CN104298889A - 一种金属矿渣土重金属污染综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属矿渣重金属污染综合评价方法，该方法包括：建立模糊综合评价因素集U＝{u₁,u₂,…u_m}，u_i为评价对象的污染因素；建立评价集V＝{v₁,v₂,…v_n}，v_j为污染因素u_i的评价级别；根据污染因素的污染程度建立权重集A＝{a₁,a₂…,a_m}，其中，权重a_i表示污染因素u_i的权重；确定每一污染因素对所述评价级别的隶属度，获得相应的模糊关系矩阵R；将污染程度权重集A与关系矩阵R进行复合运算获得模糊综合评价向量B；并对所述模糊综合评价向量B作归一化处理，根据模糊数学最大隶属度原则，取其中最大者的等级为环境质量的评价级别。本发明公开的方法方法，旨在更加准确、合理、客观实际地评价矿区渣土重金属综合污染。

Description

一种金属矿渣土重金属污染综合评价方法

技术领域

本发明涉及环境污染综合评价技术领域，尤其涉及一种金属矿渣土重金属污染综合评价方法。 

背景技术

重金属作为一种持久性潜在有毒污染物，一旦进入环境后，因不能被生物降解而长期存在于环境中且不断积累，严重危及人体及生态安全。矿山的长期开采以及矿渣的随意堆放，会引起当地环境严重的重金属污染，矿渣和土壤长期混合堆放成为新的污染源造成重金属污染威胁，使得重金属毒害成为矿区普遍存在的问题，不仅影响到了矿山自身发展，且影响矿山周边地区的群众生活和农业生产。近年来，频发的重金属污染问题，使重金属环境污染问题引起人们的广泛关注，并成为环境保护领域的研究热点。因此，客观实际地综合评价重金属污染，对其污染防护及治理皆具重要意义。 

在重金属污染评价中，影响因素有很多，且每种因素又会因自然环境条件、时间及本身性质和权值等差异而表现出不同特征，这些因素相互联系、相互影响，关系较为复杂。 

现行的重金属污染评价方法一般采用污染物浓度超标赋权法，但由于不同的重金属的生理毒性差异较大，其对个体的毒性级别不同，污染物浓度超标赋权法存在低估某些低浓度高毒性组分的毒性作用，因而影响最终评价结果的准确性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种金属矿渣土重金属污染综合评价方法，基于模糊数学理论构建渣土两种污染方式相结合的综合评价方法，旨在更加准确、合理、客观实际地评价矿区渣土重金属综合污染。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种金属矿渣重金属污染综合评价方法，该方法包括： 

建立模糊综合评价因素集U＝{u₁,u₂,…u_m}，u_i为评价对象的污染因素；建立评价集 V＝{v₁,v₂,…v_n}，v_j为污染因素u_i的评价级别； 

根据污染因素的污染程度建立权重集A＝{a₁,a₂…,a_m}，其中，权重a_i表示污染因素u_i的权重； 

确定每一污染因素对所述评价级别的隶属度，获得相应的模糊关系矩阵R； 

将污染程度权重集A与关系矩阵R进行复合运算获得模糊综合评价向量B；并对所述模糊综合评价向量B作归一化处理，根据模糊数学最大隶属度原则，取评定结果中最大值对应的评价级别为环境质量的评价级别。 

