礦山環(huán)境土壤重金屬污染狀況監(jiān)測方法研究

一、引言

土地資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是人類生存最寶貴的自然資源。若是土壤資源受到污染，就會(huì)影響農(nóng)業(yè)的健康穩(wěn)定生產(chǎn)，從而對人類生存造成一定的威脅?，F(xiàn)今社會(huì)，礦山開采導(dǎo)致的環(huán)境問題逐漸嚴(yán)重，也受到了社會(huì)大眾以及相關(guān)學(xué)者的重視與關(guān)注。礦山資源開采雖然為國家發(fā)展提供了重要的資源，但是也造成了一系列環(huán)境污染問題。礦山開采由于廢料、廢渣的大規(guī)模堆積，不但會(huì)惡化礦山周邊生態(tài)環(huán)境，也會(huì)使土壤中生物毒性顯著的重金屬元素逐漸增多，從而致使礦山環(huán)境土壤出現(xiàn)重金屬污染狀況。

為避免上述事情的發(fā)生，減輕或者治理礦山環(huán)境土壤重金屬污染狀況，提出礦山環(huán)境土壤重金屬污染狀況監(jiān)測方法研究。

二、礦山環(huán)境土壤重金屬污染狀況監(jiān)測方法研究

2.1土壤重金屬監(jiān)測方法比較

池塘遙感圖像輻射校正本研究為“廣東省1∶25萬湛江市幅、?？谑蟹鶇^(qū)域地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目的一部分，研究區(qū)位于廣東省

當(dāng)前，對土壤重金屬污染狀況的監(jiān)測方法主要有化學(xué)方法、物理方法和生物方法，具體內(nèi)容見表１。

表１土壤重金屬監(jiān)測方法比較

2.2 土壤數(shù)據(jù)獲取

為了監(jiān)測礦山環(huán)境土壤重金屬污染狀況，選取手持地物光譜儀測量土壤光譜。在礦山環(huán)境土壤光譜測量過程中，設(shè)置測量時(shí)間為１１：００～１４：００，這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)太陽輻射較為強(qiáng)烈，另外，還需要注意空氣能見度與風(fēng)力情況，空氣能見度保障不低于１０ｋｍ，風(fēng)力保障小于３級。

同時(shí)，為了避免光污染對土壤光譜的影響，在測量過程中，測量人員應(yīng)該穿著深色服裝，清除土壤表面的植物、枯葉等雜物。

地物光譜儀需要嚴(yán)格依照使用說明書進(jìn)行使用，并且在使用之前需要對儀器進(jìn)行預(yù)熱，時(shí)間設(shè)置為２０～３０分鐘，并利用白板定標(biāo)校準(zhǔn)，每十分鐘定標(biāo)一次。土壤光譜測量時(shí)，測量人員應(yīng)該面對陽光，避免探頭產(chǎn)生陰影，與土壤距離設(shè)置為５０ｃｍ，儀器與水平面法線角度在１０度以內(nèi)，以此來降低地物光譜儀自身帶來的誤差。另外，為了精確獲得礦山環(huán)境土壤光譜數(shù)據(jù)，在每個(gè)研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置１０個(gè)采樣點(diǎn)，測量１０條光譜數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行平均處理，以平均數(shù)值作為土壤光譜數(shù)據(jù)，為后續(xù)土壤重金屬污染狀況監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。

2.3土壤光譜特征波段提取

以處理后土壤光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立光譜估算模型，選取光譜指標(biāo)信息，分析重金屬質(zhì)量比之間的相關(guān)性，提取土壤光譜特征波段，為土壤重金屬污染狀況監(jiān)測與判定做準(zhǔn)備。

土壤成因較為復(fù)雜，再加之天氣、動(dòng)植物、時(shí)間、污染等多種因素綜合影響下形成的。為了精確的估算土壤中重金屬的含量，需要建立光譜估算模型，具體模型建立過程如下：

