第四次模擬論文講解

1、城市表層土壤重金屬污染分析摘要 文章通過(guò)對(duì)城市表層土壤重金屬污染分析， 問(wèn)題一：根據(jù)散點(diǎn)坐標(biāo)，在里面插值，用插值函數(shù)griddata,再用編程（附錄一）得到城市立體圖， 將三維立體圖旋轉(zhuǎn)， 讓各個(gè)區(qū)看的更直觀。 再由程序（附錄二） 得到 8 種元素的濃度等值線分布圖， 即求得 8種元素的空間分布圖。 第二問(wèn)通過(guò) 分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度， 采用污染程度指數(shù)分析法， 以及公式 （ 1）求得各元素的污染系數(shù)，再由編程（附錄三）求出每一區(qū)內(nèi)元素的污染負(fù) 荷指數(shù)，在與找到的污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度之間的關(guān)系來(lái)將五個(gè)區(qū)進(jìn)行污染程 度劃分。問(wèn)題二：用spss中的analyse軟件進(jìn)行主成分分析和

2、因子分析，分別求出五個(gè)區(qū) 的總方差和得分系數(shù)矩陣，讓總方差的累計(jì)方差在85%到 95%之間，然后選出占比例比較大的成分， 在大的成分里面找得元素得分比較大的， 就是相關(guān)性比較 強(qiáng)的，再在五個(gè)區(qū)里面找到元素比較多的， 找到元素比較多的， 則這些元素的共 同來(lái)源污染源就是主要的污染源，就找到了主要的污染源。關(guān)鍵字：一問(wèn)題重述1-1 背景引入 隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加， 人類活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影 響日顯突出。 對(duì)城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證， 以及如何應(yīng)用查證獲得的海量數(shù) 據(jù)資料開(kāi)展城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，研究人類活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式， 日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)， 為了了解某城

3、市表層土壤重金屬污染程度， 則需對(duì)該 城市的地區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。1-2 題目所給條件（ 1）城市中的采樣點(diǎn)的位置 ,海拔高度及其所屬功能區(qū)。（2）8 種主要重金屬元素在采樣點(diǎn)處的濃度。（3）8 種主要重金屬元素的背景值。1-3 需解決的問(wèn)題問(wèn)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(wèn)題二：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，說(shuō)明重金屬污染的主要原因。 問(wèn)題三：分析重金屬污染物的傳播特征，建立模型并確定污染源的位置。 問(wèn)題四：分析所建立模型的優(yōu)缺點(diǎn)， 為更好的研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式， 還 應(yīng)收集什么信息，并且根據(jù)這些信息，建立模型解決問(wèn)題。二問(wèn)題分析

4、 問(wèn)題一：要求得 8 種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布， 需要先畫(huà)出該城市的 三維立體圖，三問(wèn)題假設(shè)四符號(hào)說(shuō)明五模型的建立與求解matlab 中5-1-1 8 種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布 已知重金屬元素的空間散點(diǎn)坐標(biāo)，在里面插值，用編程（附錄一）在 畫(huà)出 8 種主要重金屬元素的空間分布。城市三維立體圖三維圖 生活區(qū)工業(yè)區(qū)I山林區(qū)交通區(qū) 公園綠地區(qū)4.543.532.521.54003002001000044X 10X 10城市三維立體圖三維圖生活區(qū)工業(yè)區(qū)山林區(qū) 交通區(qū) 公園綠地區(qū)4002000.521.54X 104X 104.543.532.521.5如上圖城市的三維立體圖，為了更

5、加清楚的看到每個(gè)區(qū)都有那些點(diǎn)， 我們將三維 圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得這些點(diǎn)更直觀的表現(xiàn)出來(lái)。下圖則為旋轉(zhuǎn)后的城市三維立體圖。通過(guò)編程（附錄二），可以將8種主要金屬的二維濃度等值線分布圖（附錄三）分別畫(huà)出來(lái)金屬As二維濃度等值線分布圖180001.7(251600014000120004.10000800060004.4000264.6 8(20000.5134.6 8661.5二維濃度等值線分布.68 66820151018000160001400012000100003888000600040002000 吿N(yùn)80 05、N3717山林N交通公園綠地區(qū)2.54x 10,2492型維圖生活區(qū)22工.3

