城市表層土壤重金屬污染分析

1、城市表層土壤重金屬污染分析摘要本文通過(guò)對(duì)問(wèn)題所給數(shù)據(jù)的篩選處理，得出了重金屬污染傳播的主要特征，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了如下解決：對(duì)問(wèn)題（1）：首先通過(guò)所給數(shù)據(jù)并運(yùn)用Mtlab軟件畫(huà)出了8種主要的重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，然后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)問(wèn)題所給的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理（借助軟件SPSS運(yùn)用箱圖檢查法對(duì)所給數(shù)據(jù)中不符合正態(tài)分布的采樣點(diǎn)進(jìn)行剔除），最終得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算樣本的地質(zhì)累積指數(shù)分析了該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度。對(duì)問(wèn)題（2）：借助問(wèn)題（1）中所得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)每個(gè)功能區(qū)的重金屬污染進(jìn)行分析，然后對(duì)整個(gè)城區(qū)總體進(jìn)行分析，做出相應(yīng)的濃度分布圖。得出重金屬的污染主要原因是工業(yè)污染，其次是交

2、通污染和生活垃圾污染。對(duì)問(wèn)題（3）：對(duì)問(wèn)題（4）：客觀的分析了問(wèn)題（3）所建立模型的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮樣本的采集過(guò)程及重金屬的傳播特征，認(rèn)為還需收集：一.對(duì)重金屬傳播有明顯影響的外部因素的信息，如該城區(qū)的河流與綠地的分布情況，氣候特征，以及人類(lèi)活動(dòng)的影響程度，政府對(duì)環(huán)境污染的治理力度等；二. 對(duì)重金屬傳播有明顯影響的內(nèi)部因素的信息，如重金屬的有關(guān)化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的綜合考慮，建立了更加合理的模型。最后本文還對(duì)城市如何治理重金屬污染給出了建議，并對(duì)模型在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了詳細(xì)討論。關(guān)鍵詞：重金屬污染 正態(tài)分布 箱圖檢查法 地質(zhì)累積指數(shù)一問(wèn)題重述隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類(lèi)

3、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(lèi)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)。按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(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(lèi)區(qū)、2類(lèi)區(qū)、5類(lèi)區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境受人類(lèi)活動(dòng)影響的程度不同?，F(xiàn)對(duì)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(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土（010 厘米深度）進(jìn)行取樣、編號(hào)，并用GPS記錄采樣點(diǎn)的位置。應(yīng)用專(zhuān)門(mén)儀器測(cè)試分析，獲得了每個(gè)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

4、2公里的間距在那些遠(yuǎn)離人群及工業(yè)活動(dòng)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。附件1列出了采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)等信息，附件2列出了8種主要重金屬元素在采樣點(diǎn)處的濃度，附件3列出了8種主要重金屬元素的背景值?，F(xiàn)要求你們通過(guò)數(shù)學(xué)建模來(lái)完成以下任務(wù)：(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(guò)數(shù)據(jù)分析，說(shuō)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(diǎn)，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(wèn)題？

5、二問(wèn)題分析問(wèn)題給出了某城區(qū)通過(guò)調(diào)查取樣所得到的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)，8種主要重金屬元素的背景值以及在采樣點(diǎn)處的濃度。可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到服從正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。問(wèn)題（1），要想得到8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布就必須對(duì)篩選后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果建立適當(dāng)?shù)目臻g坐標(biāo)系來(lái)反映各重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，要想說(shuō)明重金屬的污染程度就需選擇一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)。（本文我們參照地質(zhì)累積指數(shù)）。用分析得出的結(jié)果與參照標(biāo)準(zhǔn)相比來(lái)判別污染程度的嚴(yán)重性。問(wèn)題（2），仍然通過(guò)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)的分析，對(duì)各金屬元素污染濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向的比較，找出各金屬污染

