數(shù)學(xué)建模大賽論文-城市表層土壤重金屬污染分析.doc

城市表層土壤重金屬污染分析摘要首先，我們把題目中所給的數(shù)據(jù)進行了分類并將其運用顏色標(biāo)記分析法，簡明的把五個功能區(qū)及各個元素的超標(biāo)程度表現(xiàn)出來。模糊分析數(shù)據(jù)粗略的判斷污染源的大概位置，并假設(shè)出傳播特征及重金屬污染的原因。然后，利用MATLAB軟件插值法將數(shù)據(jù)進行模擬，畫出三維立體圖，精確的對各個元素進行分析，尋找其相同點與不同點，并具體問題具體分析，最終得出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布圖，并分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度，清晰得知重金屬的污染主要來源于工業(yè)污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。根據(jù)建立的模型顯示工業(yè)區(qū)污染最為嚴(yán)重，其次是交通區(qū)，生活區(qū)，而公園綠地區(qū)污染程度相對較少，山區(qū)受污染程度最小。發(fā)現(xiàn)與之前顏色標(biāo)記法假設(shè)的結(jié)論一致，所以我們繼續(xù)查閱資料并結(jié)合之前做好的數(shù)據(jù)，研究重金屬污染的主要原因，并論述8中重金屬元素在生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)各自產(chǎn)生的原因，分析重金屬對土壤乃至人類的嚴(yán)重影響，并將模型求解，確定污染指數(shù)及各個污染的權(quán)重，利用模糊數(shù)學(xué)分析法，相關(guān)分析法，回歸方程，表示變量間的相關(guān)程度，分析重金屬污染物的傳播特征。由此建立模型，確定污染源的位置，利用DOG空間極值點的檢測及權(quán)重分析法，精確定位尺度空間及極值點。分析模型的優(yōu)點及不足，為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，積極的翻閱文獻查閱資料，盡量完善我們的論文，為祖國的建設(shè)貢獻出自己的微薄之力。關(guān)鍵詞：MATLAB插值法顏色標(biāo)記模糊數(shù)學(xué)分析法相關(guān)分析法權(quán)重回歸方程等2一、問題重述(1)給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，并分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度。(2)通過數(shù)據(jù)分析，說明重金屬污染的主要原因。(3)分析重金屬污染物的傳播特征，由此建立模型，確定污染源的位置。(4)分析你所建立模型的優(yōu)缺點，為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，還應(yīng)收集什么信息？有了這些信息，如何建立模型解決問題？二、模型假設(shè)1、污染源的重金屬濃度不再改變。2、取樣點的數(shù)據(jù)較好的反映該地區(qū)的污染物濃度和受污染程度。3、每種重金屬都是可以在外界因素下可以自由傳播的，不存在重金屬元素在一個地區(qū)堆積，只有傳播能力的不同。4、假設(shè)由于海拔因素對其影響不大，故忽略海拔因素對其傳播的影響三、符號說明Pi是第i種污染物的污染指數(shù)，P是總污染指數(shù)，Wi是第i種污染物的權(quán)重，第一個是直接平均，第二個是加權(quán)平均。Xi為該重金屬含量的實測值；ai、b、c分別為該污染因子對應(yīng)于一級、二級、三級土壤環(huán)境質(zhì)量狀況的標(biāo)準(zhǔn)值。Wi為第i個因子的權(quán)重；Ci為該指標(biāo)的實測值；Si為該指標(biāo)對應(yīng)的各土壤重金屬質(zhì)量級別的標(biāo)準(zhǔn)值四、問題分析通過計算并用Excel表格作如下圖3問題一給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，并分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度。問題分析：8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布由附件中數(shù)據(jù)運用MATLAB軟件繪出三維圖，然后通過均值法，算出不同區(qū)域內(nèi)各種重金屬元素的污染程度。