专利名称：快速检测土壤中重金属含量及空间分布的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于重金属分析测定领域，具体地，涉及一种快速检测土壤中 重金属含量及空间分布的方法与装置，也可应用于植物、水中重金属含量 的检测。
背景技术：
土壤是自然地理要素之一，是植物生长和人类居住的场所。在工矿业 和农业活动及城市化进程的影响下，土壤重金属不断累积，污染程度加重， 危害日趋严重。重金属在土壤中滞留时间长、不能降解，并可经水、植物、 大气等介质最终影响人类健康。
当前我国已进入环境污染事故的高发期，重金属污染事故时有发生。
20世纪末，我国每年仅因采矿即造成3.3万公顷土地废弃，直接经济损失90 亿元。广西河池，湖南郴州、株洲，云南开远、楚雄等地均发生过诸多重 金属污染导致的人群中毒事件。面对众多的重金属环境污染事件，有关部 门急需快速、全面地掌握污染信息，并采取有效措施大幅度提高环境污染 的现场处理效率和应急能力，减少灾害损失，避免引发群体性社会冲突和 纠纷，保证社会稳定。
但由于缺少重金属污染环境的快速现场监测设备和污染现状的快速 检测方法，即便是处理突发性应急事故也只能靠传统方法。而传统的方法 必须采用"野外采样-室内风干-消化-化学分析"模式，检测速度较慢(通常 需要l周时间以上)，取样、分析成本较高，限制了取样总数，进而限制了 土壤取样密度的增大和污染调査工作的系统性，故而导致污染事故处置的 快速反应和及时处理能力严重不足，不能及时向社会发布污染情况公报和 环境污染预警信息，不利于控制污染造成的社会恐慌和经济损失。因此， 原位、快速、准确地对土壤重金属含量进行测定并及时给出土壤重金属含 量分布图，对于环境调查、土壤污染事故责任认定和土壤重金属污染修复
4工程具有重要意义。
同时，现场数据的获得经常是以文字、表格等方式表达，此种情况导 致所得到的数据不够直观、可用性不强，在数据再加工过程中会耗费额外 的时间和成本。最终导致处理缓慢、适用性不佳。
再次，目前土壤重金属缺乏现场检测技术，而且现场检测结果时常受 到各种不同场地条件的干扰。如土壤水分含量、土壤质地等因素影响，对 检测数据有一定的干扰。若不解决此问题，势必会使现场检测数据的准确 性大打折扣。
因此，根据以上所述，目前急需一种能够克服现有技术缺陷的集成技 术，通过前处理和数据校正获得更准确的数据，同时在现场检测过程中能 够及时提供污染分布图，以方便有关人员进行现场决策。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速现场检测土壤中重金属含量及空间 分布的方法。
本发明的又一目的在于提供一种用于实现上述方法的装置。 为实现上述目的，本发明提供的快速检测土壤中重金属含量及空间分 布的方法，其步骤如下
A) 用便携式X射线荧光光谱仪(FPXRF)测定待测点的土壤重金属含 量，同时取得该处水分含量信息，并通过与FPXRF连接的全球卫星定位系 统(GPS)测定该待测点的经度、纬度、海拔高度等地理坐标数据；
B) 将待测点的经度、纬度、海拔高度参数输入校准数据库，通过计算 机自动获取该待测点的土壤类型信息，并自动获得与待测点土壤相对应的 土壤类型校准系数，以自动校正土壤类型对重金属含量测定结果的影响；
C) 将步骤A取得的土壤水分含量信息输入土壤水分含量校准数据库， 自动获得相应的水分校准系数，以校正土壤水分对重金属含量测定结果的 影响；
D) 采用步骤B得到的土壤类型校准系数和步骤C得到的水分校准系 数，对步骤A得到的重金属含量测定结果数据进行校正，扣除土壤类型和 土壤水分含量对重金属含量测定值的影响，得到经过校准的土壤重金属含量数据。其计算公式如下
经过校准的土壤重金属含量数据^土壤重金属含量实测值x土壤类型 校准系数^土壤水分含量校准系数