6、元素在不同地區(qū)的污染程度，再根據(jù)各地區(qū)周?chē)h(huán)境特征和金屬元素自身的特性，找出各重金屬污染的主要原因。問(wèn)題（3），問(wèn)題（4），三. 模型假設(shè)：1：假設(shè)重金屬的擴(kuò)散是不受任何外力的布朗運(yùn)動(dòng)； 2：假設(shè)污染源可近似看:作質(zhì)點(diǎn)。 3：四.符號(hào)說(shuō)明 五.問(wèn)題求解問(wèn)題一的求解過(guò)程：首先對(duì)題目所給的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理表（一）其次，通過(guò)對(duì)各地區(qū)不同金屬污染濃度的研究（如表二），考慮到各地區(qū)的位置，以經(jīng)度為 x軸，緯度為y軸，金屬濃度值為Z 軸建立空間直角坐標(biāo)系。由matlab軟件可以畫(huà)出每種元素在空間分布的曲面圖(如圖一)表（二）圖（一）由上面所畫(huà)的曲面圖的高低變化可清楚直觀的看到重金屬濃度在城區(qū)的變化情況，

7、每個(gè)圖中的峰值代表污染最嚴(yán)重的地區(qū)再者，也可以分別以經(jīng)度為 x軸，緯度y 軸。再由matlab畫(huà)出每種元素在城區(qū)的等濃度圖（如圖二），等濃度線(xiàn)稠密的地方表示污染嚴(yán)重；反之則表示污染較輕。圖（二）綜合圖一和圖二，可以看出圖一中每種元素的空間分布圖的高低總是和圖二中相應(yīng)元素的等濃度線(xiàn)的稠密程度變化趨勢(shì)相同，即曲面位置高的地方，等濃度線(xiàn)也相對(duì)稠密；反之則相對(duì)稀疏。下面我們引入地質(zhì)累計(jì)指數(shù)對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行討論。通過(guò)公式（1）并且參照表二，可以算得各區(qū)各金屬污染的地質(zhì)累積指數(shù)。最后根據(jù)污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各區(qū)污染程度進(jìn)行判別。具體過(guò)程如下：采用地質(zhì)累積指數(shù)（Geo-accumulation index

8、）,Igeo=log2ci（1）1.5*bi式中：Igeo 為土壤中元素i 的地質(zhì)累積指數(shù)；Ci為樣品中元素i 的實(shí)測(cè)平均濃度；Bi 為元素i 的地球化學(xué)平均背景濃度，1.5為修正指數(shù)，通常用來(lái)表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其它影響，地質(zhì)累積指數(shù)可分為7 個(gè)級(jí)別，Igeo 與重金屬污染水平如表1 所示。 。地質(zhì)累積指數(shù)與污染程度分級(jí)The geoaccumulation index and the pollution degreeIgeo級(jí)別 污染程度0 01 0無(wú)污染無(wú)污染-中度污染12 1染23中度污染-強(qiáng)污染2中度污345 4 3 4強(qiáng)污染強(qiáng)污染-極強(qiáng)污染5 5染極強(qiáng)污表（三）由公式（1）計(jì)算

9、，得到生活區(qū)，工業(yè)區(qū)，山區(qū)，交通區(qū)，公園綠地區(qū)的土壤中As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn的地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）具體結(jié)果如表(四)所示,不同功能區(qū)土壤重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)Igeo表（四）從表（四）中我們可以了解到：在生活區(qū)，Cr，Ni的地質(zhì)累積指數(shù)小于0屬無(wú)污染范圍，其余均介于中度污染和無(wú)污染之間，其中Cu的地質(zhì)累積指數(shù)為0.92接近中度污染。在工業(yè)區(qū)，金屬元素Cu,Hg的地質(zhì)累積指數(shù)都大于1屬中度污染，Cd，Pb，Zn的地質(zhì)累積指數(shù)均大于0.5接近中度污染，其余都小于0.5接近無(wú)污染。在山區(qū)，除Zn的污染在無(wú)污染與中度污染外，其余元素的地質(zhì)累積指數(shù)全部小于0屬無(wú)污染的范圍。在主

