土壤是城镇生态环境系统的重要组成部分,而赋存于土壤中的重金属可通过多介质环境间的迁移转化后可经由直接或间接暴露途径给城镇居民健康造成危害或带来风险。近年国内外与城镇土壤重金属相关的公众危害事件频发,因此建立城镇土壤环境安全管理预警体系成为保障居民安全的关键,虽然目前国内外已发展出了较为成熟的污染场地风险评价与管理框架,但暂时没有形成一套科学而高效的城镇土壤环境健康风险评价与量化管理的模板框架,鉴于土壤科学的研究进展和各国不同城镇在土地利用现状、受体空间分布、受体暴露特征、风险评价与管理的经济投入程度等方面存在的特征差异,城镇环境下的土壤重金属健康风险评价、污染风险来源解析和风险量化管理等关键技术仍有待改进或开发。论文首先总论了国内外城镇土壤重金属污染的现状及其危害特征,而后综述了国内外城镇土壤重金属污染评价、健康风险评价、风险管理理论和系统不确定性控制理论的研究演进及现存不足,最后拟定了以建立一套科学、高效的城镇土壤重金属的层次评价与管理体系为目标的研究内容及其技术路线。研究的主要工作内容和成果包括:(1)基于3S技术(遥感技术、地理信息系统和全球定位系统)、实地布点与采样、分析化学技术和多元统计分析法,全面地探索了城镇土壤中重金属的污染格局。以长沙市先导区土壤环境为实例,研究解译了城镇土壤重金属总量、土壤中重金属的化学形态和土壤理化性质参数的空间分布特征及三者间的相关性,并以此为基础,分别对不同土地利用方式下土壤中的重金属与土壤理化性质进行了多元统计分析和空间分析,为城镇不同土地利用方式下土壤重金属污染的特征解析、预测和进一步的评价与管理提供了数据理论基础。(2)建立了基于重金属生物毒性双权重的城镇土壤重金属污染的随机模糊评价模型。模型首次被嵌入了可同时量化表征不同重金属自身生物毒性差异及同一重金属不同化学形态组成的生物可利用性差异的土壤重金属生物毒性双权重评价系数,这在一定程度上避免了低估有些浓度低但主要以高生物可利用性形态存在的重金属污染作用或者高估那些浓度高但主要以低生物可利用性形态存在的重金属污染作用,降低了常用污染评价中的模型不确定性。并引入数学运算效率较高,对实际应用中常见的贫数据或低精度数据具有良好适用性的随机模糊耦合理论来量化降低本模型评价过程中的参数不确定性。所建模型与常用污染评价模型的实例评价结果对比分析显示,所建模型较好地弥补了常用确定性评价的不足,能更真实地综合表征城镇土壤重金属富集污染和生物可利用性信息,提高了评价模型的分辨力,将其作为城镇土壤重金属污染风险的初步识别工具可为高效的土壤重金属健康风险评价提供关键技术支撑。(3)建立了基于重金属生物可利用性和土地利用方式的城镇土壤环境重金属污染的层次风险评价方法。方法首先借助3S技术对不同土地利用方式下的暴露评价模型进行了优化选择,并同时将对重金属的层次生物可利用性和区域可能受体分布密度的量化考量嵌入经典的健康风险评价方法,经实例验证,所建方法降低了国内外评价体系中常因将暴露风险与其可能受体分布割裂、将重金属总量作为其污染特征的单一表征指标和暴露模型的不当选择而带来的不确定性,提供给决策者更全面、更准确的优先控制污染物和优先控制区域的信息,从而辅助其制定灵活且高效的层次风险管理策略,尤其对环境管理预算较贫乏的发展中国家有着重要的现实意义。(4)在上述研究基础上,创新地建立了城镇土壤重金属污染的风险量化管理决策体系,并阐述了体系的运转操作步骤,经实例验证,该体系在成本-收益的考量下可科学、高效地评价城镇土壤环境重金属的健康风险现状,并与城镇土壤环境综合信息数据库的设计与开发相联系,根据土壤环境信息的变化具有风险预警能力,同时建立了城镇土壤重金属的来源综合解析方法,由此可明确土壤重金属污染来源与责任。所建体系可以初步建立分土地利用方式、分区域的土壤环境重金属目标值和行动值,并可辅助决策者制定相关的配套法律法规,这在国内外暂时未有关于城镇土壤风险环境评价与管理的标准化框架和国内外城镇环境风险评价与管理中社会、经济成本逐渐提高的双重背景下,具有较高的科研和现实价值。研究针对城镇土壤及其重金属污染的特征,系统地分析了现国内外城镇土壤重金属评价与管理中存在的科研难关和现实需求,结合3S技术、随机模糊理论、多元统计分析和健康风险模型等技术手段,构建了城镇土壤环境重金属的层次健康风险评价方法和风险量化管理体系,这一方面丰富了国内外关于城镇土壤重金属污染格局的研究内容,完善了城镇土壤重金属的评价理论与方法,具有显著的理论与实践意义;另一方面,本文以先导区土壤为实例,研究结果表明基于所建评价方法和管理体系能够更加准确而高效地评价表征城镇土壤重金属的环境系统行为并管理其带来的风险,为城镇土壤环境重金属的高效环境管理和城镇生态文明建设提供了科学依据,对保护先导区土壤环境安全及城镇人群健康也有着重要的指导意义。