然后将步骤A获得的该待测定点的地理坐标数据与上式计算所得到的 校准后的土壤重金属含量数据进行整合，得到经过校准的、带有空间信息 的土壤重金属含量的准确信息；
E)将步骤D得到的经过校准的、带有空间信息的土壤重金属含量数据 与待测区域的地形及土地利用电子地图结合，即时生成可视化的土壤重金 属含量空间分布图。
本发明的方法，其中，步骤A中取得的重金属含量和水分含量为重复取样。
本发明的方法，其中，步骤A中的待测点的地理坐标数据由全球卫星 定位系统(GPS)获得。
本发明的方法，其中，步骤E中用地理信息系统(GIS)可视化系统生成 可视化图像。
本发明提供的用于实现上述方法的装置，其组成为
便携式X射线荧光光谱仪(FPXRF)，用于测定待测点的土壤中重金属
土壤水分测定仪，用于取得待测点的土壤水分含量； 全球卫星定位系统，用于提供待测点的纬度、经度和海拔高度； 便携式X射线荧光光谱仪、土壤水分测定仪与全球卫星定位系统连接
一数据处理模块，且该数据处理模块连接至GIS可视化系统；
该全球卫星定位系统与该数据处理模块之间连接一土壤类型校准数
据库；
该土壤水分测定仪与该数据处理模块之间连接一土壤水分含量校准 数据库。
本发明的装置，其中，便携式X射线荧光光谱仪配置一辅助取样装置。 该辅助取样装置呈一平板状，其平面上开设有若干取样窗口。荧光光谱仪 的探测头通过该辅助取样装置上的窗口以取得待测点土壤中重金属含量。 根据本发明的一实施例，该辅助取样装置上开设有三个窗口。本发明的装置，其中，该辅助取样装置上的三个窗口可以是任意角度 的开设，根据本发明的一实施例，该辅助取样装置上的三个窗口是呈等角 度开设。
本发明能对土壤中重金属含量及空间分布进行准实时检测，能够快速 获取准确数据，同时能够生成土壤重金属含量空间分布图。
图la为本发明用于FPXRF测定辅助装置示意图； 图lb为图1 a中沿1 一 1的侧面剖视图； 图2为本发明的装置示意图;
图3为本发明中土壤水分含量校准数据库中As元素测定的水分校准参 数图4为实施例二中土壤水分含量校准前后的As元素FPXRF测定值与化 学分析值拟合图5为实施例一中土壤类型校准前后的As元素FPXRF测定值与化学分 析值拟合图6为实施例一得出的土壤重金属含量分布图(As);
图7为本发明中土壤重金属快速检测数据处理软件流程图8为实施例二得出的土壤重金属含量分布图(As)。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作详细描述。
第一步，制备模拟不同水分含量(1% 100%)的系列土壤标准，并分别 加入一固定浓度(比如30 mg/kg)的某种重金属，用FPXRJF测定这一系列土 壤标准，以测定不同土壤水分含量对FPXRF直接测定结果的影响，从而获 得不同土壤水分含量下土壤中该种重金属的FPXRF测定值的校准参数，将 其作为针对该种重金属的土壤水分含量校准数据库。将针对各种重金属的 土壤水分含量校准数据库整合，得到FPXRP校正所需的土壤水分含量校准 数据库。该数据库可以给出土壤水分含量在1% 100%范围内的土壤水分 含量校准参数。第二步，釆用不同类型的土壤，如红壤、棕壤、黑土等，分别加入一
固定浓度(比如30 mg/kg)的某种重金属，用FPXRF测定这一系列不同土壤 类型的土壤，以测定不同土壤类型对FPXRF直接测定结果的影响，从而获 得不同土壤类型下该种重金属的FPXRF测定值的校准参数，同时结合全国 土壤类型分布的数字化地图(从中国科学院获得)，以及自动获取的待测地 点的经度、纬度和海拔高度，自动识别待测地点相应的土壤类型。将其二 者整理，即可形成针对该种重金属的土壤类型校准数据库。将针对各种重 金属的土壤类型校准数据库整合，得到FPXRF校正所需的土壤类型校准数 据库。该数据库可以针对待测定位点的地理坐标信息给出相对应的土壤类 型，进而给出相对应的土壤类型校准参数。