进一步的，当根据模糊数学最大隶属度原则进行计算时，若计算结果中出现2个相同的或近似相等的最大值时，则按照次大级原则来确定环境质量的评价级别。 

进一步的，所述确定每一污染因素对所述评价级别的隶属度，获得相应的关系矩阵R包括： 

根据污染因素的实测值及分级标准值计算得隶属度，假设污染因素u_i的实测值为x，则污染因素u_i对各评价级别的隶属度表示为： 

其中，r_i(x)为污染因素u_i对各评价级别的隶属度，e(i+1)为污染因素u_i的分级标准值； 

计算上述隶属度获得相应的关系矩阵，其中m个污染因素隶属于n个不同评价级别的隶属度，组成m×n阶模糊关系矩阵R，表示为： 

其中，r_mn表示第m种污染因素u_m对第n评价级别v_n的隶属度。 

进一步的，所述权重a_i的计算公式包括： 

$a_i=\frac{c_i/s_i}{\mathrm{\Σ}{c}_i/s_i};$

其中，c_i表示污染因素u_i的实测值，s_i表示污染因素u_i的分级标准值。 

进一步的，所述将污染程度权重集A与关系矩阵R进行复合运算获得模糊综合评价向量B的计算公式包括： 

B＝A·R＝(b₁,b₂,...b_n)； 

其中，b₁～b_n表示评定结果。 

进一步的，所述权重集A中各个污染因素的权重数值均介于0～1之间。 

进一步的，隶属度计算获得的相应关系矩阵中污染因素对评价级别的隶属度数值均介于0～1之间。 

进一步的，所述评定结果的数值介于0～1之间。 

由上述本发明提供的技术方案可以看出，将重金属的毒性级别纳入权重考虑，确定隶属度及模糊关系，综合反映重金属浓度和毒性作用，是一种有效综合评价重金属污染的方法；另外，还基于模糊数学理论进行权重及隶属度的计算，综合评价重金属污染，能够更加准确、科学和客观实际地反映重金属污染。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。 

图1为本发明实施例提供的一种金属矿渣土重金属污染综合评价方法的流程图。 

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。 

实施例 

图1为本发明实施例提供的一种金属矿渣重金属污染综合评价方法的流程图。如图所示，该方法主要包括如下步骤： 

步骤11、建立模糊综合评价因素集U＝{u₁,u₂,…u_m}，与评价集V＝{v₁,v₂,…v_n}。 

其中，u_i为集合U中的任一元素，表示评价对象的污染因素；v_j为集合V中的任一元素，表示污染因素u_i的评价级别；其中，1≤i≤m，1≤j≤n。 

示例性的，集合U＝(铜、铅、铬….)，集合U中的元素可以根据评价对象所含重金属元素确定；集合V为n个评价级别组成的集合，如V＝(清洁、尚清洁、轻污染、中污染及重污染)及水体中的V＝(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)。 

步骤12、根据污染因素的污染程度建立权重集A＝{a₁,a₂…,a_m}。 

由于不同重金属其毒性级别不同，因此不同重金属的污染级别浓度界限不同，本发明实施例基于此，将重金属的毒性级别纳入权重考虑，避免忽略低浓度高毒性组分的毒性作用，可更加合理地反映重金属浓度和毒性的综合作用。权重集A＝{a₁,a₂…,a_m}为程度权重矩阵，由各污染因素的权重组成。 

其中，权重a_i表示污染因素u_i的权重，其计算公式包括： 

$a_i=\frac{c_i/s_i}{\mathrm{\Σ}{c}_i/s_i};$

其中，c_i表示污染因素u_i的实测值，s_i表示污染因素u_i的分级标准值。 

另外，权重集A中各个污染因素的权重数值均介于0～1之间。 

步骤13、确定每一污染因素对评价级别的隶属度，获得相应的模糊关系矩阵R。 

本发明实施例中，根据污染因素的实测值及分级标准值计算得隶属度，假设污染因素u_i的实测值为x，则污染因素u_i对各评价级别的隶属度表示为： 

式中，r_i(x)为污染因素u_i对各评价级别的隶属度，e(i+1)为污染因素u_i的分级标准值。计算上述隶属度获得相应的关系矩阵，其中，m个污染因素隶属于n个不同评价级别的隶属度，组成m×n阶模糊关系矩阵R，表示为： 

根据模糊关系的定义，r_mn表示第m种污染因素(u_m)对第n评价级别(v_n)的隶属度，即隶属于第n级评价级别的可能性。另外，隶属度计算获得的相应关系矩阵中污染因素对评价级别的隶属度数值均介于0～1之间。 

步骤14、将污染程度权重集A与关系矩阵R进行复合运算获得模糊综合评价向量B；并对所述模糊综合评价向量B作归一化处理，根据模糊数学最大隶属度原则，取评定结果中最大值对应的评价级别为环境质量的评价级别。 

