[0001] 本发明涉及污染评估技术领域，具体涉及一种重金属污染土壤生态风险评估方法。

[0002] 随着工业化进程的加速和农业生产的现代化，土壤重金属污染已成为全球面临的一个严峻环境问题。重金属污染不仅破坏土壤结构，影响土壤功能，还可能通过食物链累积，对人类健康构成威胁。因此，准确评估和有效治理土壤重金属污染至关重要。

[0003] 传统的土壤重金属污染评估方法多采用直接采样分析，这种方法虽然能够提供精确的污染浓度数据，但难以快速、全面地了解大范围污染区域的生态风险分布情况。此外，由于土壤性质的不均匀性，仅依靠离散点的采样数据往往无法充分揭示污染在空间上的连续分布特征。

[0004] 近年来，地理信息系统（GIS）技术和地方统计方法在环境科学研究中的应用日益广泛。通过建立待测区域的二维地图，并将其网格化，可以在每个网格交点采集土壤样本并检测其pH值、通气量和含水量等指标。这些指标能够反映土壤的基本理化性质，与重金属污染程度密切相关。然而，如何将这些空间上分散的数据转化为连续的污染风险分布图，从而探索重金属污染的轨迹，仍是一个技术挑战。

[0017] 下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0018] 请参阅图1所示，本发明为一种重金属污染土壤生态风险评估方法，包括以下步骤：1. 建立二维地图并划分网格
建立地图：使用地理信息系统（GIS）或其他相关软件，建立待测污染区域的二维地图。

[0019] 划分网格：将整个污染区域划分为若干个网格。每个网格代表一个小的区域，便于数据的采集和管理。

[0020] 2. 数据采集在每个网格交点处，我们需要采集以下指标：
土壤pH值：衡量土壤酸碱度的指标。

[0021] 土壤通气量：单位时间和单位压力下，通过单位体积土壤的空气体积的总量。

[0022] 土壤含水量：土壤中水分的含量。

[0023] 3. 计算污染风险评分使用优劣解距离法来计算每个网格交点的污染风险评分。具体步骤包括：
转换为极大型指标：将土壤pH值、土壤通气量和土壤含水量转换为极大型指标。

[0024] 标准化处理：通过标准化处理将这些极大型指标转换为标准化指标。

[0025] 构建矩阵：基于标准化指标构建矩阵。

[0026] 计算欧氏距离：计算每个标准化指标与所属指标类型最大值之间的欧氏距离和到最小值的欧氏距离。

[0027] 初始评分：计算每个坐标点的初始评分并进行归一化处理，得到最终的污染风险评分。

[0028] 4. 插值数据拟合通过径向基函数插值法在网格中进行污染风险评分插值数据拟合，生成插值点，获取插值后的污染风险评分地图，并基于二维数据地图生成污染风险评分等值线图。

[0029] 5. 确定重金属污染路径选取等值线：从等值线图中选取数值最大的等值线，标记为初始等值线，并选取初始等值线相邻的下一级等值线。

[0030] 选定起点：从初始等值线中选定若干个网格交点作为待定起点。

[0031] 作垂线：从每个待定起点出发向外围作若干条直线，每条直线均至少与下一级等值线中的一点所在切线垂直，选取最长的垂线对应的待定起点和终点，分别标记为第一连接点和第二连接点。

[0032] 重复过程：以第二连接点为起点，重复上述过程，直至连接至数值最低的等值线。

[0033] 连接线段：将所有的连接线进行连接，将获得的线段集合标记为重金属污染路径。

[0034] 6. 采取治理措施根据污染路径中土壤pH值、土壤通气量和土壤含水量的分布情况，采取对应的重金属污染治理措施。这些措施可能包括土壤修复、植被恢复、化学处理等，具体方案需根据实际情况和污染物的性质来确定。

[0035] 本发明在基于等值线来表示重金属污染分布的基础上，通过选取每个等值线与相邻等值线之间最长的连接线段，连接线段越长表示重金属的风险评分下降得越慢，且最长的连接线段也代表着等值线的突出部，因此通过寻找相邻等值线之间的最长垂线，就能够确定重金属浓度衰减较慢的方向，也就是重金属的污染路径，同时这也对应了易于被重金属扩散的土壤的分布趋势。

[0036] 在本发明的一种优选的实施例中，所述优劣解距离法计算污染风险评分的过程为：将土壤pH值、土壤通气量和土壤含水量转换为极大型指标，并通过标准化处理转换为标准化指标，将网格交点和插值点统称为坐标点，并进行排序，将序号为i的坐标点的第j个指标标记为Xij，则该指标对应的标准化指标为Zij；基于标准化指标Zij构建矩阵Z：
；
+
计算矩阵中每个标准化指标与所属指标类型最大值之间的欧氏距离Di，以及到所‑ ‑
属指标类型最小值Z的欧氏距离Di；计算序号为i的坐标点的初始评分 ，并对初始评分进行归一化处理，则序号为i的坐标点的污染风险评分Fi为： 。

