A題城市表層土壤重金屬污染分析.

1、A題城市表層土壤重金屬污染分析摘要：本文主要討論研究了城市表層土壤重金屬污染的問題。模型建立過程中，考慮到重金屬粒子比重較大的問題，忽略其遠(yuǎn)距離傳播所造成的影響且 假定采樣土層中 的重金屬分布已經(jīng)穩(wěn)定海拔對重金屬分布的影響甚微。不考慮生物降解、氣象等次要因素對重金屬污染傳播速度的影響。從題中所給數(shù)據(jù)可得，采樣點(diǎn)不是均勻分布的,局部區(qū)域可能采樣較密或較稀甚或缺失。若直接應(yīng)用原始樣品分析數(shù)據(jù)進(jìn)行元素含量頻率分布研究，則可能過分強(qiáng)調(diào)采樣較密的局部區(qū)域而相對忽視采樣較稀 的局部區(qū)域，不能真實(shí)地反映區(qū)域內(nèi)元素含量值的分布特征，因此我們利用濃度一面 積法進(jìn)行分析。經(jīng)過對樣本數(shù)據(jù)的嚴(yán)格計算與分析發(fā)現(xiàn)每種重金

2、屬濃度的對數(shù)分 布都非常近似地符合 正態(tài)分布，由此切入，引入一個新的指標(biāo)P （某重金屬離子不同 污染程度區(qū)域的面積值，各種重金屬的濃度值的對數(shù)與對該指標(biāo)滿足正態(tài)分布關(guān)系 進(jìn)而討論了采樣城市表層土壤重金屬的污染情況，建立了重金屬污染模型。關(guān)鍵字：濃度一面積法重金屬污染正態(tài)分布曲線擬合雙對數(shù)坐標(biāo)重點(diǎn)分析法 主要因素次要因素一問題的提出隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量的 影響日顯突出。對城市土壤地質(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)資料開展城市環(huán)境質(zhì)量評價，研究人類活動影響下城市地質(zhì) 環(huán)境的演變模式，日益 成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。按照功能劃分，城區(qū)一般

3、可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及 公園綠 地區(qū)等，分別記為1類區(qū)、2類區(qū)、5類區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境受 人類活動影響 的程度不同?，F(xiàn)對某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。為此，將所考察的城區(qū)劃分為間距1 公里左右的網(wǎng)格子區(qū)域，按照每平方公里1個采樣點(diǎn)對表層土（010厘米深度進(jìn)行 取樣、編號，并用GPS記錄采樣點(diǎn)的位置。應(yīng)用專門儀器測試 分析,獲得了每個樣 本所含的多種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)。另一方面，按照2公里的間距在那些遠(yuǎn)離人群 及工業(yè)活動的自然區(qū)取樣，將其作為該城區(qū)表層 土壤中元素的背景值。本文需要解決的問題是根據(jù)所給的數(shù)據(jù)，確定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

4、重金屬的污染程度以及污染原因。 另外需要根 據(jù)重金屬污染物的傳播特征，由此建立數(shù)學(xué)模型，確定污染源的 位置，得出明確的有說 服力的結(jié)論。然后根據(jù)建模分析的結(jié)果，給有關(guān)部門寫一份報告，提出具體的建議。二問題的分析隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)、交通、生活等所產(chǎn)生的大 量污染 物進(jìn)入土壤，使得城市土壤的各種性質(zhì)發(fā)生了變化。重金屬作為一種持久性有毒污染物，進(jìn)入城市土壤環(huán)境后不能被生物降解，并能通過揚(yáng)塵和 手或口直接接觸等途徑 進(jìn)入人體,在人體內(nèi)積累，危害人體健康。土壤中的 重金屬還可通過淋洗和徑流等作 用污染地表水和地下水，對水環(huán)境造成潛在危害。因此，近年來城市土壤重金屬污染 已成為一個研究