其中，所述将污染程度权重集A与关系矩阵R进行复合运算获得模糊综合评价向量B的计算公式包括： 

其中，b₁～b_n表示评定结果，为上述复合运算的结果，对应于各评价级别的隶属度，其数值介于0～1之间。评价结果采取最大隶属度原则，若计算结果中出现2个相同的 或近似相等的最大值时，则按照次大级原则来确定环境质量的评价级别，即取次大值贴近的一个作为最后评价结果的评价级别。 

为了便于理解，下面结合一示例对本发明做进一步的说明。 

在基于本发明实施例上述方案进行污染综合评价时，应该先确定矿渣的主要重金属污染元素，并根据各重金属污染等级标准确定重金属对综合污染的影响程度；参照HJ557-2009《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》标准进行浸出实验，根据地表水环境质量标准限值，确定各重金属元素对综合污染的影响程度；再确定评价集，对两种污染途径(土壤污染与地表水污染)分别建立包括“清洁、尚清洁、轻污染、中污染及重污染”和“Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类及Ⅴ类”的评价级别。 

1、取样 

铅锌矿渣存放场内，按S型布点方式随机多点采样，采样深度为0-20cm，样品充分混匀，自然风干、粉碎、研磨、过筛(100目)，置于密封的塑料容器中，贴签待用。 

2、消解检测 

称取样品0.2g，置于聚四氟乙烯消解罐中，滴加2-3滴去离子水润湿，加6ml硝酸、6ml氢氟酸及2ml盐酸，设定微波消解程序消解，消解后在电热板上加热赶酸，冷却加1％硝酸定容至50ml，于4℃下保存待测。同时进行四组平行实验分别标记为S1、S2、S3及S4。通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES,Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry,Thermo Scientific)、原子荧光光谱法(AFS)测定重金属含量，表1为渣土中重金属含量(mg/kg)。 

表1渣土中重金属含量(mg/kg) 

3、浸出检测 

参照HJ/T299-2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》标准进行浸出实验。 将质量比为2：1的浓硫酸和浓硝酸混合液加入到试剂水(1L水约2滴混合液)中，使pH为3.20±0.05。称取10g样品置于提取瓶中，按液固比10∶1加入浸提剂，于23±2℃翻转振荡18±2h，转速为30±2r/min，收集上清液，过滤膜并收集浸出液，于4℃下保存待测。全量实验及浸出实验均设置三组平行实验，同时做两组空白试验。通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES,Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry,Thermo Scientific)、原子荧光光谱法(AFS)测定重金属含量，表2为渣土浸出液中重金属浓度。 

表2渣土浸出液中重金属浓度(mg/L) 

4、土壤重金属污染等级评价 

1)根据消解检测结果，确定土壤重金属污染等级标准作为评价时的单因子评分表。 

表3土壤重金属污染等级标准 

2)分级标准值和权值。 

由于单因子指数在水质评价分指数中的权重与某项因子分级标准无直接关联，可以将五级标准的中间标准或其平均值定义为计算权重的分界点，这里采取各级标准的平均值作为分级标准值s_i计算。 

表4权重计算结果 

由此可得，权重集A＝{a₁,a₂…,a_m}＝{6.27E-05，7.33E-04，1.634E-03，0.02，1.86E-03，0.96，0.01}。 

3)模糊关系矩阵 

根据上表得出的权值，结合前述步骤13给出的公式可得各污染因素对各评价级别的隶属度，可得模糊关系矩阵R： 

$R=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0.05& 0.95& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0.79& 0.21& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

4)综合评判计算 

按照前述步骤14的公式，对模糊权重向量A与模糊关系矩阵R进行复合运算，得到模糊综合评价向量B，计算可得B＝A·R＝{7.96E-4，1.55E-03，1.94E-4，0.00，0.99)，归一化后得到B＝A·R＝{8.04E-4，1.57E-03，1.96E-4，0.00，1.00}。从结果可知，综合评价向量中隶属度最大为1.00，该数值对应评价级别为重污染，因此，其环境质量等级为重污染。 