6、業(yè)447肌9山命區(qū)園綠地區(qū)324x 10|512001000800600400200Y金屬Cr二維濃度等值線分布圖1800016000140001200010000800060004000682000O三維圖卡生活區(qū)工業(yè)區(qū) 16L 山林區(qū) 交通區(qū)16.8143公園綠地區(qū)An00.511.522.5X4700600500400300200100x 10180001600014000120001000080006000400020003C)卡,8373 79160001400012000100008000600040002000180004毛一 三維圖* 生活區(qū) 工業(yè)區(qū)二 山林區(qū)鼻袞通區(qū)園綠地區(qū)金

7、屬Hg二維濃度等值線分布圖59563745x 1033oo三維圖0 生活區(qū) 工業(yè)區(qū).1 山林區(qū) 島香通區(qū)9 5爐63公園綠地區(qū)4x 10圖匚572410245.786金屬Ni二維濃度分1400012000100008000600040002000.抨4818.89724二 三維圖7生活區(qū)8 *工業(yè)區(qū)1L 山林區(qū)6交6通 區(qū) 5.786公園綠地區(qū)1800016000-100-908070 60X4x 1018001600140012001000800600400200120001000080006000400020005040302035030025020015010050金屬Zn二維濃度分布圖

8、25002000100050015005-1-2分析該城內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度。(1)用excel算出五個(gè)區(qū)域8種重金屬元素的濃度的平均值，最大值，最小值, 方差和背景值繪表如下：各區(qū)8種元素濃度分析區(qū)域金屬元糸生活 區(qū)平均 值最大 值最小 值方差CrNiPbAsCd(卩 g/gCuHg(卩 g/gi(卩 g/gj Zn(卩g)(n g/g)(卩 g/g)(n g/g)(卩 g/g)6.27289.969.049.4093.0418.369.1237.0624111044.744.248.832.8472.2893.11.4550465550.00048472.3486.8018.469.

9、7312.008.8924.4343.374.623373911642224.310589.32.065230.1.97E.001.0000090+05工作:平均:393.1 :277.9區(qū)值17.25153.41127.54642.3619.8193.04275最大1092.285.52528.513500.434.81.63E值21.8790800041.700+03最小114.5值1.61015.4012.7011.794.2731.2456.3356443；1936.172185035907287.1.23E方差18.01.00200.000.0070.0660+05平均152.373

10、.29山區(qū)值14.04238.9617.3240.9615.4536.5642最大407.6173.3113.8值10.990469.06206.7974.034229.8最小值1.7740.0016.202.299.645.5119.6832.866143.1604.8108.7314.4957.4方差3.24409115.18775.8647395父通平均360.0242.8區(qū)值5.71158.0562.21446.8217.6263.53549最大1619.920.81364.816000.142.5181.43.76E值30.1380400008+03最小值1.6150.1015.32

11、12.348.576.1922.0140.92592406659.14453.475360138.91058.1.48E方差10.49.0050000.00300+05公園綠地平均280.5154.2區(qū)值16.26443.6430.19114.9915.2960.71423最大1024.1339.3227.41.39E值11.689096.28143.31029.100+03最小值2.7797.2016.319.0410.007.6026.8937.1455622220.250301.2101.5.33E方差4.09.003514.470024.7460+04土壤背景130.0值3.6031.

12、0013.2035.0012.3031.0069由上表可知，每個(gè)區(qū)的各個(gè)元素的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)背景值， 而平均值也遠(yuǎn)大于 背景值，而且在每個(gè)區(qū)域的變化都不一樣， 所以，金屬元素濃度受到所在區(qū)域的 影響。將不同區(qū)域的8種元素的平均值作對(duì)比可以看出：生活區(qū)Cr的含量較高, 工作區(qū)8種金屬元素的含量普遍偏高，山區(qū)土壤中8種金屬元素的含量普遍都很 低，基本接近背景值，交通區(qū) Cd和Hg的含量偏高，公園綠地區(qū)8種金屬元素 的含量在5個(gè)區(qū)當(dāng)中位居中間。（2）利用污染負(fù)荷指數(shù)法將該城區(qū)內(nèi)的 5個(gè)區(qū)域重金屬的污染程度分析出來(lái) 具體做法如下：計(jì)算出各個(gè)元素在五個(gè)區(qū)的污染負(fù)荷指數(shù)：F=Ci/Coi (1)lpL=

