數(shù)學(xué)建模城市表層土壤重金屬污染分析

1、a 城市表層土壤重金屬污染分析摘要隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。通過對城市土壤重金屬的調(diào)查，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進行處理。得到城市環(huán)境質(zhì)量的演變，已是人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點。對于問題一，用附件一中給出的數(shù)據(jù)，用matlab插值法建立三維模型，總共有9個圖，一個是取樣地點的地形圖，另外八個是八種重金屬元素的濃度分布圖，通過模型圖我們可以清楚的看到各種元素不同的空間分布。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。對于問題二，通過對問題一結(jié)論的分析得出，生活區(qū)和工業(yè)區(qū)是污染比較厲害的地區(qū)。目前我國由于在重金屬的開采、冶煉、加工過程中，造成不

2、少重金屬如鉛、汞、鎘、鈷等進入大氣、水、土壤引起嚴重的環(huán)境污染。人類生活中各種用品都含有不同量的重金屬元素，比如說廢舊電池，含有較多的汞、鉻、錳、鉛、鎳、鋅等重金屬。它們通過自然和生物降解，隨著雨水進入到土壤和河流當中。對于問題三，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，從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散。我們建立擴散模型，求出函數(shù)的極值，從而確定污染源的位置。對于問題四，我們仔細分析了模型的優(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)收集該地區(qū)的每年生活、工業(yè)等重要污染源的垃圾排放量，以及每年的生物降解量，降雨量對重金屬元素擴散的影響，空氣污染也應(yīng)該考慮進去。有了這些數(shù)據(jù)以后

3、建立因子分析法，回歸分析，曲線擬合等模型解決問題。關(guān)鍵詞：插值法、均值法、擴散模型、因子分析、回歸分析。一、問題重述與分析二、模型假設(shè)一、污染源的重金屬濃度不在增加。二、取樣點的數(shù)據(jù)較好的反映了該地區(qū)的污染物濃度。三、符號約定四、模型的建立與求解問題一： 問題二：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，還有一部分是在大氣和固體廢物中。重金屬污染與其他有機化合物的污染不同。不少有機化合物可以通過自然界本身物理的、化學(xué)的或生物的凈化，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，造成不少重金屬如鉛、汞、鎘

4、、鈷等進入大氣、水、土壤引起嚴重的環(huán)境污染。如隨廢 重金屬水銀水排出的重金屬，即使?jié)舛刃?，也可在藻類和底泥中積累，被魚和貝類體表吸附，產(chǎn)生食物鏈濃縮，從而造成公害。 水體中金屬有利或有害不僅取決于金屬的種類、理化性質(zhì)，而且還取決于金屬的濃度及存在的價態(tài)和形態(tài)，即使有益的金屬元素濃度超過某一數(shù)值也會有劇烈的毒性，使動植物中毒，甚至死亡。金屬有機化合物(如有機汞、有機鉛、有機砷、有機錫等)比相應(yīng)的金屬無機化合物毒性要強得多；可溶態(tài)的金屬又比顆粒態(tài)金屬的毒性要大；六價鉻比三價鉻毒性要大等等。 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，使它們失去活性，也可能在人體的某些器官中富集，如果超過人

5、體所能耐受的限度，會造成人體急性中毒、亞急性中毒、慢性中毒等，對人體會造成很大的危害，重金屬在大氣、水體、土壤、生物體中廣泛分布，而底泥往往是重金屬的儲存庫和最后的歸宿。重金屬的污染主要來源工業(yè)污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。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，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，廢舊電池、破碎的照明燈、沒有用完的化妝品、上彩釉的碗碟等，對于重金屬的污染只要我們從其來源加以控制，就多多少少可以減少重金屬污染。 專 家分析指出：目前我國塑料生產(chǎn)企業(yè)的工藝、設(shè)備、技術(shù)研發(fā)較落后，是造成污染嚴重的主要原因，而管理不善、

6、地方保護及人們環(huán)保意識淡薄，加劇了污染，強化治理迫在眉睫。生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)放眼未來，倡導(dǎo)環(huán)保，使用環(huán)保型助劑才能使pvc行業(yè)健康長遠發(fā)展。鉛污染是可在人體和動物組織中積蓄的有毒金屬。主要來源于各種油漆、涂料、蓄電池、冶煉、五金、機械、電鍍、化妝品、染發(fā)劑、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自來水管等。它是通過 南丹礦區(qū)污染嚴重鎘污染鎘不是人體的必要元素。鎘主要來源有電鍍、采礦、冶煉、燃料、電池和化學(xué)工業(yè)等排放的廢水；廢舊電池中鎘含量較高、也存在于水果和蔬菜中，尤其是蘑菇，在奶制品和谷物中也有少量存在，鎘能夠取代骨中鈣，使骨骼嚴重軟化，骨頭寸斷，會引起胃臟功能失調(diào)，干擾人體和生物體內(nèi)鋅的酶系統(tǒng)，導(dǎo)致高血

7、壓癥上升。易受害的人群是礦業(yè)工作者、免疫力低下人群。汞污染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、貴金屬冶煉、化妝品、照明用燈、齒科材料、燃煤、水生生物等。砷污染是人體的非必需元素，元素砷的毒性極低，而砷的化合物均有劇毒，三價砷化合物比其它砷化合物毒性更強。主要來源于采礦、冶金、化化學(xué)制藥、玻璃工業(yè)中的脫色劑、各種殺蟲劑、殺鼠劑、砷酸鹽藥物、化肥、硬質(zhì)合金、皮革、農(nóng)藥等；鉻污染主要來源于劣質(zhì)化妝品原料、皮革制劑、金屬部件鍍鉻部分，工業(yè)顏料以及鞣革、橡膠和陶瓷原料等；因為有了數(shù)學(xué)建模，所以有了傳播特征摘要：文章闡明了重金屬污染物來源與分布，同時對國內(nèi)外土壤重金屬污染

