基于基于雙層bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤重金屬污染評價(jià)與gis可視[1]

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1、作者簡介：王芬（1982-），女（漢族），福建浦城人，成都信息工程學(xué)院在讀研究生，研究方向?yàn)闅夂蚺c生態(tài)環(huán)境。Email:wangfen909@chinaren.com通訊作者：彭國照（1958-），男（漢族），四川遂寧人，中國氣象局成都高原氣象研究所研究員，正研級高工，從事農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)業(yè)氣候資源開發(fā)研究。Email:pgzhao567@126.com基于雙層組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的川芎道地產(chǎn)區(qū)土壤重金屬污染評價(jià)與GIS可視化王芬1，2彭國照1*　蔣錦剛2（1中國氣象局成都高原氣象研究所，成都610071；2成都信息工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，成都610225）摘要：為了對土壤重

2、金屬污染進(jìn)行評價(jià)，以四川省川芎道地產(chǎn)區(qū)為例，本文通過對道地川芎主產(chǎn)區(qū)--都江堰、崇州、新都等15地土壤的重金屬元素取樣檢測分析，采用雙層組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS空間分析技術(shù)綜合評價(jià)川芎道地產(chǎn)區(qū)土壤重金屬污染。結(jié)果表明：研究區(qū)大部分區(qū)域處于輕度重金屬污染狀態(tài)，處于中度污染狀態(tài)的區(qū)域?yàn)槌缰?、都江堰和彭州區(qū)域。并且基于雙層組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS的研究方法，可以在只具有少量數(shù)據(jù)的情況下對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較精確的空間分析，能夠在滿足一定精度分析的原則下適當(dāng)?shù)慕档筒蓸臃治龀杀?。通過本研究可以為川芎的生產(chǎn)布局和川芎GAP生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：雙層組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；污染評價(jià)；川芎；重金屬；

3、GIS；中圖分類號：X825文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0引言川芎是道地的四川名貴中藥材之一，川西平原的都江堰市、崇州等地是川芎的主產(chǎn)區(qū)。近年來，四川省委、省政府將中藥材產(chǎn)業(yè)作為四川的一項(xiàng)支柱產(chǎn)業(yè)著力發(fā)展，川芎被列入《中藥現(xiàn)代化科技產(chǎn)業(yè)基地》開發(fā)項(xiàng)目，都江堰、彭州、郫縣列為川芎產(chǎn)業(yè)基地，促進(jìn)了川芎生產(chǎn)的發(fā)展。但是，川芎產(chǎn)品中所含的重金屬元素對川芎品質(zhì)形成產(chǎn)生重要作用，超過一定限度則對人體有害。國際上不斷提高了進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品中重金屬元素含量的限制指標(biāo)，因此重金屬含量的多少直接影響到川芎產(chǎn)品的出口。文獻(xiàn)[1]指出，中藥材中重金屬的含量主要來源于種植環(huán)境，特別是土壤和水中的重金屬含量直

4、接與產(chǎn)品中的重金屬金屬含量密切相關(guān)。但是目前對川芎道地產(chǎn)區(qū)土壤中重金屬污染研究還很少，在一定程度上影響了優(yōu)質(zhì)川芎的生產(chǎn)布局，也影響了川芎產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近幾年國內(nèi)外學(xué)者針對不同地區(qū)已進(jìn)行了很多土壤環(huán)境調(diào)查及質(zhì)量評價(jià)方面的研究工作[2-8]。主要研究方法為有針對性的從野外采集樣品,實(shí)驗(yàn)室分析重金屬含量的基礎(chǔ)上,采用污染指數(shù)等方法進(jìn)行土壤環(huán)境評價(jià),分析土壤環(huán)境污染狀況和可能的污染源。本文在野外系統(tǒng)采樣和測試分析的基礎(chǔ)上,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對分析數(shù)據(jù)加密插值，采用雙層組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS空間分析技術(shù)綜合評價(jià)川芎道地產(chǎn)區(qū)土壤重金屬污染，旨在為川芎道地產(chǎn)區(qū)的污染防治提供依據(jù)。1

5、資料來源在成都平原川芎主產(chǎn)區(qū)的都江堰、崇州、新都、彭州等地選擇不同土壤點(diǎn)，用GPS確定各取樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔位置（如圖1），按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采樣，采樣土壤厚度30cm，按1610cm一層分為3層，每層采取土樣500g。樣品取回在實(shí)驗(yàn)室蔭干、碾碎再將同一采樣點(diǎn)的3層土壤均勻混合，代表0-30cm土壤的平均土樣，再將土樣送四川省農(nóng)業(yè)廳土肥站進(jìn)行化驗(yàn)分析。為了確保土樣的金屬元素含量不受采樣工具的影響，我們首先采用鐵鋤挖出50cm深的剖面，然后用竹塊將整個(gè)剖面削去10cm厚的1層，再取各層完全沒有與金屬工具接觸的土壤作為樣品，檢測了對川芎品質(zhì)有重要影響的Pb、As、Cr

6、、Hg、Cu和Cd等6個(gè)元素。利用GIS系統(tǒng)[9-11]的空間分析技術(shù)分析6個(gè)元素的分布特征。圖1研究區(qū)域內(nèi)的采樣點(diǎn)與加密點(diǎn)分布Fig.1Samplinglocationinresearcharea2處理方法2.1傳統(tǒng)指數(shù)評價(jià)模型對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)時(shí)所采取的評價(jià)方法多種多樣,主要有污染指數(shù)法、污染程度法,T值分級法、基準(zhǔn)分級法、密切值法和模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、灰色聚類法等。文獻(xiàn)[12]給出了采用污染指數(shù)法和GIS空間分析技術(shù)對德興地區(qū)土壤的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)狀評價(jià)。由于地域差異等各種因素的影響,污染指數(shù)法沒有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通常進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)時(shí)，參照中國土壤

7、環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）來確定研究的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表1）。具體的單因子污染指數(shù)法如下[12]：（1）式中：為土壤中污染中污染元素的實(shí)測值；為土壤中污染元素的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。采用分別代表土壤污染積累起始值、中度污染起始值和重度污染起始值（如表1），與的計(jì)算關(guān)系如公式（2）所示。16（2）根據(jù)式（2）計(jì)算得到污染指數(shù)值來對重金屬的污染程度進(jìn)行評價(jià)，其中為非污染狀態(tài)；為輕污染狀態(tài)；為中度污染狀態(tài)；為重污染狀態(tài)。為了全面、綜合地反映多種污染物的整體污染水平，因此,需要一種同時(shí)考慮多種污染物綜合污染水平的多因子評價(jià)方法,即將單因子污染指數(shù)按一定方法綜合。常用的方法有

8、內(nèi)梅羅指數(shù)法,它兼顧了單