依據(jù)采集土壤光譜數(shù)據(jù)，獲取土壤反射率光譜曲線。采用數(shù)據(jù)處理軟件，提取光譜指標(biāo)信息，以此為基礎(chǔ)，分析重金屬質(zhì)量比之間的關(guān)系。常規(guī)情況下，土壤中的重金屬容易吸附在Ｆｅ氧化物與Ｈｇ化合物中。依據(jù)回歸模型得到土壤重金屬的相關(guān)系數(shù)矩陣見表２。

表２土壤重金屬相關(guān)系數(shù)矩陣表

如表２所示，Ｈ_ｇ與Ｎ_ｉ的相關(guān)系數(shù)為0.90，說明了兩者之間的共生關(guān)系。而其它土壤重金屬中，與Ｈ_ｇ顯著相關(guān)的包含Ｃｒ、Ａｓ、Ｐｂ、Ｚｎ。

2.4土壤重金屬含量估算

依據(jù)表２相關(guān)系數(shù)，提取土壤重金屬光譜特征波段。計(jì)算均方根誤差與決定系數(shù)數(shù)值，構(gòu)建重金屬含量估算模型，制定土壤重金屬污染程度判定規(guī)則，實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染狀況的監(jiān)測。土壤重金屬含量均方根誤差檢驗(yàn)計(jì)算公式為：

式中，εｉ表示的是重金屬元素樣本實(shí)測值；

表示的是ＰＬＳＲ模型預(yù)測值；ｎ表示的是樣本依據(jù)公式中計(jì)算土壤重金屬均方根誤差與決定系數(shù)，具體數(shù)值如表３所示。

表３土壤重金屬均方根誤差與決定系數(shù)表

采用最小二乘法建立光譜與土壤重金屬含量之間的估算模型，以此來估算礦山環(huán)境土壤重金屬含量，判定土壤重金屬的污染狀況。土壤重金屬污染狀況判定規(guī)則如表４所示。

表４土壤重金屬污染狀況判定規(guī)則表

依照表４制定的土壤重金屬污染狀況判定規(guī)，即可實(shí)現(xiàn)礦山環(huán)境土壤重金屬污染狀況的監(jiān)測，為土壤的治理與防治提供精確的數(shù)據(jù)支撐。

三、實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證提出方法與現(xiàn)有方法之間的性能差異，采用軟件設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過程如下：

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與過程

實(shí)驗(yàn)選取某礦山作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，選取地物光譜儀作為光譜測量儀器，為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的需求，合理的、科學(xué)的設(shè)置光譜測量儀的波段。采用提出方法及現(xiàn)有的原子吸收光譜法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，設(shè)置的光譜測量儀器參數(shù)，進(jìn)行礦區(qū)環(huán)境土壤重金屬污染狀況監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，通過重金屬含量監(jiān)測誤差反映方法的性能。通過實(shí)驗(yàn)得到土壤重金屬含量監(jiān)測誤差數(shù)據(jù)見表５。

表５土壤重金屬含量監(jiān)測誤差數(shù)據(jù)表ｍｇ／ｋｇ

如表５所示，在不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行比較，得到現(xiàn)有方法土壤重金屬含量監(jiān)測誤差范圍為0.04ｍｇ／ｋｇ～0.58ｍｇ／ｋｇ，提出方法土壤重金屬含量監(jiān)測誤差范圍為0.００ｍｇ／ｋｇ～０.１０ｍｇ／ｋｇ。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，提出方法土壤重金屬含量監(jiān)測誤差較小，充分證實(shí)了提出方法的有效性。

四、結(jié)語

研究提出了一種新的礦山環(huán)境土壤重金屬污染狀況監(jiān)測方法，極大的降低了土壤重金屬含量監(jiān)測誤差，為土壤重金屬污染治理與防治提供了更加精確的數(shù)據(jù)，也為土壤重金屬污染研究提供參考。

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