專利名稱：有色金屬礦區(qū)土-水界面污染流中各重金屬分布預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有色金屬礦區(qū)環(huán)境污染評(píng)價(jià)與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種有色金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬分布預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
土 -水界面污染流是受污染土壤在降雨或融雪徑流作用下產(chǎn)生的復(fù)合污染流體，其中污染物包含了各種重金屬、持久性有機(jī)物和氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素等，也是非點(diǎn)源污染的一種特殊表現(xiàn)形式。有色金屬(如Sb、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn、Hg等)是全球性環(huán)境污染物，均對(duì)人體及
生物具有慢性毒性及致癌性。隨著有色金屬(如銻、鉛、鋅等)在各行各業(yè)的大量使用及大規(guī)·模開(kāi)采與選冶，大量伴生的重金屬進(jìn)入礦區(qū)土壤，在降雨或融雪徑流作用下，形成有色金屬礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流，造成有色金屬礦區(qū)及其周邊區(qū)域水環(huán)境重金屬?gòu)?fù)合型污染問(wèn)題且日益突出。有色金屬礦區(qū)開(kāi)采和選冶過(guò)程中產(chǎn)生的固廢(礦石、廢礦石、尾礦砂、廢渣等)和生產(chǎn)污水等通過(guò)不同途徑進(jìn)入礦區(qū)土壤并導(dǎo)致土壤重金屬污染。受到降雨或融雪徑流的剪切、撞擊、沖刷、淋溶、浸泡等共同作用，土壤中的各種重金屬污染物在土壤-徑流界面之間發(fā)生擴(kuò)散、彌散、解吸、解離等多種物理化學(xué)反應(yīng)，最終，不同的重金屬元素呈現(xiàn)出不同的空間分布特征。由于有色金屬礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流與生態(tài)環(huán)境乃至人類健康息息相關(guān)，一直都是環(huán)境科學(xué)中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。為有效評(píng)測(cè)和控制該污染流對(duì)區(qū)域環(huán)境污染的影響，不僅要了解降雨或融雪徑流作用下有色金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流組成、含量水平、污染特征及污染物來(lái)源，還應(yīng)對(duì)各種重金屬污染物的空間分布和空間變異規(guī)律進(jìn)行研究。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于降雨或融雪徑流作用下土-水界面污染流分布特征的研究主要集中在農(nóng)田土壤、城市及城郊和公路等特殊下墊面區(qū)域。農(nóng)田土壤土 -水界面污染流主要以化肥、農(nóng)藥等引起的有機(jī)污染物特征為主，城市及城郊土-水界面污染流主要以工業(yè)生產(chǎn)的重金屬污染物、持久性有機(jī)污染物、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素在內(nèi)的多種污染物特征為主，公路方面土 -水界面污染流主要以徑流沖刷、汽車等產(chǎn)生的懸浮固體物(SS)、部分重金屬、油類污染物特征為主。在土 -水界面重金屬污染物的空間分布預(yù)測(cè)方面，經(jīng)大量文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)目前眾多學(xué)者主要對(duì)土-水界面污染流中單一介質(zhì)重金屬污染物的空間分布和空間變異規(guī)律進(jìn)行了研究，且將地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合應(yīng)用于土壤重金屬空間分布和變異性研究。在地統(tǒng)計(jì)學(xué)中，可以利用半變異函數(shù)描述土壤屬性的空間模式，并以此為基礎(chǔ)通過(guò)Kriging插值法預(yù)測(cè)未采樣地點(diǎn)的屬性值，揭示區(qū)域化變量的空間特征，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有助于了解未采樣地點(diǎn)的土壤重金屬含量，獲取土壤重金屬的空間結(jié)構(gòu)與分布特征等諸多信息。20世紀(jì)90年代以后，隨著衛(wèi)星和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)與非點(diǎn)源污染模型相結(jié)合用于非點(diǎn)源的污染預(yù)測(cè)和污染影響評(píng)價(jià)，提高了模型的空間分析能力，模型開(kāi)始向自動(dòng)化、可視化方向發(fā)展，隨著計(jì)算技術(shù)發(fā)展，研究者們結(jié)合GIS技術(shù)來(lái)對(duì)土壤中重金屬污染物的空間相關(guān)性及其空間分布進(jìn)行研究，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的空間插值方法確定土壤中重金屬污染物的空間分布，并在此基礎(chǔ)上確定研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染狀況。由于土-水界面并非一個(gè)均勻質(zhì)體，而是一個(gè)具有固液界面的空間變異體，具有高度的空間異質(zhì)性，除了自然狀態(tài)下的空間變化外，還存在其他活動(dòng)所導(dǎo)致的空間變化，這些變化均能使土 -水界面重金屬污染流中各重金屬污染物的空間動(dòng)態(tài)變得極為復(fù)雜化。