5、熱點(diǎn)。為了探討污染源的位置，首先要分析影響土壤中重金屬分布的因素，根據(jù)中國 地質(zhì)科學(xué)分析得出城市土壤重金屬的主要來源，認(rèn)識到城市土壤中的重金屬一部 分來源于成土母質(zhì)，另一部分則為外源人為輸入。成土母質(zhì) 是城市土壤中重金屬含 量的重要來源，是決定城市土壤中重金屬元素含量與 分布特征的重要因素之一。例 如，在北京市，目前土壤中Cr、Ni的含量就主 要受成土母質(zhì)的影響，只是個別地區(qū) 存在明顯的Cr、Ni含量嚴(yán)重偏高的現(xiàn)象。城市交通運(yùn)輸則是城市土壤重金屬污 染的另一個重要來源，汽車尾氣排放、輪胎添加劑中的重金屬元素均可影響到土壤 中Pb、Zn、Cu的含量，且這些元素的積累量都與交通流量有關(guān)。另外城市生

6、活垃圾與工業(yè)廢棄物的堆放及填埋對其附近城市土壤中重金 屬的 含量與形態(tài)特征有著明顯的影響，其附近土壤中重金屬元素的含量與形 態(tài)分布特征 與垃圾中的重金屬含量及其有效態(tài)含量呈明顯的正相關(guān)。在不同工礦企業(yè)周圍，土壤重金屬含量還表現(xiàn)出明顯的特異性，如Zn礦冶煉廠廢棄 物 的排放即可導(dǎo)致其周邊城市土壤 Zn含量特異。同時公園與花園綠化過程中污 水、污泥堆肥的廣泛使用也明顯影響到城市土壤中的重金屬組成與含量。城市土 壤重金屬污染的來源可用下圖表示為工業(yè)廢渣工業(yè)污染企業(yè)搬遷后的殘留物城市重金屬交通污染（汽車尾氣污染的主要來源城市垃圾堆放場和填埋場城市堆放的廢棄物污染工業(yè)及生活用污水圖1城市土壤重金屬污染來

7、源知道了城市土壤重金屬的主要來源，然后按功能區(qū)進(jìn)行分類處理，對各功能區(qū)里 每種元素濃度的空間分布單獨(dú)進(jìn)行處理，按照所給的數(shù)據(jù)畫出每種元素濃度布規(guī)律, 為后面的模型建立做好準(zhǔn)備。從整體來看，我們可以按以下流程圖來進(jìn)行分析處理C（As）As離f濃度P C（As） J As離子不同污染程度區(qū) 的面積值C（Cd）Cd離子濃度p c（cd）lcd g子不同污染程度區(qū) 的面積值C(Cr) Cr離f濃度P C（Cr）Cr fij :仁同汚染程度區(qū)第一步：將所給數(shù)據(jù)按功能區(qū)進(jìn)行篩選并繪制出各種元素分布的三維圖1圖2整體解題步驟建立模型的過程中需要考慮的因素還有很多，在這里不做更多的解 釋，在后面的 建模過程中

8、會做出詳細(xì)解析。三模型的假設(shè)1、 模型建立過程中，考慮到重金屬粒子比重較大的問題，忽略其遠(yuǎn)距離傳播 所 造成的影響。2、采樣土層中的重金屬分布已經(jīng)穩(wěn)定。3、海拔對重金屬分布的影響甚微。4、不考慮生物降解、氣象等因素對重金屬污染傳播速度的影響。四符號的說明C(As)As離了濃度P IC(As) 1 As離子不同污染程度區(qū)域 的而積值C(Cd)Cd離子濃度F【C(Cd)】Cd離子不同污染軒度區(qū)域 的面積值C (Cr) G離孑濃度P (C(Cr) Cr離片不同污染程度區(qū)域的面積值C (Cii)Cu離了濃度P (C(Cu) Cu離尹不同污染程度區(qū)域 的面積值C(Hg)Hg離子濃度P lC(Hg) Hg