8、治理的研究工作做了系統(tǒng)的綜述， 重金屬污染原理 重金屬，特別是汞、鎘、鉛、鉻等具有顯著和生物毒性。它們在水體中不能被微生物降解，而只能發(fā)生各種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化和分散、富集過程(即遷移)。重金屬污染的特點是：(1)除被懸浮物帶走的外，會因吸附沉淀作用而富集于排污口附近的底泥中，成為長期的次生污染源；(2)水中各種無機配位體(氯離子、硫酸離子、氫氧離子等)和有機配位體(腐蝕質(zhì)等)會與其生成絡(luò)合物或螯合物，導(dǎo)致重金屬有更大的水溶解度而使已進入底泥的重金屬又可能重新釋放出來；(3)重金屬的價態(tài)不同，其活性與毒性不同。其形態(tài)又隨ph和氧化還原條件而轉(zhuǎn)化。(4)在其危害環(huán)境方面的特點是：微量濃度即可產(chǎn)生毒性(

9、一般為110毫克/升，汞、鎘為0.010.001毫克/升)；在微生物作用會轉(zhuǎn)化為毒性更強的有機金屬化合物(如洋甲基汞)； 本文主要從土壤中重金屬污染物來源與分布、土壤中重金屬污染物的現(xiàn)行治理方法入手，提出土壤中重金屬污染物防治的環(huán)境礦物學(xué)新方法。旨在保護環(huán)境，提高土壤的環(huán)境質(zhì)量。 1 土壤中重金屬污染物來源與分布 土壤中重金屬的來源是多途徑的，首先是成土母質(zhì)本身含有重金屬，不同的母質(zhì)、成土過程所形成的土壤含有重金屬量差異很大。此外，人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，也造成重金屬對大氣、水體和土壤的污染。 1.1 大氣中重金屬沉降 大氣中的重金屬主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬

10、的有害氣體和粉塵等。它們主要分布在工礦的周圍和公路、鐵路的兩側(cè)。大氣中的大多數(shù)重金屬是經(jīng)自然沉降2和雨淋沉降進入土壤的。如瑞典中部falun市區(qū)的鉛污染3，它主要來自于市區(qū)銅礦工業(yè)廠、硫酸廠、油漆廠、采礦和化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生大量廢物,由于風的輸送，這些細微顆粒的鉛,從工業(yè)廢物堆擴散至周圍地區(qū)。南京某生產(chǎn)鉻的重工業(yè)廠4鉻污染疊加已超過當?shù)乇尘爸?.4倍，污染以車間煙囪為中心，范圍達1.5 km2，污染范圍最大延伸下限1.38 km。它們成條帶狀分布，以公路、鐵路為軸向兩側(cè)重金屬污染強度逐漸減弱；隨著時間的推移，公路、鐵路土壤重金屬污染具有很強的疊加性。經(jīng)過自然沉降和雨淋沉降進入土壤的重金屬污染，主要以

11、工礦煙囪、廢物堆和公路為中心，向四周及兩側(cè)擴散；由城市郊區(qū)農(nóng)區(qū)，隨距城市的距離加大而降低，特別是城市的郊區(qū)污染較為嚴重。此外，還與城市的人口密度、城市土地利用率、機動車密度成正相關(guān)；重工業(yè)越發(fā)達，污染相對就越嚴重。 1.2 農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜使用 施用含有鉛、汞、鎘、砷等的農(nóng)藥和不合理地施用化肥，都可以導(dǎo)致土壤中重金屬的污染。一般過磷酸鹽中含有較多的重金屬hg、cd、as、zn、pb，磷肥次之,，氮肥和鉀肥含量較低，但氮肥中鉛含量較高，其中as和cd污染嚴重。經(jīng)過對上海地區(qū)菜園土地、糧棉地的研究，施肥后，cd的含量從0.134 mg/kg升到0.316 mg/kg，hg的含量從0.22 mg

12、/kg升到0.39 mg/kg，cu、zn 增長2/3。通過新西蘭50 a前和現(xiàn)今同一地點58個土樣分析，自施用磷肥后，鎘從0.39 mg/kg升至0.85 mg/kg。在阿根廷由于傳統(tǒng)無機磷肥的施入,進而導(dǎo)致土壤重金屬cd、cr、cu、zn、ni、pb的污染。 農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用的熱穩(wěn)定劑中含有cd、pb，在大量使用塑料大棚和地膜過程中都可以造成土壤重金屬的污染。 1.3 污水灌溉 污水灌溉一般指使用經(jīng)過一定處理的城市污水灌溉農(nóng)田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商業(yè)污水和工業(yè)廢水。由于城市工業(yè)化的迅速發(fā)展，大量的工業(yè)廢水涌入河道，使城市污水中含有的許多重金屬離子，隨著污水灌溉而進入土壤

13、。在分布上，往往是靠近污染源頭和城市工業(yè)區(qū)土壤污染嚴重，遠離污染源頭和城市工業(yè)區(qū)，土壤幾乎不污染17。近年來污水灌溉已成為農(nóng)業(yè)灌溉用水的重要組成部分， 1.4 污泥施肥 污泥中含有大量的有機質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，但同時污泥中也含有大量的重金屬,隨著大量的市政污泥進入農(nóng)田，使農(nóng)田中的重金屬的含量在不斷增高。污泥施肥可導(dǎo)致土壤中cd、hg、cr、cu、zn、ni、pb含量的增加，且污泥施用越多,污染就越嚴重，cd、cu、zn引起水稻、蔬菜的污染；cd、hg可引起小麥、玉米的污染；污泥增加，青菜中的cd、cu、zn、ni、pb也增加。anthony研究表明，用城市污水、污泥改良土壤，重金屬hg、

