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)境污染評價與控制技術(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、持久性有機物和氮、磷等營養(yǎng)元素等，也是非點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)·模開采與選冶，大量伴生的重金屬進入礦區(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)境重金屬復(fù)合型污染問題且日益突出。有色金屬礦區(qū)開采和選冶過程中產(chǎn)生的固廢(礦石、廢礦石、尾礦砂、廢渣等)和生產(chǎn)污水等通過不同途徑進入礦區(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)生擴散、彌散、解吸、解離等多種物理化學反應(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)境科學中備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。為有效評測和控制該污染流對區(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源，還應(yīng)對各種重金屬污染物的空間分布和空間變異規(guī)律進行研究。目前國內(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、持久性有機污染物、氮、磷等營養(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)測方面，經(jīng)大量文獻查閱發(fā)現(xiàn)目前眾多學者主要對土-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)律進行了研究，且將地統(tǒng)計學方法與多元統(tǒng)計學方法相結(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)計學中，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Kriging插值法預(yù)測未采樣地點的屬性值，揭示區(qū)域化變量的空間特征，采用地統(tǒng)計學方法有助于了解未采樣地點的土壤重金屬含量，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90年代以后，隨著衛(wèi)星和計算機技術(shù)的發(fā)展和進步，遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)與非點源污染模型相結(jié)合用于非點源的污染預(yù)測和污染影響評價，提高了模型的空間分析能力，模型開始向自動化、可視化方向發(fā)展，隨著計算技術(shù)發(fā)展，研究者們結(jié)合GIS技術(shù)來對土壤中重金屬污染物的空間相關(guān)性及其空間分布進行研究，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-水界面并非一個均勻質(zhì)體，而是一個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、地表破壞嚴重等實際情況，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)測的困難，因而增加了有色金屬礦區(qū)非點源污染中伴生重金屬污染評價與控制的難度。

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)測方法。本發(fā)明是以有色金屬礦區(qū)土-水界面采樣點的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用地統(tǒng)計學方法，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)測模型，對土 -水界面金屬污染流中各重金屬含量、空間變異性及分布進行預(yù)測，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)風險評價、控制、治理與修復(fù)等提供科學依據(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)隨機布點法，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，采樣點均勻分布在采樣區(qū)域內(nèi)并采用GPS進行樣點定位，記錄其經(jīng)緯度；在自然降雨且降雨強度大于下滲強度產(chǎn)生徑流時，在每個采樣點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驗室；在實驗室內(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濾，所得徑流水樣冷藏保存貼好標簽，做好采樣記錄；
(2)樣品檢測對徑流水樣中重金屬含量進行測定，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定，Cd、Zn、Pb采用火焰原子吸收分光光度法測定；測定過程中以測量準確度和測量不確定度為控制指標進行測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制；
(3)數(shù)據(jù)處理采用Grubbs法對所測原始數(shù)據(jù)中特異值進行檢驗和剔除；采用SPSS19. O進行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗；采用地統(tǒng)計學軟件GS+ 7. O進行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計分析、半變異函數(shù)和參數(shù)的計算，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)庫根據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)，通過對污染區(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；
(5)預(yù)測模型的構(gòu)建以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)，采用地統(tǒng)計學技術(shù)與經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合的方法，通過步驟(3)所述半變異函數(shù)來描述區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性和隨機性，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)對各個采樣點的空間位置與該點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)測模型；利用該模型對有色金屬礦區(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行預(yù)測，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)測模型的驗證結(jié)合研究區(qū)實測數(shù)據(jù)資料，采用交叉驗證法對空間預(yù)測模型進行準確性、可靠性及優(yōu)化性的驗證。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)測模型，以GIS為基礎(chǔ)，采用經(jīng)典的地統(tǒng)計學理論，最大限度的利用了采樣點所
提供的各種信息，并且引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使預(yù)測模型具有良好的容錯能力和非線性逼近映
射能力，使得預(yù)測的有色金屬礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬含量和空間分布更 加客觀準確。本發(fā)明能為有色金屬礦區(qū)重金屬污染的生態(tài)風險評價、控制、治理與修復(fù)等提