9、離尹不同污染程度區(qū)域 的而積值C(Ni)Ni離子濃度P (C(Ni) Ni離子不同污染程度區(qū)域 的而積值C(Pb)Pb離子濃度P C(Pb) Pb離子不同污染程度區(qū)域 的而積值C(Zn)Zn離f濃度P (C(Zn) 1 Zri離子不同污染程度區(qū)域 的而積值五模型的建立與求解5.1問題一的求解：分析問題一得知，要想求得8種重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，需要先畫出各 元素濃度與坐標(biāo)的三維圖。 因為海拔對重金屬元素的空間分布影響較小，屬于次要 因素,所以先考慮對重金屬元素空間分布影響較大的主要因素 x, y。各元素的濃度與x, y關(guān)系的三維圖如下所示圖5.11 As濃度分布圖legLK-圖5.11

10、As濃度分布圖圖5.11 As濃度分布圖圖5.12 Cr濃度分布圖圖5.11 As濃度分布圖圖5.13 Zn濃度分布圖圖5.14 Pb濃度分布圖D2000< ID圖5.14 Pb濃度分布圖1 K圖5.15 Ni濃度分布圖gp?也対斗回圖 5.16 Hg濃度分布圖仰外芾國圖5.17 Cu濃度分布圖+ 3 I"!5210Xwtfibd 區(qū)烽 髙昔亞區(qū)1園 M-生工山艾心圖5.18 Cd濃度分布圖再考慮海拔時，畫出海拔等高線與功能區(qū)分布的關(guān)系圖如下1BOOO16000MOOD12000WOOD 叵 kROODGOODMOOD2000,支it譜葛純與功統(tǒng)區(qū)分布區(qū) 地Jsiz實(shí) 區(qū)忱 V

11、馬業(yè)區(qū)ii園 呼寶工山爻毎+ Qa<10口O口圖5.19海拔等高線與功能區(qū)關(guān)系分布圖由以上各元素的三維圖只能得出8種重金屬元素在整個城區(qū)內(nèi)的空間分布特點(diǎn)及傳播特征，并不能得出不同區(qū)域重金屬的污染程度。所以需要對附件一中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，分區(qū)討論污染程度。我們利用篩選完的數(shù)據(jù)，分別算出5 個區(qū)域各種元素濃度的平均值，用如下柱形圖表示出各區(qū)域重金 屬的污染程度。圖三各功能區(qū)重金屬濃度分布由上圖分析可得在城市不同的功能區(qū)，重金屬分布呈現(xiàn)出一定的規(guī) 律性。一般 來說，工業(yè)區(qū)和交通區(qū)重金屬污染最為嚴(yán)重，其次為生活區(qū)，公園綠地區(qū)和山區(qū)重金屬 含量一般較低，污染也相對較輕。5.2問題二的求解：分析所

12、給數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該城市不同功能區(qū)土壤重金屬污染程度表現(xiàn)為工業(yè)區(qū)交通區(qū) 生活區(qū) 公園綠地區(qū) 山區(qū)。工業(yè)區(qū)的污染最嚴(yán)重，是因為，隨著城市化發(fā)展 和舊城區(qū)改造，大量的污染企業(yè)搬出城區(qū)，原有的土地使用性質(zhì) 發(fā)生改變。城市中已 搬遷的污染企業(yè)用地成為城市土壤重金屬污染的突出問題,如一些冶金行業(yè)、電鍍行業(yè)及大型企業(yè)中的電鍍工藝等，可以造成較為 嚴(yán)重的土壤重金屬污染。城市土壤 重金屬污染的另一特征是沿交通干道兩側(cè)呈現(xiàn)出較嚴(yán)重的帶狀污染，公路兩側(cè)一般 為城市土壤重金屬污染最嚴(yán)重的地 帶。距交通干道距離不同，重金屬含量也存在差 異。生活區(qū)污染也比較嚴(yán)重，是因為城市是人口的主要聚集區(qū)，同時也集中了大量的 工礦企業(yè)，其