13、n F1 F2 F3 .Fn (2)式中，F(xiàn)i為元素i的最高污染指數(shù)；Ci為元素i的實(shí)測(cè)質(zhì)量，Coi為元素i的背景 值，IpL為某一點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)；n為評(píng)價(jià)元素的個(gè)數(shù)。（此題的n為每一個(gè)區(qū) 域的個(gè)數(shù)）由公式（1）可得各元素在五個(gè)區(qū)的最高污染指數(shù)，可通過(guò)編程（附錄三）得到。各元素的污染系數(shù)AsCdCrCuHgNiPbZn生活區(qū)1.742.232.233.742.661.492.233.43工業(yè)區(qū)2.013.021.729.6618.351.613.004.03山區(qū)1.121.171.261.311.171.261.181.06交通區(qū)1.592.771.874.7112.771.432.053.

14、52公園綠地1.742.161.412.293.291.241.962.24注意：附錄三中只有Zn的編程程序，其他的可以依次類推。 城市內(nèi)五個(gè)區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)：|pLzone= n 1 pLi 1 pL2 1 pL3pLn （3）式中，IpLzone為區(qū)域污染負(fù)荷指數(shù)；n為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。（此題n為319）區(qū)域污染負(fù)荷指數(shù)區(qū)域I pLzone生活區(qū)1.8336工業(yè)區(qū)2.3484山區(qū)1.0602交通區(qū)1.9209公園綠地區(qū)1.578通過(guò)查找文獻(xiàn)可得污染負(fù)荷指數(shù)一般分為 4個(gè)等級(jí): 污染負(fù)荷指數(shù)與污染程度對(duì)應(yīng)表級(jí)別Ipl污染程度0等級(jí)01無(wú)污染I等級(jí)12中等污染n等級(jí)23強(qiáng)污染川等級(jí)3比極強(qiáng)污染則

15、將所彳該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度IpLzone1.8336(I )2.3484(n )1.0602(I )1.9209(I )1.578(I )區(qū)域生活區(qū)工業(yè)區(qū) 山區(qū)交通區(qū)公園綠地區(qū)由上表可知，工業(yè)區(qū)的污染強(qiáng)度最大，屬于強(qiáng)污染，山區(qū)的污染強(qiáng)度最低，交通 區(qū)，生活區(qū)一級(jí)公園綠地區(qū)都屬于中等污染。5-2通過(guò)數(shù)據(jù)分析，說(shuō)明污染產(chǎn)生緣由。同一區(qū)域能產(chǎn)生多種污染物，而這多種污染物的來(lái)源也不盡相同， 所以我們可以 找出主要的污染物來(lái)源，就可以解決問(wèn)題。通常我們可以采用相關(guān)分析法和主成 分分析法來(lái)分析主要污染物來(lái)源。(1)生活區(qū)將生活區(qū)44個(gè)樣本點(diǎn)的8種重金屬元素濃度用spss降維進(jìn)行因子分析，得到

16、各個(gè)物質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)，我們?nèi)∠嚓P(guān)系數(shù)大于并且接近于0.5的如下表：解釋的總方差成份初始特征值提取平方和載入合計(jì)方差的%累積%合計(jì)方差的%累積%13.61645.19945.1993.61645.19945.19921.13314.16559.3651.13314.16559.36531.07513.43272.7971.07513.43272.797成份得分系數(shù)矩陣成份123VAR00001.185-.570-.009VAR00002.217.151-.389VAR00003.178.207.459VAR00004.201-.217.023VAR00005.136.115-.406VAR00

17、006.190-.223.487VAR00007.222.099-.323 1|VAR00008.139.610 .248 提取方法：主成份。構(gòu)成得分。由上表可知，生活區(qū)中的主要污染是來(lái)源于可以寫(xiě)出其四個(gè)元素的關(guān)系式。（2）工業(yè)區(qū)將工業(yè)區(qū)35個(gè)樣本點(diǎn)的8種重金屬元素濃度用spss降維進(jìn)行因子分析，得到各個(gè)物質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)，我們?nèi)∠嚓P(guān)系數(shù)大于并且接近于0.7的如下表：解釋的總方差成份初始特征值提取平方和載入合計(jì)方差的%累積%合計(jì)方差的%累積%15.25465.67065.6705.25465.67065.67021.26315.78681.4551.26315.78681.455成份得分系數(shù)矩