14、cd、pb等的含量也明顯增加。 1.5 含重金屬廢棄物堆積 含重金屬廢棄物種類繁多，不同種類其危害方式和污染程度都不一樣。污染的范圍一般以廢棄堆為中心向四周擴散。通過對武漢市垃圾堆放場23、杭州某鉻渣堆存區(qū)、城市生活垃圾場25及車輛廢棄場26附近土壤中的重金屬污染的研究，這些區(qū)域的重金屬cd、hg、cr、cu、zn、ni、pb、as、sb、v、co、mn的含量高于當?shù)赝寥辣尘爸?，重金屬在土壤中的含量和形態(tài)分布特征受其垃圾中釋放率的影響，且隨距離的加大重金屬的含量而降低。由于廢棄物種類不同，各重金屬污染程度也不盡相同，如鉻渣堆存區(qū)的cd、hg、pb為重度污染，zn為中度污染，cr、cu為輕度污染

15、。 1.6 金屬礦山酸性廢水污染 金屬礦山的開采、冶煉、重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆放等，可以被酸溶出含重金屬離子的礦山酸性廢水，隨著礦山排水和降雨使之帶入水環(huán)境(如河流等)或直接進入土壤，都可以間接或直接地造成土壤重金屬污染。 同一區(qū)域土壤中重金屬污染物的來源途徑可以是單一的，也可以是多途徑的。胡永定通過研究徐州荊馬河區(qū)域土壤重金屬污染的成因中指出：cr、cu、zn、pb是由垃圾施用引起的，as是由農(nóng)灌引起的，cd是由農(nóng)灌和垃圾施用引起的，hg是各種途徑都具備。王文祥通過對山東省耕地重金屬元素污染狀況的研究說明，工業(yè)快速發(fā)展地區(qū)鉛高于農(nóng)業(yè)環(huán)境，鉛與距公路遠近有關(guān)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)技術(shù)、設(shè)備落后，原材

16、料利用率低，造成其周邊土壤重金屬污染相當嚴重。據(jù)貴州1986年的統(tǒng)計，全省鄉(xiāng)鎮(zhèn)排放汞14.7萬kg，土壤中有的地方達56.64 mg/kg，超過未污染土壤的84.5倍。要引起高度重視。 總的來說：工業(yè)化程度越高的地區(qū)污染越嚴重，市區(qū)高于遠郊和農(nóng)村，地表高于地下，污染區(qū)污染時間越長重金屬積累就越多，以大氣傳播媒介土壤重金屬污染土壤的具有很強的疊加性,熟化程度越高重金屬含量越高。重金屬污染來源、分布、治理方法 摘要：文章闡明了重金屬污染物來源與分布，同時對國內(nèi)外土壤重金屬污染治理的研究工作做了系統(tǒng)的綜述，提出了土壤中重金屬污染物防治的環(huán)境礦物學(xué)新方法，利用環(huán)境礦物材料治理土壤重金屬污染物的方法，具

17、有成本低、效果好、無二次污染及有用金屬可回收利用等優(yōu)點，展現(xiàn)出廣闊的環(huán)境礦物學(xué)研究與應(yīng)用前景。并提醒人們要提高土壤質(zhì)量意識，保護生態(tài)環(huán)境。 重金屬系指密度4.0以上約60種元素或密度在5.0以上的45種元素。砷、硒是非金屬，但是它的毒性及某些性質(zhì)與重金屬相似，所以將砷、硒列入重金屬污染物范圍內(nèi)。環(huán)境污染方面所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷，還包括具有毒性的重金屬鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等污染物。 隨著全球經(jīng)濟化的迅速發(fā)展，含重金屬的污染物通過各種途徑進入土壤，造成土壤嚴重污染。土壤重金屬污染可影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的下降，并可通過食物鏈危害人類的健康，也可以導(dǎo)致大氣和水

18、環(huán)境質(zhì)量的進一步惡化。因此引起世界各國的廣泛重視。目前，世界各國土壤存在不同程度的重金屬污染，全世界平均每年排放hg約1.5萬 t、cu為340萬 t、pb為500萬 t、mn為1500萬 t、ni為100萬 t。中國北方大城市的蔬菜基地和部分商品糧基地也存在著不同程度的重金屬污染，如北京、天津、西安、沈陽、濟南、長春、鄭州等地；。 南方相對較輕，如福州、寧波、上海、武漢、成都等地。土壤重金屬污染將會造成生態(tài)系統(tǒng)的嚴重破壞。從中國土壤資源狀況看，到2000年底中國人均耕地僅為0.1 hm2，而且隨著今后中國經(jīng)濟社會的發(fā)展如生態(tài)退耕、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及自然災(zāi)害損毀等，土壤資源將進一步減少。因而如何有

19、效地控制及治理土壤重金屬的污染，改良土壤質(zhì)量,將成為生態(tài)環(huán)境保護工作中十分重要的一項內(nèi)容。 重金屬污染原理 重金屬，特別是汞、鎘、鉛、鉻等具有顯著和生物毒性。它們在水體中不能被微生物降解，而只能發(fā)生各種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化和分散、富集過程(即遷移)。重金屬污染的特點是：(1)除被懸浮物帶走的外，會因吸附沉淀 作用而富集于排污口附近的底泥中，成為長期的次生污染源；(2)水中各種無機配位體(氯離子、硫酸離子、氫氧離子等)和有機配位體(腐蝕質(zhì)等)會與其生成絡(luò)合物或螯合物，導(dǎo)致重金屬有更大的水溶解度而使已進入底泥的重金屬又可能重新釋放出來；(3)重金屬的價態(tài)不同，其活性與毒性不同。其形態(tài)又隨ph和氧化還原條件