13、產(chǎn)生的大量廢棄物經(jīng)常未經(jīng)處理隨意堆放，其中的重金屬元素向四周環(huán) 境擴(kuò)散，對城市土壤環(huán)境造成了污染。同時，這些堆放的廢棄物在雨水的淋洗下會向 土壤釋放其有效態(tài)部分，使得重金屬元素的遷移能力增強(qiáng)，增加了對地下水的危 害。5.3問題三的求解：不同于其他一些氣體或者液體物質(zhì)離子具有較輕的粒子質(zhì)量，重金屬離子的粒 子重量非常大，這一物理性質(zhì)決定了重金屬離子的擴(kuò)散方式有限，擴(kuò)散速度緩慢。某 位置的重金屬的分布主要由污染源決定，重金屬的擴(kuò)散對某第 該重金屬的濃度影響 并不顯著。簡單地說，如果某地為污染源，那么該地的重金屬離子濃度會非常高；如 果某地并非污染源，則該地不會顯著受到某污染源重金屬污染物擴(kuò)散的影響

14、。經(jīng)過對采樣數(shù)據(jù)的嚴(yán)格分析我們發(fā)現(xiàn)，采樣重金屬濃度值的對數(shù)值分布呈現(xiàn)正 態(tài)分布的特征。我們設(shè)定P為反映不同污染程度區(qū)域的面積值的指標(biāo)，c為重金屬 濃度，則:22(exp 2 c uP c根據(jù)采樣點(diǎn)分別算出8種重金屬分布的方程常數(shù)Trrr2 2(1.6326 (exp 2*0.445C AsP C AsJ 2 兀 b2 2 ( 0.45 (exp 2*5.4849 C CdP C Cd22(0.2576 (exp 2*3.7828 C CrP C Cr(C(Cu - 0.68272 1 PC(Cu = exp- 2 2*3.4729 2n *3.4729 (C(Hg -1.40322 1exp-

15、 PC(Hg = 2 2*4.1506 2n *4.1506 (C(Ni - 0.16232 1 PC(Ni = exp- 22*2.7582 2 n *2.7582 (C(Zn -0.62252 1 PC(Zn = exp- 2 2*4.8661 2可以 n *4.8661根據(jù)采樣點(diǎn)的統(tǒng)計結(jié)果得到 P的值然后推算重金屬的濃度值，濃度最高的點(diǎn)即可能為潛在的污染源。用matlab軟件繪出圖形如下：11圖四P與各元素濃度對數(shù)的關(guān)系圖5.4問題四的求解：（3）問中的模型建立充 分利用了所給的采樣樣本數(shù)據(jù)，可靠性強(qiáng)；各重 金屬濃度值的對數(shù)值與正態(tài)分布 擬合非常好，除此之外該模型簡練、實(shí)用性 強(qiáng)。當(dāng)然該

16、模型也有其自身的缺點(diǎn)， 該模型對采樣數(shù)據(jù)依賴度過高，當(dāng)采樣 數(shù)據(jù)較少時會出現(xiàn)結(jié)果誤差過大的問題。 前文已經(jīng)提到，重金屬離子由于粒子比重大，所以其傳播速度有限，段時間內(nèi)我們可以忽略遠(yuǎn)距離傳播所帶來的重金屬污染，但從長期來看，我們便不能忽略重金屬粒子遠(yuǎn)距離傳播所帶來的污染，所以為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，我們需要知道歷史上一段時間該地區(qū)的各功能區(qū)的發(fā)展情況。同時，該地區(qū)的人類生活規(guī)律（例如垃圾排放量）、生物降解能力以及該地區(qū)的空氣污染狀 況、氣象因素等都會對重金屬的分布與傳播產(chǎn)生不同效果的影響。如果想要使模型更加精確，這些因素通通都因該考慮在內(nèi)，有了這些數(shù)據(jù)之后可以建立因子分析法，回歸分析，曲線擬合等模型解決問題。六模型的評價與推廣1、本文經(jīng)過嚴(yán)格的分析計算挖掘采樣數(shù)據(jù)背后隱藏的數(shù)學(xué)