第三步，用FPXRF测定待测点的土壤重金属含量信息，同时用与 FPXFR连接的GPS取得待测点的地理坐标数据(经度、纬度和海拔高度)。 为提高FPXRF测定结果的准确性，本发明设计了一种专门与FPXRF配套的 辅助取样装置。该装置目的是使得FPXRF在进行野外测定时定位准确，所 获得的测定数据更加准确、可靠。如图la和图lb所示，该辅助取样装置为 工程塑料制品。工程塑料具有防腐蚀、不易变形、易加工等特点。辅助取 样装置整体为一平板状，其开设有若干测量开口。本例以三个为例，其夹 角为120度呈圆周分布，每个开口为长2.5-3.5cm、宽1.5-2cm。 FPXRF的探 测头通过该三个开口可以准确地快速、重复测定。
第四步，用水分测定仪取得待测点的土壤水分含量，依据第一步获得 的土壤水分含量校准数据库，得出待测点的土壤水分含量校准参数W。
第五步，利用第三步获得的待测点地理坐标数据，依据第二步获得的 土壤类型校准数据库，得出待测点的土壤类型校准参数S。
第六步，将第五步得到的土壤类型校准系数S、第三步得到重金属含 量实测值和第四步得的土壤水分含量校准系数W按下式进行计算，得到经 过校准的土壤重金属含量数据
经过校准的土壤重金属含量-土壤重金属含量实测值x土壤类型校准 系数x 土壤水分含量校准系数
第七步，将第三步得到的待测点地理坐标数据与第六步获得的经过校 准的重金属含量数据进行整合，得到带有待测点经度、纬度、海拔高度的、校准后的重金属含量信息。具体整合方法为将获得的地理坐标数据定义 为一个一维数组，将此数组添加至经过校准的重金属含量数据的前部，得 到新的一维数组，其格式为经度-纬度-高度-第一种重金属元素符号-第一 种重金属元素含量-第二种重金属元素符号-第二种重金属元素含量-......_
第n种重金属元素符号-第n种重金属元素含量。
第八步，将第七步得到的所有待测点经过校准后并带有空间信息的土 壤重金属含量数据与待测区域的地形图及土地利用电子地图耦合，通过
GIS可视化软件生成可视化图像，即得到待测区域土壤重金属含量的空间
分布图。
下面结合附图及特定优选实施例来具体说明本发明的实施方式。 首先，根据可靠信息来源或者用户提出的检测诉求，确定需要进行土 壤重金属检测的区域范围，同时获取该区域的地形图和土地利用图。这两 种图可以是数字化图也可以是纸质图，纸质图需要先进行数字化，数字化
图可直接传输至数据处理装置中。本发明采用的数据处理装置可以是PDA
等便携式数码装置，也可以是笔记本电脑等便携式电脑。
在待测样点的位置将FPXRF测定辅助装置固定于待测土壤的表面，使 得FPXRF测定辅助装置表面与土壤表面保持在同一水平面上。
采用FPXRF仪(如美国NITON公司生产的FPXRF仪)为XRF源，将其前 端的X射线发射/接收窗口依次对准FPXRF测定辅助装置上的三个测定窗 口，对测定窗口下方的土壤进行扫描，扫描产生土壤重金属含量初始数据 CB。该数据包括检测时间、土壤中重金属含量矩阵；将所获得土壤重金属
含量初始数据CB传输至数据处理装置。
同时，将GPS仪获得的经度、纬度、海拔高度数据，水分检测仪获得 的土壤水分含量数据分别传输至数据处理装置。 数据处理装置对上述三类数据进行如下处理
1) 将待测点"经度-纬度-海拔高度"信息输入土壤类型校准数据库， 通过比对运算，首先根据待测点的经度、纬度和海拔高度获得该地的土壤 类型，再根据土壤类型获得相对应的土壤类型校准参数S。
2) 将待测点的土壤水分含量数据输入土壤水分含量校准数据库，通过
9拟合运算，获得土壤水分含量校准参数w。
3) 根据待测点的土壤重金属含量初始数据CB、 土壤类型校准参数S和 土壤水分含量校准参数W，通过数据处理模块进行计算，获得土壤重金属 含量校准数据Cf。
4) 将待测点土壤重金属含量校准数据CF与待测点经度-纬度-海拔高度