20、而轉(zhuǎn)化。(4)在其危害環(huán)境方面的特點是：微量濃度即可產(chǎn)生毒性(一般為110毫克/升，汞、鎘為0.010.001毫克/升)；在微生物作用會轉(zhuǎn)化為毒性更強的有機金屬化合物(如洋甲基汞)；可被 生物富集，通過食物鏈進入人體，造成慢性路線。親硫重金屬元素(汞、鎘、鉛、鋅、硒、銅、砷等)與人體組織某些酶的巰基(-sh)有特別大的親合力，能抑制酶的活性，親鐵元素(鐵、鎳)可在人體的腎、脾、肝內(nèi)累積，抑制精氨酶的活性。六價鉻可能是蛋白質(zhì)和核酸的沉淀劑，可抑制細胞內(nèi)谷胱甘肽還原酶，導(dǎo)致高鐵血紅蛋白，可能致癌，過量的釩和錳(親巖元素)則能損害神經(jīng)系統(tǒng)的機能。 本文主要從土壤中重金屬污染物來源與分布、土壤中重金屬

21、污染物的現(xiàn)行治理方法入手，提出土壤中重金屬污染物防治的環(huán)境礦物學(xué)新方法。旨在保護環(huán)境，提高土壤的環(huán)境質(zhì)量。 1 土壤中重金屬污染物來源與分布 土壤中重金屬的來源是多途徑的，首先是成土母質(zhì)本身含有重金屬，不同的母質(zhì)、成土過程所形成的土壤含有重金屬量差異很大。此外，人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，也造成重金屬對大氣、水體和土壤的污染。 1.1 大氣中重金屬沉降 大氣中的重金屬主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵等。它們主要分布在工礦的周圍和公路、鐵路的兩側(cè)。大氣中的大多數(shù)重金屬是經(jīng)自然沉降2和雨淋沉降進入土壤的。如瑞典中部falun市區(qū)的鉛污染3，它主要來自于市區(qū)銅

22、礦工業(yè)廠、硫酸廠、油漆廠、采礦和化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生大量廢物,由于風的輸送，這些細微顆粒的鉛,從工業(yè)廢物堆擴散至周圍地區(qū)。南京某生產(chǎn)鉻的重工業(yè)廠4鉻污染疊加已超過當?shù)乇尘爸?.4倍，污染以車間煙囪為中心，范圍達1.5 km2，污染范圍最大延伸下限1.38 km。俄羅斯的一個硫酸生產(chǎn)廠也是由工廠煙囪排放造成s、v、as的污染。公路、鐵路兩側(cè)土壤中的重金屬污染，主要是pb、zn、cd、cr、co、cu的污染為主。它們來自于含鉛汽油的燃燒，汽車輪胎磨損產(chǎn)生的含鋅粉塵等。它們成條帶狀分布，以公路、鐵路為軸向兩側(cè)重金屬污染強度逐漸減弱；隨著時間的推移，公路、鐵路土壤重金屬污染具有很強的疊加性。在寧杭公路南京段兩

23、側(cè)的土壤形成pb、cr、co污染暈帶，且沿公路延長方向分布，自公路向兩側(cè)污染強度減弱。在寧連一級公路淮陰段兩側(cè)的土壤鉛含量增高，向兩側(cè)含量逐漸降低，且在地表030 cm鉛的含量較高。在法國索洛涅地區(qū)a71號高速公路8沿途嚴重污染重金屬pb、zn、cd，其沉降粒子濃度超過當?shù)赝寥辣尘爸?8倍，而公路旁重金屬濃度比沉降粒子中高726倍。在斯洛文尼亞9從居波加到扎各瑞波公路兩側(cè)，鉛除了分布在公路兩側(cè)以外，還受階地地貌和盛行風的影響，高鉛出現(xiàn)在低地，公路順風一側(cè)鉛含量較高。 經(jīng)過自然沉降和雨淋沉降進入土壤的重金屬污染，主要以工礦煙囪、廢物堆和公路為中心，向四周及兩側(cè)擴散；由城市郊區(qū)農(nóng)區(qū)，隨距城市的距離

24、加大而降低，特別是城市的郊區(qū)污染較為嚴重。此外，還與城市的人口密度、城市土地利用率、機動車密度成正相關(guān)；重工業(yè)越發(fā)達，污染相對就越嚴重。 此外，大氣汞的干濕沉降也可以引起土壤中汞的含量增高。大氣汞通過干濕沉降進入土壤后，被土壤中的粘土礦物和有機物的吸附或固定，富集于土壤表層，或為植物吸收而轉(zhuǎn)入土壤，造成土壤汞的濃度的升高。 1.2 農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜使用 施用含有鉛、汞、鎘、砷等的農(nóng)藥和不合理地施用化肥，都可以導(dǎo)致土壤中重金屬的污染。一般過磷酸鹽中含有較多的重金屬hg、cd、as、zn、pb，磷肥次之,，氮肥和鉀肥含量較低，但氮肥中鉛含量較高，其中as和cd污染嚴重。經(jīng)過對上海地區(qū)菜園土地、