5、浸出液环境质量评价 

1)对浸出液对水质影响进行模糊评价时，采用地表水环境质量标准作为评价时的单因子评分表。 

表5地表水环境质量标准限值(mg/L) 

注：无镍分级标准数据，参照地表水源镍标准限值 

2)计算分级标准值和权值 

利用表5中分级的中间标准或其平均值定义为分界点，这里采取各级标准的平均值作为分级标准值s_i，各元素的权重如表6所示。 

表6权重计算结果 

由此可得，权重集A＝{a₁,a₂,…,a_m}＝{2.86E-04，4.49E-03，1.57E-04，3.02E-03，1.39E-03，9.90E-01，4.56E-04}。 

3)模糊关系矩阵 

根据上表得出的权值，结合前述步骤13给出的公式可得各污染因素对各评价级别的隶属度，可得模糊关系矩阵R： 

$R=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0\\ 0.999& 0.001& 0& 0& 0\\ 0.81& 0.19& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

4)综合评判计算 

按照前述步骤14的公式，对模糊权重向量A与模糊关系矩阵R进行复合运算，计算得到的模糊关系矩阵R进行复合运算，得到模糊综合评价向量B，计算可得B＝A·R＝{9.22E-03，5.74E-04，0.00E-0，0.00E-0，9.93E-01}，归一化后得到 B＝A·R＝{9.28E-3，5.78E-04，0.00，0.00，1.00}。综合评价向量中隶属度最大为1.00，该数值对应评价级别为Ⅴ类。 

将重金属土壤污染和浸出液水体重金属污染等级两种方式结合，可知该铅锌矿渣土壤污染等级为重污染，水体污染等级为Ⅴ类水体。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (8)

1.一种金属矿渣重金属污染综合评价方法，其特征在于，该方法包括：

建立模糊综合评价因素集U＝{u₁,u₂,…u_m}，u_i为评价对象的污染因素；建立评价集V＝{v₁,v₂,…v_n}，v_j为污染因素u_i的评价级别；

根据污染因素的污染程度建立权重集A＝{a₁,a₂…,a_m}，其中，权重a_i表示污染因素u_i的权重；

确定每一污染因素对所述评价级别的隶属度，获得相应的模糊关系矩阵R；

将污染程度权重集A与关系矩阵R进行复合运算获得模糊综合评价向量B；并对所述模糊综合评价向量B作归一化处理，根据模糊数学最大隶属度原则，取评定结果中最大值对应的评价级别为环境质量的评价级别。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

当根据模糊数学最大隶属度原则进行计算时，若计算结果中出现2个相同的或近似相等的最大值时，则按照次大级原则来确定环境质量的评价级别。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定每一污染因素对所述评价级别的隶属度，获得相应的关系矩阵R包括：

根据污染因素的实测值及分级标准值计算得隶属度，假设污染因素u_i的实测值为x，则污染因素u_i对各评价级别的隶属度表示为：

其中，r_i(x)为污染因素u_i对各评价级别的隶属度，e(i+1)为污染因素u_i的分级标准值；

计算上述隶属度获得相应的关系矩阵，其中m个污染因素隶属于n个不同评价级别的隶属度，组成m×n阶模糊关系矩阵R，表示为：

其中，r_mn表示第m种污染因素u_m对第n评价级别v_n的隶属度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述权重a_i的计算公式包括：

$a_i=\frac{c_i/s_i}{\mathrm{\Σ}{c}_i/s_i};$

其中，c_i表示污染因素ui的实测值，s_i表示污染因素ui的分级标准值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将污染程度权重集A与关系矩阵R进行复合运算获得模糊综合评价向量B的计算公式包括：

B＝A·R＝(b₁,b₂,...b_n)；

其中，b₁～b_n表示评定结果。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述权重集A中各个污染因素的权重数值均介于0～1之间。

7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，隶属度计算获得的相应关系矩阵中污染因素对评价级别的隶属度数值均介于0～1之间。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述评定结果的数值介于0～1之间。