信息进行整合，使其成为带有空间信息的土壤重金属含量校准数据cfs。
数据处理装置中的数据处理软件可采用市售ArcGIS等软件。 对处理后获得的带有空间信息的土壤重金属含量校准数据Cps、调查 区域的地形及土地利用图进行综合分析，通过以下步骤生成该区域土壤重
金属的空间分布图
1) 带有空间信息的土壤重金属含量校准数据CFs空间插值，并将插值图
栅格化，得到栅格化的重金属含量初始分布2) 数字化区域地形图、土地利用图栅格化；
3) 将上述两类图进行栅格叠加计算；
4) 叠加计算所得图例用程序自动设置符号化重金属含量的范围；
5) 根据设置好的重金属含量范围进行符号化处理；
6) 得到可视化的土壤重金属含量空间分布图。
实施例一
利用该方法和装置对湖南省郴州市进行土壤污染的快速现场调查。 实施步骤如下
(1) 在中国科学院购买到数字化的郴州市土地利用图和地形图。
(2) 在待测样点，以桂阳县某稻田为例，将FPXRF测定辅助装置固定于 稻田土壤表面，使得FPXRF测定辅助装置表面与土壤表面保持在同一水平面上。
3沐用美国NITON公司生产的FPXRF仪，将其前端的X射线发射/接收 窗口依次对准FPXRF测定辅助装置上的三个测定窗口，对测定窗口下方的 土壤进行扫描，得到土壤重金属含量的初始数据，每次扫描所得数据为一 个数组，表示为
"2006-11-12， As， 27.9， Cr， 107.7， Cu， 40.8， Pb， 52.1， Zn， 113.1"数据间采用逗号为分隔符，该数组第一位表示测定日期，采用年-月-
日的格式表示；第2-ll位依次为FPXRF测得的土壤重金属含量；英文字母 符号表示重金属元素，紧跟在英文字母符号后面的数值表示FPXRF测得的 该符号代表的重金属含量数据，单位为mg/kg。在同一点利用FPXRF测定 辅助装置测定三次，则可得到类似的三个数组。将这三个数组传入笔记本 电脑的RS232数据接口，经过数据转换，同时将三次重复测定的数据进行 算术平均处理，获得txt格式文档CB.txt。
4) 在使用FPXRF测定土壤重金属含量的同时，采用美国Garmin公司生 产的手持式GPS仪获得采样点的经度、纬度、海拔高度数据，该数据传入 笔记本电脑的RS232数据接口，经过数据转换，获得txt格式文档GPS.txt。 其格式如下
"32， 25.96， 112.8， 226"
数据间采用逗号为分隔符，第一位表示采样点序列号，第2-4位表示采
样点纬度(单位度)、经度(单位度)、海拔高度(单位米)。
5) 在使用FPXRF测定样点的土壤重金属含量的同时，采用美国 Campbell公司生产的土壤水分测定仪测定土壤水分含量，如32号样点的土 壤水分含量测定值为25%。将该数据传送至笔记本电脑RS232接口，通过 事先建立好的土壤水分含量校准数据库进行拟合计算，获得该地点的土壤 水分含量校准参数W。该参数对不同元素值是不一样的，例如对于As元素 来说，该地\￥=112.3%。
6) 根据输入的GPS.txt中的经度-纬度-海拔高度数据，通过土壤类型校 准数据库进行比对运算，获得相应的土壤类型校准参数S。该参数对不同 元素值是不一样的。例如对于As元素来说，该地S435.3。/。。该区域的样点 进行土壤类型校准前后对比图如图5所示。发现使用本发明所述土壤类型 校准数据库进行校准后，FPXRF所测定数据与化学分析所得数据更为接 近，测定精度显著提高。
7) 将土壤重金属含量的初始数据CB.txt、 土壤类型的校准参数S和土壤 水分含量校准参数W通过数据处理模块进行计算，获得土壤重金属含量校 准数据，其格式仍旧与CB.txt—致，存储为文本格式文档CF.txt。
8) 将CF.txt和GPS加整合为CFS.txt，其格式为"序号，日期，纬度，经度，海拔高度，重金属元素符号l，重金属含量l，重金属元素符号2， 重金属元素符号2，......"