25、糧棉地的研究，施肥后，cd的含量從0.134 mg/kg升到0.316 mg/kg，hg的含量從0.22 mg/kg升到0.39 mg/kg，cu、zn 增長2/3。通過新西蘭50 a前和現(xiàn)今同一地點58個土樣分析，自施用磷肥后，鎘從0.39 mg/kg升至0.85 mg/kg。在阿根廷由于傳統(tǒng)無機磷肥的施入,進而導(dǎo)致土壤重金屬cd、cr、cu、zn、ni、pb的污染。 農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用的熱穩(wěn)定劑中含有cd、pb，在大量使用塑料大棚和地膜過程中都可以造成土壤重金屬的污染。 1.3 污水灌溉 污水灌溉一般指使用經(jīng)過一定處理的城市污水灌溉農(nóng)田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商業(yè)污水和工業(yè)廢

26、水。由于城市工業(yè)化的迅速發(fā)展，大量的工業(yè)廢水涌入河道，使城市污水中含有的許多重金屬離子，隨著污水灌溉而進入土壤。在分布上，往往是靠近污染源頭和城市工業(yè)區(qū)土壤污染嚴重，遠離污染源頭和城市工業(yè)區(qū)，土壤幾乎不污染17。近年來污水灌溉已成為農(nóng)業(yè)灌溉用水的重要組成部分，中國自60年代至今，污灌面積迅速擴大，以北方旱作地區(qū)污灌最為普遍，約占全國污灌面積的90%以上。南方地區(qū)的污灌面積僅占6%，其余在西北和青藏18。污灌導(dǎo)致土壤重金屬hg、cd、cr、as、cu、zn、pb等含量的增加?；搓栁酃鄥^(qū)自污灌以來，金屬hg、cd、cr、pb、as等就逐漸增高，19951997年已超過警戒級。太原污灌區(qū)的重金屬pb

27、、cd、cr含量遠遠超過其當?shù)乇尘爸担曳e累量逐年增高。 1.4 污泥施肥 污泥中含有大量的有機質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，但同時污泥中也含有大量的重金屬,隨著大量的市政污泥進入農(nóng)田，使農(nóng)田中的重金屬的含量在不斷增高。污泥施肥可導(dǎo)致土壤中cd、hg、cr、cu、zn、ni、pb含量的增加，且污泥施用越多,污染就越嚴重，cd、cu、zn引起水稻、蔬菜的污染；cd、hg可引起小麥、玉米的污染；污泥增加，青菜中的cd、cu、zn、ni、pb也增加。anthony研究表明，用城市污水、污泥改良土壤，重金屬hg、cd、pb等的含量也明顯增加。 1.5 含重金屬廢棄物堆積 含重金屬廢棄物種類繁多，不同種類其

28、危害方式和污染程度都不一樣。污染的范圍一般以廢棄堆為中心向四周擴散。通過對武漢市垃圾堆放場23、杭州某鉻渣堆存區(qū)、城市生活垃圾場25及車輛廢棄場26附近土壤中的重金屬污染的研究，這些區(qū)域的重金屬cd、hg、cr、cu、zn、ni、pb、as、sb、v、co、mn的含量高于當?shù)赝寥辣尘爸?，重金屬在土壤中的含量和形態(tài)分布特征受其垃圾中釋放率的影響，且隨距離的加大重金屬的含量而降低。由于廢棄物種類不同，各重金屬污染程度也不盡相同，如鉻渣堆存區(qū)的cd、hg、pb為重度污染，zn為中度污染，cr、cu為輕度污染。 1.6 金屬礦山酸性廢水污染 金屬礦山的開采、冶煉、重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆放等，可以

29、被酸溶出含重金屬離子的礦山酸性廢水，隨著礦山排水和降雨使之帶入水環(huán)境（如河流等）或直接進入土壤，都可以間接或直接地造成土壤重金屬污染。1989年我國有色冶金工業(yè)向環(huán)境中排放重金屬hg為56 t，cd為88 t，as為173 t，pb為226 t。礦山酸性廢水重金屬污染的范圍一般在礦山的周圍或河流的下游，在河流中不同河段的重金屬污染往往受污染源（礦山）控制，河流同一污染源的下段自上游到下游,由于金屬元素遷移能力減弱和水體自凈化能力的適度恢復(fù)，金屬化學(xué)污染強度逐漸降低。江西樂安江沽口中洲由于遭受德興銅礦的污染，水體及土壤中的重金屬cu、pb、zn、cr含量增高，至鄱陽湖段重金屬含量逐漸降低。美國科

30、羅拉多州羅拉多流域受采礦的影響，重金屬元素cd、zn、pb、as的濃度，以污染源為最高，之后隨著與污染源距離延長而逐漸降低。萊安河30重金屬污染，來自一個大型銅礦，導(dǎo)致重金屬濃度遠遠超過當?shù)乇尘爸怠Ａ饔蛑亟饘傥廴倦S季節(jié)變化而異，枯水期重金屬的含量明顯高于豐水期。河流流速減緩可以導(dǎo)致該流段重金屬含量增加。 同一區(qū)域土壤中重金屬污染物的來源途徑可以是單一的，也可以是多途徑的。胡永定通過研究徐州荊馬河區(qū)域土壤重金屬污染的成因中指出：cr、cu、zn、pb是由垃圾施用引起的，as是由農(nóng)灌引起的，cd是由農(nóng)灌和垃圾施用引起的，hg是各種途徑都具備。王文祥通過對山東省耕地重金屬元素污染狀況的研究說明，工業(yè)