18、陣成份12VAR00001.099.601VAR00002.150.058VAR00003.174-.163VAR00004.165-.366VAR00005.161-.364VAR00006.146.333VAR00007.163.039VAR00008.164.149 ,提取方法：主成份構(gòu)成得分。3山區(qū)解釋的總方差成份初始特征值提取平方和載入合計(jì)方差的%累積%合計(jì)方差的%累積%13.04238.02238.0223.04238.02238.02222.03625.44563.4672.03625.44563.46731.54919.36282.8291.54919.36282.829成份得

19、分系數(shù)矩陣成份123VAR00001-.003.328.309VAR00002.198-.333.091VAR00003.250.236-.236VAR00004.170.230.397 |VAR00005.106-.037.482VAR00006.242.245-.264VAR00007.199-.309.112VAR00008.298-.085-.118提取方法：主成份構(gòu)成得分。4.交通區(qū)解釋的總方差成份初始特征值提取平方和載入合計(jì)方差的%累積%合計(jì)方差的%累積%13.75146.88346.8833.75146.88346.88321.28716.08462.9671.28716.084

20、62.967成份得分系數(shù)矩陣成份12VAR00001.063-.102VAR00002.165.356VAR00003.233-.248VAR00004.242-.194VAR00005.045.578VAR00006.237-.249VAR00007.188.371VAR00008.171.090提取方法：主成份構(gòu)成得分。5.公園綠地區(qū)解釋的總方差成份初始特征值提取平方和載入合計(jì)方差的%累積%合計(jì)方差的%累積%13.91048.87948.8793.91048.87948.87921.61420.17869.0581.61420.17869.05831.05613.19982.2571.05

21、613.19982.257成份得分系數(shù)矩陣成份123VAR00001.163-.355.327VAR00002.208.066-.216VAR00003.207-.263-.003VAR00004.174.283-.141VAR00005.051.217.844VAR00006.170-.385.010 1VAR00007.200.336.092VAR00008.204.177-.230提取方法：主成份。構(gòu)成得分。附錄一：城區(qū)三維立體圖x=D(:, 2);y=D(:, 3);z=D(: , 4);c=D(: , 5);xi=li nspace( min( x),max(x),100);yi=l

22、i nspace(mi n(y) ,max(y),100);xi,yi=meshgrid(xi,yi); zi=griddata(x,y,z,xi,yi); ci=griddata(x,y,c,xi,yi);marker * , o , s , , p ;color= k , r , y , c , b ;mat= As Cd , Cr: Cu: Hg Ni ； Pb Zn ;str=三維圖,生活區(qū),工業(yè)區(qū),山區(qū),交通區(qū),公園綠地區(qū);%三維立體圖h=surf(xi,yi,zi);set(h,data；ci);colormap spri ng%青黃濃淡色colorbarhidde n offho

23、ld onfor i=1:5loc=c=I;plot3(x(loc),y(loc),z(loc)， markeri， markerface color；colori)； endlege nd(str,locatio n best)附錄二：8個(gè)重金屬元素的濃度分布圖x=D(: , 2);y=D(: , 3);z=D(：，4);c=D(：，5);xi=linspace(min(x),max(x),100); yi=linspace(min(y),max(y),100); xi,yi=meshgrid(xi,yi); zi=griddata(x,y,z,xi,yi); ci=griddata(x,y

24、,c,xi,yi);marker * , o , s , , p ;mat=As , Cd , Cr , Cu , Hg , Ni , Pb , Zn ;str= 等值線 , 生活區(qū) , 工業(yè)區(qū) , 山區(qū) , 交通區(qū) , 公園綠地區(qū) ; zi=griddata(x,y,b(:,2),xi,yi);c-matrix,h=corrtourf(xi,yi,zi,10); clabel(c-matrix,h)colormap summer colorbargrid onhold onfor i=1:5loc=c=I;plot(x(loc),y(loc),markeri, markerfacecolor ,colori);endlegend(str, location , best )如上綠色程序，b(:,2)中的2 一直取到9