[0037] 在本实施例的一种优选的情况中，极大型指标和标准化指标的转换过程为：对于任一指标Xij，则该指标对应的极大型指标为X’ij=max(X1j,X2j,...,Xnj)‑Xij，其中i∈n，然后通过公式：
；
对每个极大型指标进行标准化处理，获得标准化指标Zij。

[0038] 在本实施例的另一种优选的情况中，所述欧氏距离的计算过程为：+ ‑
将任意类型标准化指标的最大值标记为Zj，最小值标记为Zj，则任意指标的欧式+ ‑
距离Di和Di的计算公式为：
， 。

[0039] 优劣解距离法（TOPSIS）是一种有效的多因素决策分析方法，它通过计算各评价对象与最优解和最劣解的距离来排序其优劣。通过将土壤pH值、土壤通气量和土壤含水量等指标转换为极大型指标并进行标准化处理，能够有效消除不同指标之间的量纲差异，使得各指标在同一尺度下进行比较，从而提高评估的准确性和客观性。

[0040] 将TOPSIS应用于土壤污染风险评分，可以综合考虑多个指标的影响，客观反映每个网格交点的污染风险水平。但该方法得到的仍然是离散点的评分，需要进一步处理以生成连续的风险分布图。

[0041] 在本发明的另一种优选的实施例中，径向基函数插值法进行数据拟合的过程为：选取若干个网格交点作为核心节点，选择线性径向基函数作为核函数，公式为φ(r) = r，其中r表示插值目标点与任一核心节点的距离，每个核心节点均对应一个核函数，将插值目标点的坐标标记为（x，y），将任意一个核心节点的坐标标记为（xk，yk），则插值函数的公式为：
；
其中f(xy)表示插值目标点的预测评分，N表示核心节点的数量，w表示每个核心节点的权重， 表示目标插值点与任意核心节点的欧氏距离。

[0042] 径向基函数（RBF）插值法以其灵活、适应性强的特点，在空间数据插值领域得到了广泛应用。通过选取合适的核心节点和基函数，RBF插值法能够有效地拟合和预测空间连续数据的分布情况。在土壤污染风险评估中，利用RBF插值法对TOPSIS计算出的离散污染风险评分进行空间拟合，可以生成高精度的污染风险评分地图，并据此绘制等值线图，直观展现污染分布。

[0043] 在径向基函数插值法中可以选择不同类型的核函数（如线性、高斯等），以及调整核心节点的数量和位置，从而增加了模型的灵活性。这意味着可以根据具体的应用场景和数据特性来优化模型结构，以获得更好的拟合效果。该方法的过程可以通过计算机程序自动执行，包括核心节点的选择、核函数的计算以及最终的插值预测。

[0044] 在本发明的另一种优选的实施例中，当最长的垂线数量大于1条时，则分别以每个最长垂线向下一级等值线作连接线，直至连接至数值最低的等值线，将最长的连接线组成的单个路径作为重金属污染路径。

[0045] 通过确定最长垂线并建立连接线，直到达到数值最低的等值线，这些步骤有助于清晰地识别和定义重金属污染的传输路径。这不仅有助于理解污染物在环境中的移动趋势，还能为后续的污染治理工作提供明确的方向，从而更有针对性地制定治理措施。

[0046] 当存在多条最长垂线时，分别建立每条垂线的连接线，确保了评估的准确性和完整性，这有助于全面了解污染区域的污染情况，避免遗漏任何可能的污染热点。

[0047] 在本发明的另一种优选的实施例中，每条等值线与相邻的等值线之间的等值距相同，当等值线图中存在多个中心等值线，且中心等值线之间的差值小于预设阈值，则分别从每个中心等值线作重金属污染路径。

[0048] 在等值线图中，如果存在多个中心等值线且它们之间的差值小于预设阈值，则从每个中心等值线出发绘制重金属污染路径，这有助于精确地捕捉污染的局部差异和复杂性。这种方法提高了评估的精确度，尤其是在污染分布不均或存在多个污染源的情况下。

[0049] 保持等值线与相邻等值线之间的等值距相同，有利于在地图上清晰地展示污染程度的变化，使得污染的可视化表示更加标准化和易于理解，从而提高了风险评估的效率。

[0050] 在本发明的另一种优选的实施例中，所述土壤通气量为单位时间和单位压力下，通过单位体积的土壤的空气体积的总量。

[0051] 对土壤通气量的详细定义强调了土壤透气性对污染评估的重要性。土壤通气量是影响重金属在土壤中迁移和转化的关键因素之一，准确测量和考虑这一指标有助于更全面地评估土壤的健康状况，从而更有效地指导土壤管理和修复工作。

[0052] 以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。