CSCD来源期刊
中国科技核心期刊
RCCSE中国核心学术期刊
JST China 收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于机器学习的区域土壤重金属污染风险诊断

钱江波 陈涤 王夏晖 李喜林 黄国鑫

钱江波, 陈涤, 王夏晖, 李喜林, 黄国鑫. 基于机器学习的区域土壤重金属污染风险诊断[J]. 环境工程, 2023, 41(12): 296-303. doi: 10.13205/j.hjgc.202312037
引用本文: 钱江波, 陈涤, 王夏晖, 李喜林, 黄国鑫. 基于机器学习的区域土壤重金属污染风险诊断[J]. 环境工程, 2023, 41(12): 296-303. doi: 10.13205/j.hjgc.202312037
QIAN Jiangbo, CHEN Di, WANG Xiahui, LI Xilin, HUANG Guoxin. RISK DIAGNOSIS OF HEAVY METAL POLLUTION IN REGIONAL SOIL BASED ON MACHINE LEARNING[J]. ENVIRONMENTAL ENGINEERING , 2023, 41(12): 296-303. doi: 10.13205/j.hjgc.202312037
Citation: QIAN Jiangbo, CHEN Di, WANG Xiahui, LI Xilin, HUANG Guoxin. RISK DIAGNOSIS OF HEAVY METAL POLLUTION IN REGIONAL SOIL BASED ON MACHINE LEARNING[J]. ENVIRONMENTAL ENGINEERING , 2023, 41(12): 296-303. doi: 10.13205/j.hjgc.202312037

基于机器学习的区域土壤重金属污染风险诊断

doi: 10.13205/j.hjgc.202312037
基金项目: 

国家重点研发计划项目(2018YFC1800205)

辽宁省教育厅科学研究面上项目(LJKZ0344)

详细信息
    作者简介:

    钱江波(1999-),男,硕士研究生,主要研究方向为土壤和地下水污染风险管控与修复。2325364514@qq.com

    通讯作者:

    黄国鑫(1980-),男,研究员,主要研究方向为地下水和土壤污染防治。huanggx@caep.org.cn

RISK DIAGNOSIS OF HEAVY METAL POLLUTION IN REGIONAL SOIL BASED ON MACHINE LEARNING

  • 摘要: 准确描述土壤重金属的空间分布并合理划分土壤污染风险区,是土壤重金属污染风险管控的重要前提。以广东省某工业化区域为研究区,基于随机森林(RF)和模糊c均值(FCM),采集577个采样点的土壤重金属数据和12个环境协变量数据,分析了土壤重金属(Cr、Pb、Cu和Zn)浓度,构建了土壤重金属浓度预测模型,开展了数据驱动的区域土壤重金属污染风险分类,并提出了相应的风险分类管控策略。结果表明:Cr、Pb、Cu和Zn的实测浓度分别为4.00~885.60,9.39~2588.11,2.20~475.00,11.05~8162.42 mg/kg。除Pb外,Cr、Cu和Zn的平均值是当地土壤背景值的1.10~1.29倍。4种重金属变异系数均在86%~319%,属中上强度的变异水平,土壤重金属受人为活动影响较大。当RF节点变量数(mtry)值为5,决策数个数(ntree)值为800时展现了较好的预测性能,预测性能R2的最大值分别达到0.78(Cr)、0.79(Pb)、0.85(Cu)和0.76(Zn),RMSE的最小值分别达到21.57(Cr)、59.88(Pb)、62.38(Cu)和105.88(Zn)。Cr的高值区多位于研究区的东北部和中北部,而Pb、Cu和Zn的高值区则集中于中北部和中南部。在制定土壤重金属污染风险管控策略时,应优先关注中部地区。研究区被划分为2个风险区,其中A区为高风险区,应严格进行重金属污染风险管控;B区为低风险区,应加强监控预警,采取源头控制措施,防止新增污染。
  • [1] 金昭, 吕建树. 基于机器学习模型的区域土壤重金属空间预测精度比较研究[J]. 地理研究, 2022, 41(6): 1731-1747.
    [2] 安文超, 孙立娥, 马立科, 等. 某典型工业聚集区遗留地土壤重金属污染特征及健康风险评价[J]. 湖南师范大学自然科学学报, 2022, 45(5): 108-116.
    [3] 孟令华, 杜小亮, 刘乾, 等. 泰安市城区土壤重金属污染特征及风险评价[J]. 中国无机分析化学, 2022, 12(5): 41-49.
    [4] HAN I, WHITWORTH K W, CHRISTENSEN B, et al. Heavy metal pollution of soils and risk assessment in Houston, Texas following Hurricane Harvey[J]. Environ. Pollut, 2022, 296: 118717.
    [5] FERNANDO M, ASIM B. Are heavy metals in urban garden soils linked to vulnerable populations? a case study from Guelph, Canada[J]. Scientific Reports, 2021, 11(1): 11286.
    [6] SERGEEV A P, BUEVICH A G, BAGLAEVA E M, et al. Combining spatial autocorrelation with machine learning increases prediction accuracy of soil heavy metals[J]. Catena, 2019, 174:425-435.
    [7] TALUKDER R, RABBI M H, BAHARIM N B, et al. Source identification and ecological risk assessment of heavy metal pollution in sediments of Setiu wetland, Malaysia[J]. Environmental Forensic, 2022, 23(1/2):241-254.
    [8] 汪峰, 黄言欢, 李如忠, 等. 有色金属矿业城市典型村镇土壤重金属污染评价及来源解析[J]. 环境科学, 2022, 43(9): 4800-4809.
    [9] 李喜林, 于晓婉, 刘玲, 等. 复合制剂修复铬污染土的条件优化及微观特性[J]. 长江科学院院报, 2021, 38(7): 80-87.
    [10] 黄国鑫, 刘瑞平, 杨瑞杰, 等. 我国农用地土壤重金属污染风险管控研究进展与实践要求[J]. 环境工程, 2022, 40(1): 216-223.
    [11] 周颖, 王雪梅, 蒋玉琢, 等. 北京市平谷区金矿区周边土壤砷、汞赋存形态特征及生态风险评价[J]. 环境工程, 2021, 39(8): 203-210