如上述样点经校准以及整合后最终数据为
"32， 2006-11-12， 25.96， 112.8， 226， As， 27.9， Cr， 107.7， Cu， 40.8， Pb， 52.1， Zn， 113.1"
9)将CFS.txt导入ArcGIS可视化模块。该模块首先将CFS.txt中的数据进 行导入，生成点坐标文件，然后将该点坐标文件依据元素含量值进行空间 插值，生成插值图；再将此插值图栅格化，并将此栅格化后的图与栅格化 后的地形图和土地利用图执行栅格叠加运算，同时自动设置符号化的重金 属含量范围，最终获得依据特定重金属含量范围进行符号化的土壤重金属 含量分布图。其中，As元素的含量分布图如图6所示。
实施例二
湖南省郴州市苏仙区邓家塘乡某农田的土壤As污染分布调查。该农田 的面积约14亩。采用本发明所述装置和方法进行现场测定，并利用本发明 所述水分含量校准数据库进行校准，发现校准后数据较未校准数据的准确 度明显提高。图4显示的为本实施例中FPXRF测定数据在进行水分校准前 后与化学测定值对比情况(以As元素为例)。图8为本实施例所得该区域的 As元素含量分布图。
权利要求
1、一种快速检测土壤中重金属含量及空间分布的方法，其步骤如下A)用便携式荧光光谱仪测定待测点的土壤重金属含量，同时取得该处水分含量，并通过与便携式荧光光谱仪连接的全球卫星定位系统测定该待测点的经度、纬度、海拔高度等地理坐标数据；B)将待测点的经度、纬度、海拔高度参数输入校准数据库，通过计算机自动获取相应的土壤类型信息，并获得相应的土壤类型校准系数，以自动校正土壤类型对重金属测定结果的影响；C)将步骤A取得的水分含量信息输入水分校准数据库，自动获得相应的水分校准系数，以校正土壤水分对重金属测定结果的影响；D)采用步骤B得到的土壤类型校准系数和步骤C得到的水分校准系数，对步骤A得到的土壤重金属含量测定结果进行校正，扣除土壤类型和土壤水分含量对重金属含量测定值的影响，得到经过校准的重金属含量数据。其计算公式如下经过校准的土壤重金属含量＝土壤重金属含量实测值×土壤类型校准系数×土壤水分含量校准系数然后将步骤A获得的相应的地理坐标数据与上式计算所得到的校准后的重金属含量数据进行整合，得到经过校准的、带有空间信息的土壤重金属含量准确信息；E)将步骤D得到的经过校准的、带有空间信息的土壤重金属含量数据与待测区域的地形及土地利用电子地图结合，即时生成可视化的土壤重金属含量空间分布图。
2、 如权利要求l所述的方法 分含量为重复取样。
3、 如权利要求l所述的方法 据由全球卫星定位系统获得。
4、 如权利要求l所述的方法 系统生成可视化图像。
5、 一种实现权利要求l所述方法的装置，其组成为，其中，步骤A中取得的重金属含量和水 ，其中，步骤A中的待测点的地理坐标数 ，其中，步骤E中用地理信息系统可视化便携式X射线荧光光谱仪，用于测定待测点的土壤重金属含量； 土壤水分测定仪，用于取得待测点的土壤水分含量； 全球卫星定位系统，用于提供待测点的纬度、经度和海拔高度； 便携式X射线荧光光谱仪、土壤水分测定仪与全球卫星定位系统连接一数据处理模块，且该数据处理模块连接至可视化系统；该全球卫星定位系统与该数据处理模块之间连接一土壤类型校准数据库；该土壤水分测定仪与该数据处理模块之间连接一土壤水分含量校准 数据库。
6、 如权利要求5所述的装置，其中，荧光光谱仪配置一辅助取样装置。 该辅助取样装置呈一平板状，其平面上开设有若干取样窗口，荧光光谱仪 的探测头通过该辅助取样装置上的窗口以取得待测点土壤中重金属含量。
7、 如权利要求6所述的装置，其中，辅助取样装置上开设有三个窗口。
8、 如权利要求7所述的装置，其中，辅助取样装置上的三个窗口呈等 角度开设。
9、 如权利要求5所述的装置，其中，可视化程序为GIS可视化系统。
全文摘要
一种快速检测土壤中重金属含量及空间分布的方法A)用便携式X射线荧光光谱仪测定待测点的土壤重金属含量，并通过与该仪器连接的全球卫星定位系统取得该处的地理坐标，同时获得该处土壤水分含量；B)将待测点的地理坐标输入校准数据库，通过计算机自动获取相应的土壤类型及其校准系数；C)将步骤A取得的土壤水分含量数据输入校准数据库，自动获得与其相应的校准系数；D)通过步骤B得到的土壤类型校准系数和步骤C得到的土壤水分校准系数，扣除土壤类型和土壤水分含量对步骤A获得的重金属测定值的影响；E)将步骤D得到的校正后的重金属测定数据与待测区域的地形及土地利用电子地图结合，即时生成可视化的土壤重金属含量空间分布图。
文档编号G01N33/24GK101514980SQ20081011637
公开日2009年8月26日 申请日期2008年7月9日 优先权日2008年7月9日
发明者斌 武, 陈同斌, 梅 雷 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所