有空間三維圖可清晰得知重金屬的污染主要來源于工業(yè)污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。根據(jù)建立的模型顯示工業(yè)區(qū)污染最為嚴(yán)重，其次是交通區(qū)，生活區(qū)，而公園綠地區(qū)污染程度相對較少，山區(qū)受污染程度最小。問題二通過數(shù)據(jù)分析，說明重金屬污染的主要原因。問題分析：該問題用模糊數(shù)學(xué)分析法可求解，詳見模型求解。重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染，重金屬污染主要表現(xiàn)在水污染中，還有一部分實在大氣或固體廢物中。重金屬污染與其他有機化合物污染不同。不少有機化合物可以通過自然界本身物理的，化學(xué)的，生物的凈化，使有害性降低或解除。而重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解。目前我國由于在重金屬的開采，冶煉，加工過程中，造成不少重金屬進入大氣，水，土壤引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。問題三分析重金屬污染物的傳播特征，由此建立模型，確定污染源的位置。問題分析：該問題可用相關(guān)分析法進行求解，詳見模型求解。根據(jù)前兩問的結(jié)論分析重金屬的傳播特征，主要有從高海拔到低海拔，高濃度向低濃度擴散。建立相關(guān)分析法模型和擴散模型，求出函數(shù)極值，從而確定污染源位置。41.八種重金屬的危害重金屬污染與其他有機化合物污染不同。不少有機化合物可以通過自然界本身物理的，化學(xué)的，生物的凈化，使有害性降低或解除。而重金屬具有富集性，很難在環(huán)境中降解。目前我國由于在重金屬的開采，冶煉，加工過程中，造成不少重金屬進入大氣，水，土壤引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染，重金屬污染主要表現(xiàn)在水污染中，還有一部分實在大氣或固體廢物中。重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強烈的相互作用，使他們失去活性，也可能在人體的某些器官中富集，如果超過人體所能耐受的限度，會造成人體急性中毒，對人體會造成很大的危害。重金屬的污染主要來源于工業(yè)污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。根據(jù)建立的模型顯示工業(yè)污染最為嚴(yán)重。工業(yè)污染大多通過廢渣，廢水，廢氣排入環(huán)境。交通污染主要是汽車尾氣的排放，為此國家制定了一系列的管理辦法。生活污染主要是一些生活垃圾的污染，例如：廢舊電池，破碎的照明燈，沒有用完的化妝品等等。對于重金屬污染只要我們就此來源加以控制，就多多少少可以減少重金屬污染。根據(jù)給出的八種重金屬元素，我們查閱了相關(guān)資料，對部分元素有了更多的了解。鉛，它是可在人體或動物組織中積的有毒金屬。主要來源于各種油漆，涂料，蓄電池，冶煉，機械，電鍍，化妝品，染發(fā)劑，燃煤，餐具，膨化食品，自來水管等。鎘，它不是人體的必要元素，它主要來源于電鍍，采礦，冶煉，燃料，電池和化學(xué)工業(yè)中所排放的廢水，鎘能夠取代骨中鈣使骨骼嚴(yán)重軟化汞，及其化合物屬于劇毒物質(zhì)可在人體內(nèi)蓄積。主要來源于儀表廠，食鹽電解，冶煉，燃煤，化妝品等。砷，它是人體的非必須元素。元素砷的毒性極低，而砷的化合物需由劇毒，主要來源于采礦，冶金，化學(xué)制藥，化肥，農(nóng)藥等。鉻，它來源于皮革制劑，工業(yè)顏料以及橡膠。土壤中重金屬污染的來源于分布：來源是多途徑的，有可能是成土母質(zhì)本身有重金屬，不同的母質(zhì)，成土過程所形成的土壤中含有重金屬的差異很大。2.土壤重金屬污染的危害重金屬中特別是Hg、Sn、Pb、Cr等具有顯著的生物毒性，眾多研究表明其危害性是空前的（Bryan，G.W.，1976）。當(dāng)大量的有毒金屬進入土壤后，在物質(zhì)循環(huán)和能量交換過程中分解，很難從土壤中遷出。重金屬污染具有長期累積效應(yīng)和交互作用，盡管土壤對重金屬污染有重要的緩沖作用，但因重金屬具有可遷移性差，不能降解等特點，使其逐漸對土壤的理化性質(zhì)、土壤生產(chǎn)力產(chǎn)生明顯不良影響，進而影響土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定（KandelerE，1997）。