    ,164.
    [12] WANG Z, LUO Y F, ZHENG C L, et al. Spatial distribution, source identification, and risk assessment of heavy metals in the soils from a mining region: a case study of Bayan Obo in northwestern China[J]. Human and Ecological Risk Assessment: An International Journal, 2020, 27(5): 1276-1295.
    [13] 杨杰, 董静, 宋洲, 等. 鄂西铜铅锌尾矿库周边农田土壤-水稻重金属污染状况及风险评价[J]. 岩矿测试, 2022, 41(5): 867-879.
    [14] CHEN J, ZNANG J L, QU M K, et al. Pollution characteristics and risk assessment of soil heavy metals in the areas affected by the mining of metal-bearing minerals in southwest China[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2021, 107(6): 1070-1079.
    [15] 韩存亮, 罗炳圣, 常春英, 等. 基于多种方法的区域农业土壤重金属污染成因分析研究[J]. 生态与农村环境学报, 2022, 38(2): 176-183.
    [16] 尚婷婷, 张亚群, 周静, 等. 多元统计分析在农田土壤重金属污染源解析中的应用[J]. 环境生态学, 2022, 4(4): 93-97.
    [17] 焦思佳, 吴田军, 董世英, 等. 基于反距离加权随机森林的空间推测方法研究[J]. 昆明理工大学学报(自然科学版), 2022, 47(4): 46-54.
    [18] 卢月明, 王亮, 仇阿根, 等. 局部加权线性回归模型的PM2.5空间插值方法[J]. 测绘科学, 2018, 43(11): 79-84