31、快速發(fā)展地區(qū)鉛高于農(nóng)業(yè)環(huán)境，鉛與距公路遠近有關(guān)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)技術(shù)、設(shè)備落后，原材料利用率低，造成其周邊土壤重金屬污染相當嚴重。據(jù)貴州1986年的統(tǒng)計，全省鄉(xiāng)鎮(zhèn)排放汞14.7萬kg，土壤中有的地方達56.64 mg/kg，超過未污染土壤的84.5倍。要引起高度重視。 總的來說：工業(yè)化程度越高的地區(qū)污染越嚴重，市區(qū)高于遠郊和農(nóng)村，地表高于地下，污染區(qū)污染時間越長重金屬積累就越多，以大氣傳播媒介土壤重金屬污染土壤的具有很強的疊加性,熟化程度越高重金屬含量越高。 2 土壤中重金屬污染物現(xiàn)行治理方法 關(guān)于土壤重金屬污染物的研究，國外始于20世紀6070年代，如澳大利亞、美國、德國等國家對土壤重金屬較深入，尤

32、其澳大利亞。我國在1983年對主要類型的土壤環(huán)境容量作過初步研究，如提出研究土壤重金屬的生態(tài)效應(yīng)、臨界含量地帶性分異規(guī)律和分區(qū)等。 當前，世界各國很重視對重金屬污染治理方法研究，并開展廣泛的研究工作。總的來說，目前大致有以下四種治理措施： 2.1 工程治理方法 工程治理是指用物理或物理化學(xué)的原理來治理土壤重金屬污染。主要有：客土是在污染的土壤上加入未污染的新土；換土是將以污染的土壤移去，換上未污染的新土；翻土是將污染的表土翻至下層；去表土是將污染的表土移去等。如日本富士縣神通川流域的痛痛病發(fā)源地，就是由于長期食用含鎘的稻米而引發(fā)的，他們通過研究，去表土15 cm，并壓實心土，在連續(xù)淹水的條件下

33、，稻米中鎘的含量小于0.4 mg/kg；去表土后再客土20 cm，間歇灌溉稻米中鎘的含量也不超標，客土超過30 cm，其效果更佳。此外淋洗法是用淋洗液來淋洗污染的土壤；熱處理法是將污染土壤加熱，使土壤中的揮發(fā)性污染物（hg）揮發(fā)并收集起來進行回收或處理；電解法是使土壤中重金屬在電解、電遷移、電滲和電泳等的作用下在陽極或陰極被移走。 以上措施具有效果徹底、穩(wěn)定等優(yōu)點，但實施復(fù)雜、治理費用高和易引起土壤肥力降低等缺點。 2.2 生物治理方法 生物治理是指利用生物的某些習(xí)性來適應(yīng)、抑制和改良重金屬污染。主要有：動物治理是利用土壤中的某些低等動物蚯蚓、鼠類等吸收土壤中的重金屬；微生物治理是利用土壤中的

34、某些微生物等對重金屬具有吸收、沉淀、氧化和還原等作用，降低土壤中重金屬的毒性如citrobacter sp產(chǎn)生的酶能使u、pb、cd形成難溶磷酸鹽；原核生物（細菌、放線菌）比真核生物（真菌）對重金屬更敏感，格蘭氏陽性菌可吸收cd、cu、ni、pb等。植物治理是利用某些植物能忍耐和超量積累某種重金屬的特性來清除土壤中的重金屬；重金屬的植物吸收、淋溶和無效態(tài)數(shù)量將只依賴于它們的有效態(tài)的多少，重金屬溶液濃度和它們的土壤的有效態(tài)之間關(guān)系遵循freundlich吸附方程41；超積累植物可吸收積累大量的重金屬，目前已發(fā)現(xiàn)400多種，超積累植物積累cr、co、ni、cu、pb的含量一般在0.1%以上，積累m

35、n、zn含量一般在1%以上；印度芥菜（brassica juncea）可吸收zn、cd、cu、pb等，在cu為250 mg/kg，pb為500 mg/kg、zn為500 mg/kg條件下能生長，在cd為200 mg/kg出現(xiàn)黃化現(xiàn)象42；印度芥菜（brassica juncea）可對cr6+、cd、ni、zn、cu富集分別為58，52，31，17和7倍；高桿牧草（agropyron elongatum）能吸收cu等；英國的高山瑩屬類等，可吸收高濃度的cu、co、mn、pb、se、cd、zn等。 生物治理措施的優(yōu)點是實施較簡便、投資較少和對環(huán)境破壞小，缺點是治理效果不顯著。 2.3 化學(xué)治理方法

36、 化學(xué)治理就是向污染土壤投入改良劑、抑制劑，增加土壤有機質(zhì)、陽離子代換量和粘粒的含量，改變ph、eh和電導(dǎo)等理化性質(zhì)，使土壤重金屬發(fā)生氧化、還原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用，以降低重金屬的生物有效性。其中沉淀法是指土壤溶液中金屬陽離子在介質(zhì)發(fā)生改變（ph值、oh-、so42-等）時，形成金屬沉淀物而降低土壤重金屬的污染；如向土壤中投放鋼渣，它在土壤中易被氧化成鐵的氧化物，對cd、ni、zn的離子有吸附和共沉淀作用，從而使金屬固定。在沈陽張士污灌區(qū)進行的大面積石灰改良實驗表明，每公頃施石灰15001875 kg籽實含鎘量下降50%18。有機質(zhì)法是指有機質(zhì)中的腐殖酸能絡(luò)合重金屬離子生成難溶的絡(luò)合