表現(xiàn)在重金屬對植物的危害：當(dāng)土壤受到重金屬污染后，首先是對土壤微生物的生理、生化性能及土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響土壤微生物多樣性，進而影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。重金屬元素在土壤中總是不斷地發(fā)生時空遷移和價態(tài)、形態(tài)轉(zhuǎn)化（AksoyA.，1999）。這不僅影響了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化等生化過程，同時影響著植物的生長質(zhì)量（UstyakS.andV.petrikova.1996）。一些學(xué)者認為重5金屬離子能夠改變生物大分子的構(gòu)象結(jié)構(gòu)，進而在分子水平上造成DNA的構(gòu)象改變或損傷；另外一些重金屬離子與硝酸還原酶中巰基具有較高的親和性，能夠與酶結(jié)合位點結(jié)合從而破壞酶正常的生理活性(陳愚等，1998)。植物體內(nèi)的自由基能損傷生物大分子(如蛋白質(zhì)和核酸)而引起膜脂過氧化，另一些學(xué)者認為重金屬離子能夠抑制植物體內(nèi)某些保護酶的活性，產(chǎn)生的大量活性氧自由基，造成植物重金屬傷害(LunaCM,etal，1994；趙海泉等，1998；羅立新等，1998)。當(dāng)土壤中Cu、Zn分別達到100mg/kg200mg/kg和100mgkg-1以上時，可造成植物中毒。研究發(fā)現(xiàn)Cu、Zn、Pb、Cd污染對白菜根部的生長具有明顯抑制作用，使其根際微生物數(shù)量明顯減少、群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（宋玉芳，2002）。表現(xiàn)在重金屬對人類健康的危害：大多數(shù)重金屬具有可遷移性差，不能降解等特點，會在生態(tài)系統(tǒng)中不斷積累，毒性不斷增強，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的退化，并通過食物鏈影響人體健康（黃銘洪，2003）。鉛可以抑致血紅蛋白合成，導(dǎo)致溶血性貧血。對神經(jīng)系統(tǒng)有較強的親和力，尤其兒童腦組織對鉛敏感，受害尤其嚴(yán)重。鉛通過血液循環(huán)分布到人體各組織器官，90%以不溶性的磷酸鉛沉淀于骨骼，造成機體的鉛中毒。有些重金屬元素是人體代謝所必須的，一般不致造成對機體的危害，但過量攝入，便會對人體產(chǎn)生明顯的毒害作用。例如鋅，鋅是參與免疫功能的一種重要元素，但是大量的鋅能抑制吞噬細胞的活性和殺菌力，從而降低人體的免疫功能，使抵抗力減弱進而危害人類健康。大多數(shù)有毒重金屬會在機體的肝臟等器官內(nèi)累積，且半衰期長，很難排出體外，長期少量攝入可以產(chǎn)生慢性毒性反應(yīng)，也可能有致畸、致變、致癌的潛在危害。日本在二十世紀(jì)五六十年代出現(xiàn)的“水俁病”、“骨痛病”等奇怪病癥是由于Hg和Cd污染而引起的重金屬中毒。因此，重金屬是土壤污染中最重要的污染物質(zhì)之一。經(jīng)分析析數(shù)據(jù)得知：工業(yè)區(qū)污染最為嚴(yán)重，工業(yè)三廢其實可以直接影響土壤重金屬污染，近年來，由于部分礦產(chǎn)開發(fā)中選礦、冶煉工藝水平落后，個別礦區(qū)沒有環(huán)保治理設(shè)備，廢水、廢氣排放而帶來的大量廢棄物的產(chǎn)生未經(jīng)處理直接投放環(huán)境，而其中的重金屬隨著自然的沉降、雨水的淋溶等途徑進入土壤，進入正常循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，造成重金屬污染，以致土壤中含有大量的重金屬元素，嚴(yán)重危害人們的生產(chǎn)生活。山區(qū)主要的經(jīng)濟開源就是自家有地種些農(nóng)作物，這就避免不了使用化肥原料但是人們可知，化肥農(nóng)藥的過度使用，重金屬元素是肥料中報道最多的污染物質(zhì)，化肥中品位較差的過磷酸鈣和磷礦粉中含有微量的As、Cd重金屬元素（WILLIAMSCH，1973）。含鉛及有機汞的農(nóng)藥發(fā)揮作用的同時也為土壤重金屬污染埋下了禍根，造成土壤的膠質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，營養(yǎng)流失，對農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)都造成極大的不良影響。