z z yS e t sa n dS y 8 t e m s，2 0 0 6，7 9(2)：1 9 1 1 9 9 7 孙丽娜，孙铁珩，金成沫卧龙泉河流域土壤重金属污染的模糊评价 J 水土保持研究，2 0 0 6，1 3(1)：1 2 6 1 2 9【8 石平，王恩德，魏忠义，等辽宁矿区尾矿废弃地及土壤重金属污染评价研究 J 金属矿山，2 0 0 8，3 5 0(2)：1 1 8 1 2 1 9 侯素霞，刘新明。钟秦模糊数学在丹河水
29、环境综合评价中的应用 J 生态环境，2 0 0 8，1 7(4)：1 4 1 l 一1 4 1 4 1 0 潘蜂，付强，粱川模糊综合评价在水环境质量综合评价中的应用研究 J 环境工程，2 0 0 2，2 0(4)：5 8 6 0 1 1 吴钢，蔡井伟，付海威，等模糊综合评价在大伙房水库下游水污染风险评价中应用 J 环境科学，2 0 0 7，2 8(1 1)：2 4 3 8 2 4 4 1 1 2 孙靖南，邹志红，任广平模糊综合评价在天然水体水质评价中的应用研究 J 环境污染治理技术与设备，2 0 0 5，6(2)：4 5-4 8 1 3 吴新国，王杰，彭书时，等武汉市2 0 0 1 2 0 0
30、 5 年大气环境质量模糊综合评价 J 环境科学与技术，2 0 0 7，3 0(1 0)：5 8 5 9 1 4 张开冉，李国芳城市道路交通噪声影响模糊评价 J 中国公路学报，2 0 0 3，1 6(4)：9 l 一9 3 1 5 方樟，肖长来，梁秀娟，等松嫩平原地下水脆弱性模糊综合评价 J 吉林大学学报(地球科学版)，2 0 0 7，3 7(3)：5 4 6-5 5 0【1 6 段永惠模糊综合评价在土壤环境质量评价中的应用研究 J 农业系统科学与综合研究，2 0 0 4，2 0(4)：3 0 3 3 0 5 1 7 熊德国，鲜学福模糊综合评价方法的改进 J 重庆大学学报，2 0 0 3，2 6
31、(6)：9 3 9 5 1 8 谷天峰，王家鼎，王煜，等咸阳城市地质环境综合评价研究 J 水土保持通报，2 0 0 7，2 7(3)：6 9 7 4(责任编辑李洁)万方数据模糊综合评价在农田重金属污染评价中的应用模糊综合评价在农田重金属污染评价中的应用作者：李梦红，张晓君，卢杰，LI Meng-hong，ZHANG Xiao-jun，LU Jie作者单位：山东理工大学资源与环境工程学院,山东,淄博255049刊名：西南农业学报英文刊名：SOUTHWEST CHINA JOURNAL OF AGRICULTURAL SCIENCES年，卷(期)：2010,23(5)参考文献(18条)参考文献(1
32、8条)1.侯素霞;刘新明;钟秦 模糊数学在丹河水环境综合评价中的应用期刊论文-生态环境 2008(04)2.石平;王恩德;魏忠义 辽宁矿区尾矿废弃地及土壤重金属污染评价研究期刊论文-金属矿山 2008(02)3.孙丽娜;孙铁珩;金成洙 卧龙泉河流域土壤重金属污染的模糊评价期刊论文-水土保持研究 2006(01)4.Lee C S;Wen C G River assimilative capacity analysis via fuzzy linear programming 2006(02)5.Ocampo-Duque W;Ferr-Huguet N;Domingo J L Assessing
33、 water quality in rivers with fuzzy inferencesystems:A case study外文期刊 2006(06)6.Mantaa D S;Bellanca M A A;Neria R Heavy metals in urban soils:A case study from the city ofPalermo(Sicily),Italy外文期刊 20027.谷天峰;王家鼎;王煜 咸阳城市地质环境综合评价研究期刊论文-水土保持通报 2007(03)8.熊德国;鲜学福 模糊综合评价方法的改进期刊论文-重庆大学学报 2003(06)9.段永惠 模糊综合评
34、价在土壤环境质量评价中的应用研究期刊论文-农业系统科学与综合研究 2004(04)10.方樟;肖长来;梁秀娟 松嫩平原地下水脆弱性模糊综合评价期刊论文-吉林大学学报（地球科学版）2007(03)11.张开冉;李国芳 城市道路交通噪声影响模糊评价期刊论文-中国公路学报 2003(04)12.吴新国;王杰;彭书时 武汉市 20012005年大气环境质量模糊综合评价 2007(10)13.孙靖南;邹志红;任广平 模糊综合评价在天然水体水质评价中的应用研究期刊论文-环境污染治理技术与设备2005(02)14.吴钢;蔡井伟;付海威 模糊综合评价在大伙房水库下游水污染风险评价中应用期刊论文-环境科学 20
35、07(11)15.潘峰;付强;梁川 模糊综合评价在水环境质量综合评价中的应用研究期刊论文-环境工程 2002(04)16.刘庆;王静;史衍玺 绿色食品产地土壤重金属空间分布及污染评价期刊论文-水土保持学报 2007(03)17.E Gabler;J Schneider Assessment of Heavy Metal Contamination of Floodplain Soils due to Miningand Mineral Processing in the Harz Mountains Germany 2000(07)18.王纪华;沈涛;陆安祥 田块尺度上土壤重金属污染地分析统计及评价期刊论文-农业工程学报 2008(11)本文链接：http:/