另外，由于有色金屬礦區(qū)地形、地質(zhì)及降雨或融雪徑流條件復(fù)雜、固廢(礦石、廢礦石、尾礦砂、廢渣)及生產(chǎn)污水多且分布范圍廣、地表破壞嚴(yán)重等實(shí)際情況，造成有色金屬礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流中各重金屬的分布預(yù)測(cè)的困難，因而增加了有色金屬礦區(qū)非點(diǎn)源污染中伴生重金屬污染評(píng)價(jià)與控制的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種有色金屬礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流中各重金屬 分布預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明是以有色金屬礦區(qū)土-水界面采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合GIS技術(shù)，借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理，構(gòu)建基于GIS技術(shù)支撐下的有色金屬礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流中各重金屬分布的BP預(yù)測(cè)模型，對(duì)土 -水界面金屬污染流中各重金屬含量、空間變異性及分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，并用ArcGIS軟件完成土水界面重金屬空間分布圖的繪制；為有色金屬礦區(qū)重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、控制、治理與修復(fù)等提供科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)路線流程圖如圖I所示。本發(fā)明方法包括如下順序的步驟
(1)樣品采集與預(yù)處理樣品的采集采用系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法，根據(jù)礦區(qū)采礦、洗選、冶煉等工業(yè)布局以及礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀和地形條件，采樣點(diǎn)均勻分布在采樣區(qū)域內(nèi)并采用GPS進(jìn)行樣點(diǎn)定位，記錄其經(jīng)緯度；在自然降雨且降雨強(qiáng)度大于下滲強(qiáng)度產(chǎn)生徑流時(shí)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集地表坡面徑流水樣約I. 5L，放入聚乙烯瓶并用黑色塑料袋包裝后帶回實(shí)驗(yàn)室；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將所采徑流水樣震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過(guò)濾，所得徑流水樣冷藏保存貼好標(biāo)簽，做好采樣記錄；
(2)樣品檢測(cè)對(duì)徑流水樣中重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，重金屬Sb、Cd、Hg采用王水-高氯酸消煮，Pb、As采用硝酸-高氯酸消煮；Sb、Hg、As采用原子熒光分光光度法測(cè)定，Cd、Zn、Pb采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；測(cè)定過(guò)程中以測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量不確定度為控制指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制；
(3)數(shù)據(jù)處理采用Grubbs法對(duì)所測(cè)原始數(shù)據(jù)中特異值進(jìn)行檢驗(yàn)和剔除；采用SPSS19. O進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)；采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+ 7. O進(jìn)行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、半變異函數(shù)和參數(shù)的計(jì)算，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得出半變異函數(shù)的擬合曲線；
(4)建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)污染區(qū)污染歷史及區(qū)域資料調(diào)查與分析，結(jié)合背景調(diào)查分析和研究所需資料分析，在GIS信息系統(tǒng)中建立該礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；
(5)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)與經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合的方法，通過(guò)步驟(3)所述半變異函數(shù)來(lái)描述區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性，分析研究區(qū)土水界面重金屬污染流中各重金屬污染物的空間變異規(guī)律，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置與該點(diǎn)各重金屬含量之間映射關(guān)系的分析，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與半變異函數(shù)相結(jié)合構(gòu)建有色金屬礦區(qū)土水界面重金屬分布的BP預(yù)測(cè)模型；利用該模型對(duì)有色金屬礦區(qū)土水界面重金屬污染流中各重金屬含量、空間變異性及分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，并用ArcGIS軟件完成土 -水界面重金屬空間分布圖形的繪制；
(6)預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證結(jié)合研究區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，采用交叉驗(yàn)證法對(duì)空間預(yù)測(cè)模型進(jìn)行準(zhǔn)確性、可靠性及優(yōu)化性的驗(yàn)證。本發(fā)明基于GIS技術(shù)支撐下的有色金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬
分布的BP預(yù)測(cè)模型，以GIS為基礎(chǔ)，采用經(jīng)典的地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，最大限度的利用了采樣點(diǎn)所
提供的各種信息，并且引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使預(yù)測(cè)模型具有良好的容錯(cuò)能力和非線性逼近映
射能力，使得預(yù)測(cè)的有色金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬含量和空間分布更 加客觀準(zhǔn)確。本發(fā)明能為有色金屬礦區(qū)重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、控制、治理與修復(fù)等提