37、物，而減輕土壤重金屬的污染；吸附法是指重金屬離子能被膨潤土、沸石、粘土礦物等吸附固定，從而降低土壤重金屬的污染。 化學(xué)治理措施優(yōu)點是治理效果和費用都適中，缺點是容易再度活化。 2.4 農(nóng)業(yè)治理方法 農(nóng)業(yè)治理是因地制宜的改變一些耕作管理制度來減輕重金屬的危害，在污染土壤上種植不進入食物鏈的植物。主要有：控制土壤水分是指通過控制土壤水分來調(diào)節(jié)其氧化還原電位（eh），達到降低重金屬污染的目的；選擇化肥是指在不影響土壤供肥的情況下，選擇最能降低土壤重金屬污染的化肥；增施有機肥是指有機肥能夠固定土壤中多種重金屬以降低土壤重金屬污染的措施；選擇農(nóng)作物品種是指選擇抗污染的植物和不要在重金屬污染的土壤上種植進

38、入食物鏈的植物；如在含鎘100 mg/kg的土壤上改種苧麻，五年后，土壤鎘含鎘平均降低27.6%；因地制宜地種植玉米、水稻、大豆、小麥等，水稻根系吸收重金屬的含量占整個作物吸收量的58%99%，玉米莖葉吸收重金屬的含量占整個作物吸收量的20%40%，玉米籽實吸收量最少，重金屬在作物體內(nèi)分配規(guī)律是根莖葉籽實。土壤重金屬污染也是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)破壞的重要因素。合理的利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)工程措施，也可以保持土壤的肥力，改良和防治土壤重金屬污染，提高土壤質(zhì)量，并能與自然生態(tài)循環(huán)和系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作。如可以在污染區(qū)公路兩側(cè)盡可能種樹、種花、種草或經(jīng)濟作物（如蓖麻），種植草皮或觀賞樹木，移栽繁殖，不但可以美化環(huán)境，還可

39、以凈化土壤；蓖麻可用作肥皂的原料。也可以進行農(nóng)業(yè)改良，即在污染區(qū)繁育種子（水稻、玉米），之后在非污染區(qū)種植；或種植非食用作物（高梁、玉米），收獲后從秸稈提取酒精，殘渣壓制纖維板，并提取糠醛，或?qū)堅谱髡託庾髂茉础?農(nóng)業(yè)治理措施的優(yōu)點是易操作、費用較低，缺點是周期長、效果不顯著。 3 土壤中天然礦物治理重金屬污染物新方法 土壤的主要礦物組成除粘土礦物外，還存在大量的天然鐵錳鋁氧化物及氫氧化物、硅氧化物、碳酸鹽、有機質(zhì)硫化物等天然礦物。在國內(nèi)外關(guān)于土壤重金屬污染物防治途徑研究中，人們一直強調(diào)土壤自身的凈化能力，但土壤自凈化能力離不開土壤中礦物種對重金屬的吸附與解吸作用、固定與釋放作用，土壤中具體

40、礦物的凈化能力才真正體現(xiàn)土壤自身的凈化能力和容納能力。土壤中有毒有害元素含量的高低，并不是直接判定土壤環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣乃至土壤生態(tài)效應(yīng)的唯一標志，關(guān)鍵問題是要揭示這些重金屬在土壤中與各種無機物之間具有怎樣的環(huán)境平衡關(guān)系。在國內(nèi)外為尋求地下水和土壤有機污染的修復(fù)方法而直接對土壤中多種粘土礦物進行改性研究，即利用有機表面活性劑去置換天然粘土礦物中存在著的大量可交換的無機陽離子，以形成有機粘土礦物，可有效截住或固定有機污染物，阻止地下水的進一步污染，限制有機污染物在土壤環(huán)境中遷移擴散。但特別需要指出的是，在粘土礦物改性過程中，其中的固定態(tài)重金屬也一并被置換出來，導(dǎo)致土壤系統(tǒng)中業(yè)已建立環(huán)境平衡被打破，使得

41、土壤環(huán)境中解吸釋放態(tài)重金屬污染物總量大大增加。至此，土壤中重金屬污染物既來源于土壤中活動態(tài)的重金屬，又來源于改性粘土礦物時被置換釋放出來的重金屬。以本實驗室正在開展研究的環(huán)境礦物材料天然鐵錳鋁氧化物及氫氧化物為例，其中磁鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦、軟錳礦、硬錳礦與鋁土礦等也正在成為國際上關(guān)于天然礦物凈化污染方法研究方面的重點對象之一。我們認為天然鐵錳鋁氧化物及氫氧化物的表面具有明顯的化學(xué)吸附性特征，錳氧化物與氫氧化物還具有較完善的孔道特征，尤其是fe、mn為自然界中少數(shù)的但屬于常見的變價元素，其氧化物和氫氧化物化合物往往可表現(xiàn)出一定的氧化還原作用。所以說天然鐵錳鋁氧化物及氫氧化物具有潛在的凈化重金屬

42、污染物的功能，能成為土壤環(huán)境中吸附固定態(tài)重金屬污染物的有效物質(zhì)。 綜上所述，國內(nèi)外對土壤重金屬污染現(xiàn)狀與治理，取得了一定的成績，也存在一些理論上和技術(shù)上的問題，如土壤中重金屬與土壤中礦物之間的吸附與解吸、固定與釋放的平衡關(guān)系的研究，土壤中重金屬形態(tài)特征、轉(zhuǎn)化與遷移規(guī)律的系統(tǒng)研究，土壤中二次污染物的及時處理等。 土壤重金屬污染首先應(yīng)從源頭抓起，控制污染源，土壤重金屬的污染已經(jīng)達到相當嚴重的程度,要充分認識土壤重金屬污染的長期性、隱匿性、不可逆性以及不能完全被分解或消逝的特點。土壤質(zhì)量問題是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和社會全面進步的戰(zhàn)略問題，它直接影響土壤質(zhì)別、水質(zhì)狀況、作物生長、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等，并通