    ,91.
    [19] 盛红坤, 徐泽, 王佳楠, 等. 天津市某校园土壤中重金属污染研究及其评价[J]. 应用化工, 2021, 50(6): 1529-1532.
    [20] 刘雪松, 王雨山, 尹德超, 等. 白洋淀内不同土地利用类型土壤重金属分布特征与污染评价[J]. 土壤通报, 2022, 53(3): 710-717.
    [21] JIANG Y F, YE Y C, GUO X, et al. Spatiotemporal variation of soil heavy metals in farmland influenced by human activities in the Poyang Lake region, China[J]. Catena, 2019, 176: 279-288.
    [22] OBIRI-NYARKO F, DUAH A A, KARIKARI A Y, et al. Assessment of heavy metal contamination in soils at the Kpone landfill site, Ghana: implication for ecological and health risk assessment[J]. Chemosphere, 2021, 282:131007.
    [23] HOU D Y, O'CONNOR D, NATHANAIL P, et al. Integrated GIS and multivariate statistical analysis for regional scale assessment of heavy metal soil contamination: a critical review[J]. Environmental Pollution, 2017, 231:1188-1200.
    [24] LEUNG H M, DUZGOREN-AYDIN N S, AU C K, et al. Monitoring and assessment of heavy metal contamination in a constructed wetland in Shaoguan(Guangdong Province, China): bioaccumulation of Pb, Zn, Cu and Cd in aquatic and terrestrial components[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016,24(10):9079-9088.
    [25] ZHOU M, LIAO B, SHU W, et al. Pollution assessment and potential sources of heavy metals in agricultural soils around four Pb/Zn mines of Shaoguan City, China[J]. Soil and Sediment Contamination. 2015, 24(1): 76-89.
    [26] 贾建丽. 环境土壤学[M] 北京: 化学工业出版社, 2016.
    [27] 于雷, 洪永胜, 耿雷, 等. 基于偏最小二乘回归的土壤有机质含量高光谱估算[J]. 农业工程学报, 2015, 31(14): 103-109.
    [28] 孙小丽, 阿不都艾尼·阿不里, 哈力旦·艾赛都力, 等. 基于PMF模型的五彩湾矿区土壤重金属污染空间分布与来源解析[J]. 中国矿业, 2022, 31(11): 62-70.
    [29] XIE T, LU F, WANG M, et al. The application of urban anthropogenic background to pollution evaluation and source identification of soil contaminants in Macau, China[J]. Science Total Environment, 2021, 778: 146263.
    [30] WU J, TENG Y G, CHEN H Y, et al. Machine-learning models for on-site estimation of background concentrations of arsenic in soils using soil formation factors[J]. Jounral of Soils and Sediments, 2016, 16(6): 1787-1797.
    [31] 王腾军, 方珂, 杨耘, 等. 随机森林回归模型用于土壤重金属含量多光谱遥感反演[J]. 测绘通报, 2021(11): 92-95.
    [32] 毛丽丽, 于静洁, 张一驰, 等. 模糊c均值聚类方法在黑河下游土壤属性制图中的初步应用研究[J]. 干旱区资源与环境, 2013, 27(1): 195-201.
    [33] MORAL F J, TERRÓN J M, MARQUES DA SILVA J R, et al. Delineation of management zones using mobile measurements of soil apparent electrical conductivity and multivariate geostatistical techniques[J]. Soil Tillage Research, 2010, 106(2): 335-343.
    [34] MOURA-BUENO J M, DALMOLIN R S D, HORST-HEINEN T Z, et al. Environmental covariates improve the spectral predictions of organic carbon in subtropical soils in southern Brazil[J]. Geoderma, 2021, 393: 114981.
    [35] CHEN S C, LIANG Z Z, WEBSTER R, et al. A high-resolution map of soil pH in China made by hybrid modelling of sparse soil data and environmental covariates and its implications for pollution[J]. Science of the Total Environment, 2018, 665(10): 273-283.
    [36] JIA X L, FU T T, HU B F, et al. Identification of the potential risk areas for soil heavy metal pollution based on the source-sink theory[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 393: 122424.
    [37] BREUNING F M, GALVÃO L S, DALAGNOL R, et al. Assessing the effect of spatial resolution on the delineation of management zones for smallholder farming in southern Brazil[J]. Remote Sensing Applications: Society and Environment, 2020, 19: 100325.
    [38] WANG H Y, LU S G. Spatial dstribution, source identification and affecting factors of heavy metals contamination in urban-suburban soils of Lishui city, China[J]. Environmental Earth Science, 2011, 64(7): 1921-1929.
    [39] 李懿. 区域土壤重金属污染风险评价、驱动因子与管控策略研究[D]. 杭州:浙江大学, 2022.
    [40] 王佳昱. 基于地统计和数据挖掘技术的土壤重金属空间分异与源解析研究[D]. 杭州:浙江大学, 2018.
    [41] 生态环境部. 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行): GB 15618—2018[S]. 北京: 中国标准出版社, 2018.
    [42] 郑堃, 任宗玲, 覃小泉, 等.韶关工矿区水稻土和稻米中重金属污染状况及风险评价[J]. 农业环境科学报, 2018, 37(5): 915-925.
    [43] 王其枫, 王富华, 孙芳芳, 等. 广东韶关主要矿区周边农田土壤铅、镉的形态分布及生物有效性研究[J]. 农业环境科学学报, 2012, 31(6): 1097-1103.
    [44] 罗莹华. 韶关某冶炼厂周边土壤重金属污染调查与生态风险评价[J]. 安徽农业科学, 2016, 44(19): 133-136.
    [45] 奉大博, 董树义, 杨棣, 等. 广东韶关乐昌铅锌矿土壤重金属污染特征及评价[J]. 矿物岩石, 2022, 42(3): 123-133.
    [46] 许超, 夏北成, 秦建桥, 等. 广东大宝山矿山下游地区稻田土壤的重金属污染状况的分析与评价[J]. 农业环境科学学报, 2007,26(增刊2): 549-553.
    [47] 孟令华, 杜小亮, 刘乾, 等. 泰安市城区土壤重金属污染特征及风险评价[J]. 中国无机分析化学, 2022, 12(5): 41-49.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  146
  • HTML全文浏览量:  9
  • PDF下载量:  3
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-26
  • 网络出版日期:  2024-03-08

目录

    /

    返回文章
    返回