供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)礦區(qū)及礦業(yè)城市的和諧發(fā)展，具有重大的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效.、
Mo


圖I是本發(fā)明的流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的采樣點(diǎn)分布示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的銻礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬的半變異函數(shù)擬合曲線圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的銻礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬含量空間分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。本實(shí)施例以湖南省某銻礦山為實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)該銻礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬分布預(yù)測(cè)方法進(jìn)行實(shí)施驗(yàn)證。本實(shí)施例的具體步驟如下
(I)樣品采集與預(yù)處理
以湖南省冷水江市某銻礦山14平方公里的礦區(qū)為研究區(qū)。按照代表性原則、均勻性原貝U、典型性原則的要求進(jìn)行采樣方案的采樣點(diǎn)布設(shè)。水樣的采集采用系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法，采樣點(diǎn)均勻分布在研究區(qū)域內(nèi)并采用GPS進(jìn)行樣點(diǎn)定位。在自然降雨且降雨強(qiáng)度大于下滲強(qiáng)度產(chǎn)生徑流時(shí)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集地表坡面徑流水樣約I. 5L，放入聚乙烯瓶并用黑色塑料袋包裝后帶回實(shí)驗(yàn)室，本實(shí)施例共采集到43個(gè)樣品，樣點(diǎn)分布如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將徑流水樣震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過(guò)濾，所得徑流水樣冷藏保存，并貼好標(biāo)簽，做好采樣記錄。(2)樣品檢測(cè)
對(duì)徑流水樣中重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，將雨水樣品震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過(guò)濾，所得水樣冷藏保存。重金屬Sb、Cd、Zn、Hg采用王水-高氯酸消煮，Pb、As采用硝酸-高氯酸消煮。Sb、Hg、As采用原子熒光分光光度法測(cè)定，Cd、Zn、Pb采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，測(cè)定過(guò)程中以測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量不確定度為控制指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。(3)數(shù)據(jù)處理
采用Grubbs法對(duì)原始數(shù)據(jù)中特異值進(jìn)行檢驗(yàn)和剔除；采用SPSS19. O進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)；研究區(qū)土 -水界面重金屬元素的統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表I。
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根據(jù)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)污染區(qū)污染歷史及區(qū)域資料調(diào)查與分析，結(jié)合背景調(diào)查分析和研究所需資料分析，并在GIS信息系統(tǒng)中建立該礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。( 5 )預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建
以區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)支撐，采用以區(qū)域化變化理論為基礎(chǔ)、以半變異函數(shù)為基本工具的地統(tǒng)計(jì)技術(shù)與經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合的方法，通過(guò)半變異函數(shù)來(lái)描述區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性，分析研究區(qū)土-水界面重金屬污染物的空間變異規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)一BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置與該點(diǎn)各重金屬含量之間映射關(guān)系的智能分析，通過(guò)訓(xùn)練集的訓(xùn)練后形成一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型進(jìn)行半變異函數(shù)的擬合，得到銻礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流中各重金屬的半變異函數(shù)擬合曲線，其理論擬合模型的擬合曲線如圖3所示；最后，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與半變異函數(shù)相結(jié)合形成的理論擬合曲線進(jìn)行空間插值，得出銻礦區(qū)土 -水界面重金屬污染流中各重金屬含量空間分布，并用ArcGIS軟件完成土 -水界面重金屬空間分布圖形的繪制，如圖4所示。(6)預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證
結(jié)合研究區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，采用交叉驗(yàn)證法對(duì)空間預(yù)測(cè)模型進(jìn)行準(zhǔn)確性、可靠性及優(yōu)化性的驗(yàn)證。