43、過食物鏈對人體健康造成危害。對工業(yè)生產(chǎn)中排放的污染物尚未得到較徹底控制，尤其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量而盲目使用化學(xué)肥料和農(nóng)藥的今天，江河湖海、地下水及陸地中無機和有機污染物積累總量與日俱增，使土地環(huán)境質(zhì)量變得極其脆弱。一旦土壤對這些污染物尤其是重金屬的消納容量達到飽和，這些污染物對耕地生產(chǎn)能力的潛在毀滅性破壞便有可能一觸即發(fā)，有人已形象地稱之為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“定時炸彈”。從這個意義上來講，土地管理與保護工作不僅是對耕地總量的監(jiān)管，還應(yīng)該加強對耕地質(zhì)量的保護與改善。對土壤質(zhì)量的保護便是對耕地生產(chǎn)能力的保護，更是提高土地利用效率的強有力措施之一。對于我國這樣一個人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，開展國土質(zhì)量調(diào)查評價，對土

44、壤重金屬污染物進行試驗研究，開發(fā)耕地污染的治理方法和技術(shù)，顯得更為必要和迫切。問題三：研究氣體的擴散,液體的滲透,半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)擴散等問題所滿足的微分方程.在 考慮擴散問題時,需用到相應(yīng)的擴散定律和質(zhì)量守恒定律.擴散定律 擴散物質(zhì)在單位時間內(nèi)沿法線方向 n 流過單位面積的曲面的質(zhì)量與物質(zhì)濃度 c ( x, y, z , t ) 沿法線方向 n 的方向?qū)?shù) c 成正比. n 由擴散定律,擴散物質(zhì)在時段 dt 內(nèi)沿法線方向 n 流過面積為 ds 的曲面的質(zhì)量 dm 為: dm = d ( x, y, z ) c ds dt n 其中 d ( x, y , z ) 為擴散系數(shù),出現(xiàn)負號是由于物質(zhì)

45、總是由濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)滲 透. 任取一封閉曲面 ,它所圍區(qū)域記為 ,則從時刻 t1 到時刻 t2 進入此閉曲面的物質(zhì)質(zhì) 量為 m = d( x, y, z ) t1 t2 c ds dt n c c 由高斯公式 d( x, y, z) n ds = x ( d x ) + y ( d y ) + z ( d z )dv , c c m = t1 t2 c c c (d ) + (d ) + (d )dv dt x x y y z z 同時,物質(zhì)滲透到區(qū)域 內(nèi),使得內(nèi)部的濃度發(fā)生變化,在時間間隔 t1 , t1 內(nèi),濃度 由 c ( x, y, z , t1 ) 變化為 c ( x,

46、y, z , t2 ) ,增加的物質(zhì)質(zhì)量為 (c ( x, y, z, t2 ) c ( x, y, z, t1 )dv = ( t2 t1 t2 c c dt )dv = ( dv )dt t1 t t 由質(zhì)量守恒即有 x ( d x ) + y ( d y ) + z ( d z )dv dt = ( t t1 t1 t2 c c c t2 c dv )dt 于是得到擴散方程 c c c c = (d ) + (d ) + (d ) t x x y y z z 若擴散系數(shù) d ( x, y , z ) 為常數(shù),則擴散方程為 c 2 c 2 c 2c = d( 2 + 2 + 2 ) t x

47、 y z問題四：對于問題四，我們仔細分析了模型的優(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)收集該地區(qū)的每年生活、工業(yè)等重要污染源的垃圾排放量，以及每年的生物降解量，降雨量對重金屬元素擴散的影響，空氣污染也應(yīng)該考慮進去。有了這些數(shù)據(jù)以后建立因子分析法，回歸分析，曲線擬合等模型解決問題。五、模型的評價與推廣1）本文把所解決的問題歸結(jié)為優(yōu)化問題，建立的數(shù)學(xué)模型清晰合理。2）運用matlab和lingo軟件處理數(shù)據(jù)和進行運算，降低運算量，簡單易行，有很大的可操作性。且所得數(shù)據(jù)較為合理可靠。3）運用因子分析模型解題，全面可靠。4）但在實際運用本方案中還應(yīng)考慮后來污染因素對模型的影響，在應(yīng)用的過程中

48、根據(jù)實際情況進行靈活改變。六、參考文獻1 肖華勇.基于matlab和lingo的數(shù)學(xué)實驗m.西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，2009(3).1142 張志涌.精通matlab 6.5版m.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003(3).3133 邢文訓(xùn)，謝金星. 現(xiàn)代優(yōu)化算法m. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1999.4 姜啟源 謝金星 . 葉俊 數(shù)學(xué)模型m，北京，2003.七、附錄附件1. 取樣點位置及其所屬功能區(qū)編號x(m)y(m)海拔(m)功能區(qū)功能區(qū)174781541生活區(qū)213737311142工業(yè)區(qū)3132117912843山區(qū)401787424交通區(qū)5104921271245公園綠地區(qū)61

49、647272862728833617154823833692729270822952241029331767741142338956512404318951411324273971211435264357741550624339541647774897811758684904164186534564161195481600404204592460361212486599921223299601844233573621351244741643455255375864315126563579652942753948631124285291734910429474272939230494872936231556767827232700462261143373045230101347048460024435818044961543693284311241379090536520438804954391843980776401291408017721039441686972861844270568348371437747826049444845789912144594608311454469062763945447931967994944810