目前的飼料添加劑中也常含有高含量的Cu和Zn（夏家淇，1996），這使得有機肥料中的Cu、Zn含量也明顯增加并隨著肥料施入農(nóng)田。這就引起了土壤中的重金屬增多，導(dǎo)致了不良的影響。生活區(qū)，主干道路區(qū)，它們以公路、鐵路為中心成條帶狀分布的重金屬污染土壤主要是由于汽車尾氣的排放、汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵的沉降所引起的，污染元素中主要為Pb、Cu、Zn等元素（李波，2005）。這些物質(zhì)隨風(fēng)飄落，進入土壤中引起重金屬污染。實驗證明，道路兩旁土壤中重金屬的污染比較嚴(yán)重，并隨著離公路距離的由近到遠，土壤的污染程度漸輕。嚴(yán)重危害了人類的生活水平。公園綠地區(qū)的土壤重金屬污染較小，說明了種植植被有助于減少土壤中的重金屬濃度的增加，綠地區(qū)的重金屬含量較少，但是還是存在著重金屬對土壤的危害63.土壤重金屬污染的特點重金屬作為自然界組成的基本元素，不能通過降解，降低濃度等作用從土壤中徹底的去除。它只能通過生物富集、轉(zhuǎn)移、沉淀等方式處理回收。土壤重金屬污染的特點如下：（1）具有突出的隱蔽性和滯后性，大部分重金屬的毒害是隱藏的，只有通過對土壤樣品進行分析化驗和對農(nóng)作物的殘留進行檢測等方式才能發(fā)現(xiàn)。（2）具有生物積累性，土壤中的重金屬具有顯著的地域性限制，同時有食物鏈累積的特點。（3）不可逆性，重金屬對土壤的污染基本上是一個不可逆轉(zhuǎn)的污染過程。（4）難治理性，土壤重金屬污染很難通過稀釋和土壤自凈化作用來消除，有時需要通過換土、淋洗土壤等方法才能解決，因此所耗的成本較高、治理的周期較長。染物的傳播特征，由此建立模型，確定污染源的位置。五數(shù)據(jù)的顏色標(biāo)記分析首先對數(shù)據(jù)進行粗略的分析，用顏色標(biāo)記法將整個污染區(qū)域的各個元素超標(biāo)程度表示出來，并固定功能區(qū)，調(diào)節(jié)海拔，x,y等變量模糊的尋找可能出現(xiàn)的規(guī)律及答案，大概確定污染源的位置，并推測出傳播特征及重金屬污染的原因。超標(biāo)含量：在10以內(nèi)用黃色標(biāo)記，在50以內(nèi)用綠色標(biāo)記，100以內(nèi)用藍色標(biāo)記。20以內(nèi)用紅色標(biāo)記，500以內(nèi)用粉紅色標(biāo)記，1000以內(nèi)用紫色標(biāo)記，2000以內(nèi)用灰色標(biāo)記，10000以內(nèi)用蘭綠色標(biāo)記附件2.8種主要重金屬元素的濃度編號As(g/g)Cd(ng/g)Cr(g/g)Cu(g/g)Hg(ng/g)Ni(g/g)Pb(g/g)Zn(g/g)功能區(qū)海拔(m)x(m)y(m)135.72193.7080.3526.57111.0019.8057.6489.081224273971215.51257.2054.6429.01104.0013.2087.68223.271224865999239.39325.80172.29104.8982.0031.5090.90429.291535736213187.84347.9057.6597.14213.0019.670.82307.24166534564170208.50614.00744.46130.55156.0032.80228.641013.4716459246031565.41178.9029.5423.7352.009.8949.84118.8816550311271585.62134.6025.3319.1045.0011.6640.5087.141666053741611.451044.5094.78136.97202.0022.30472.48602.0418477748971864.58129.0031.0918.9338.0015.1029.7669.8018153877291875.41204.9040.1625.8641.0016.2433.2880.00181581023072435.20334.3047.0540.3776.0018.4061.03211.471810395112032697.12367.8092.0249.8097.0016.3041.26321.12191080013282336.35532.0057.5183.76191.0019.5073.46297.14110730452301062.3487.6018.