供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)，促進礦區(qū)及礦業(yè)城市的和諧發(fā)展，具有重大的應(yīng)用價值和社會效.、
Mo


圖I是本發(fā)明的流程圖。圖2是本發(fā)明實施例的采樣點分布示意圖。圖3是本發(fā)明實施例的銻礦區(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。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。本實施例以湖南省某銻礦山為實驗區(qū)，對該銻礦區(qū)土-水界面重金屬污染流中各重金屬分布預(yù)測方法進行實施驗證。本實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行采樣方案的采樣點布設(shè)。水樣的采集采用系統(tǒng)隨機布點法，采樣點均勻分布在研究區(qū)域內(nèi)并采用GPS進行樣點定位。在自然降雨且降雨強度大于下滲強度產(chǎn)生徑流時，在每個采樣點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驗室，本實施例共采集到43個樣品，樣點分布如圖2所示。在實驗室內(nèi)將徑流水樣震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過濾，所得徑流水樣冷藏保存，并貼好標簽，做好采樣記錄。(2)樣品檢測
對徑流水樣中重金屬含量進行測定，將雨水樣品震蕩混勻，離心分離后用玻璃纖維濾膜過濾，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定，Cd、Zn、Pb采用火焰原子吸收分光光度法測定，測定過程中以測量準確度和測量不確定度為控制指標進行測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。(3)數(shù)據(jù)處理
采用Grubbs法對原始數(shù)據(jù)中特異值進行檢驗和剔除；采用SPSS19. O進行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗；研究區(qū)土 -水界面重金屬元素的統(tǒng)計特征值見表I。
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根據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)，通過對污染區(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。( 5 )預(yù)測模型的構(gòu)建
以區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫為基礎(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，通過半變異函數(shù)來描述區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性和隨機性，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)對各個采樣點的空間位置與該點各重金屬含量之間映射關(guān)系的智能分析，通過訓(xùn)練集的訓(xùn)練后形成一個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型進行半變異函數(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)測模型的驗證
結(jié)合研究區(qū)實測數(shù)據(jù)資料，采用交叉驗證法對空間預(yù)測模型進行準確性、可靠性及優(yōu)化性的驗證。
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)隨機布點法，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，采樣點均勻分布在采樣區(qū)域內(nèi)并采用GPS進行樣點定位，記錄其經(jīng)緯度；在自然降雨且降雨強度大于下滲強度產(chǎn)生徑流時，在每個采樣點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驗室；在實驗室內(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濾，所得徑流水樣冷藏保存貼好標簽，做好采樣記錄； (2)樣品檢測對徑流水樣中重金屬含量進行測定，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定，Cd、Zn、Pb采用火焰原子吸收分光光度法測定；測定過程中以測量準確度和測量不確定度為控制指標進行測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制； (3)數(shù)據(jù)處理采用Grubbs法對所測原始數(shù)據(jù)中特異值進行檢驗和剔除；采用SPSS19. O進行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗；采用地統(tǒng)計學軟件GS+ 7. O進行數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計分析、半變異函數(shù)和參數(shù)的計算，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)庫根據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)，通過對污染區(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； (5)預(yù)測模型的構(gòu)建以步驟(4)建立的區(qū)域GIS數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，基于GIS技術(shù)，采用地統(tǒng)計學技術(shù)與經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合的方法，通過步驟(3)所述半變異函數(shù)來描述區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性和隨機性，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)對各個采樣點的空間位置與該點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)測模型；利用該模型對有色金屬礦區(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行預(yù)測，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)測模型的驗證結(jié)合研究區(qū)實測數(shù)據(jù)資料，采用交叉驗證法對空間預(yù)測模型進行準確性、可靠性及優(yōu)化性的驗證。
全文摘要
本發(fā)明公開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)測方法。本發(fā)明的技術(shù)要點是，以有色金屬礦區(qū)土-水界面采樣點的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用地統(tǒng)計學方法，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)測模型，對土-水界面金屬污染流中各重金屬含量、空間變異性及分布進行預(yù)測，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)風險評價、控制、治理與修復(fù)等提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)，促進礦區(qū)及礦業(yè)城市的和諧發(fā)展，具有重大的應(yīng)用價值和社會效益。
文檔編號G06F19/00GK102841081SQ20121031318
公開日2012年12月26日 申請日期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 申請人:湖南科技大學