權(quán)利要求
1.一種有色金屬礦區(qū)土 -水界面污染流中各重金屬分布預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括如下順序的步驟 (1)樣品采集與預(yù)處理樣品的采集采用系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法，根據(jù)礦區(qū)采礦、洗選、冶煉等工業(yè)布局以及礦區(qū)土地利用現(xiàn)狀和地形條件，采樣點(diǎn)均勻分布在采樣區(qū)域內(nèi)并采用GPS進(jìn)行樣點(diǎn)定位，記錄其經(jīng)緯度；在自然降雨且降雨強(qiáng)度大于下滲強(qiáng)度產(chǎn)生徑流時(shí)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集地表坡面徑流水樣約I. 5L，放入聚乙烯瓶并用黑色塑料袋包裝后帶回實(shí)驗(yàn)室；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將所采徑流水樣震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過(guò)濾，所得徑流水樣冷藏保存貼好標(biāo)簽，做好采樣記錄； (2)樣品檢測(cè)對(duì)徑流水樣中重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，重金屬Sb、Cd、Hg采用王水-高氯酸消煮，Pb、As采用硝酸-高氯酸消煮；Sb、Hg、As采用原子熒光分光光度法測(cè)定，Cd、Zn、Pb采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；測(cè)定過(guò)程中以測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量不確定度為控制指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制； (3)數(shù)據(jù)處理采用Grubbs法對(duì)所測(cè)原始數(shù)據(jù)中特異值進(jìn)行檢驗(yàn)和剔除；采用SPSS19. O進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)；采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+ 7. O進(jìn)行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、半變異函數(shù)和參數(shù)的計(jì)算，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得出半變異函數(shù)的擬合曲線； (4)建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)污染區(qū)污染歷史及區(qū)域資料調(diào)查與分析，結(jié)合背景調(diào)查分析和研究所需資料分析，在GIS信息系統(tǒng)中建立該礦區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)； (5)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)與經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合的方法，通過(guò)步驟(3)所述半變異函數(shù)來(lái)描述區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性，分析研究區(qū)土水界面重金屬污染流中各重金屬污染物的空間變異規(guī)律，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置與該點(diǎn)各重金屬含量之間映射關(guān)系的分析，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與半變異函數(shù)相結(jié)合構(gòu)建有色金屬礦區(qū)土水界面重金屬分布的BP預(yù)測(cè)模型；利用該模型對(duì)有色金屬礦區(qū)土水界面重金屬污染流中各重金屬含量、空間變異性及分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，并用ArcGIS軟件完成土 -水界面重金屬空間分布圖形的繪制； (6)預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證結(jié)合研究區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，采用交叉驗(yàn)證法對(duì)空間預(yù)測(cè)模型進(jìn)行準(zhǔn)確性、可靠性及優(yōu)化性的驗(yàn)證。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種有色金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬分布預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)是，以有色金屬礦區(qū)土-水界面采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合GIS技術(shù)，借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理，構(gòu)建基于GIS技術(shù)支撐下的有色金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬分布的BP預(yù)測(cè)模型，對(duì)土-水界面金屬污染流中各重金屬含量、空間變異性及分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，并用ArcGIS軟件完成土水界面重金屬空間分布圖的繪制。本發(fā)明能為有色金屬礦區(qū)重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、控制、治理與修復(fù)等提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)礦區(qū)及礦業(yè)城市的和諧發(fā)展，具有重大的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102841081SQ20121031318
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者任伯幟, 周義, 周紅濤, 盧鏡成, 張雪 申請(qǐng)人:湖南科技大學(xué)