10、干道路區(qū)，元素As，Cr，Ni都在無(wú)污染范圍內(nèi)，Cd，Hg，Pb，Zn的地質(zhì)累積指數(shù)都大于0小于1落在無(wú)污染與中度污染的范圍，只有Cu屬于中度污染。在公園綠地區(qū)，Cr，Ni，Pb，Zn落在無(wú)污染的范圍，其余均介于中度污染與無(wú)污染之間。這和我們?nèi)粘Ｋ私獾降那闆r基本一致。 問(wèn)題二的求解過(guò)程：我們可以縱向比較各金屬在不同區(qū)域的污染程度：總的來(lái)看，污染程度從高到底依次是工業(yè)區(qū)，主干道路區(qū)，生活區(qū)，公園綠地區(qū)，山區(qū)。具體的來(lái)說(shuō)金屬As的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)楣I(yè)區(qū)生活區(qū)公園綠地去主干道路區(qū)山區(qū)，Cd的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)楣I(yè)區(qū)主干道路區(qū)生活區(qū)公園綠地區(qū)山區(qū)，Cr的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)楣I(yè)區(qū)生

11、活區(qū)主干道路區(qū)公園綠地區(qū)山區(qū)，Cu的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)楣I(yè)區(qū)主干道路區(qū)生活區(qū)公園綠地區(qū)山區(qū)，Hg的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)楣I(yè)區(qū)主干道路區(qū)公園綠地區(qū)生活區(qū)山區(qū)，Ni的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)楣I(yè)區(qū)生活區(qū)主干道路區(qū)公園綠地區(qū)山區(qū)，Pb的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)楣I(yè)區(qū)主干道路區(qū)生活區(qū)公園綠地區(qū)山區(qū)，Zn的含量在各地區(qū)的分布順序?yàn)橹鞲傻缆穮^(qū)工業(yè)區(qū)生活區(qū)公園綠地區(qū)山區(qū)。 由以上分析可以知道，重金屬的污染主要來(lái)自于工業(yè)污染，工業(yè)企業(yè)是土壤污染的主要來(lái)源。這類(lèi)污染源是固定污染源。工業(yè)企業(yè)排放的污染物主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)產(chǎn)生環(huán)節(jié)。（1）燃料的燃燒：這是造成大氣污染最主要的來(lái)源。燃燒的目的主要是提供足夠的動(dòng)力。

12、目前我國(guó)主要的工業(yè)燃料是煤、其次是油。燃燒除可燃成分外。還含有各種含重金屬污染物的雜質(zhì)。如煤含有砷、鎘等元素的化合物。石油燃燒后也含有一定量金屬元素。（如釩，鉻，鎳等）。（2）生產(chǎn)過(guò)程中排出的污染物：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由原材料到成品，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可能有污染物排出。污染物的種類(lèi)與生產(chǎn)性質(zhì)和工藝過(guò)程有關(guān)。例如溫度計(jì)廠排出汞蒸氣，有色金屬冶煉廠包含大量的有色金屬如鉛，鋅，鎘，銅等，以及排出的汞蒸氣。儀器表制造廠在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的汞以及鉻酸。磷肥廠排出砷，煉油廠釋放鎳：鋼鐵廠冶煉產(chǎn)生的鎘，鉛等，鉻鹽制造過(guò)程所產(chǎn)生的鉻渣，鉻鹽企業(yè)主要從鉻鐵礦中提取金屬鉻和鉻類(lèi)化合物，生產(chǎn)過(guò)程中有大量的鉻渣產(chǎn)生。這些都對(duì)

13、周?chē)寥勒粘闪藝?yán)重的污染。其次是交通污染和生活垃圾污染：交通運(yùn)輸是一類(lèi)重要的土壤重金屬污染源,這類(lèi)污染源主要包括公路交通和鐵路交通。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放已成為大氣中Pb、Cu、Zn和Cd等重金屬含量升高的重要因素，公路交通是全球性的重要土壤重金屬污染源,進(jìn)入土壤的重金屬主要來(lái)自汽油、油箱材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和其他汽車(chē)部件、催化式排氣凈化器、輪胎、剎車(chē)片、路面材料例如含鉛汽油和無(wú)鉛汽油均含有一定量的鉛元素，剎車(chē)?yán)镆r含有大量的鉛，銅，鋅以及少量的鎘。橡膠輪胎含有大量的鋅和微量的鉛，銅，鎘。固體廢棄物對(duì)環(huán)境污染的主要特點(diǎn)是固體廢棄物受雨水、地面水或地下水的淋融、浸濾作用所產(chǎn)生的滲濾液對(duì)環(huán)境的污染。在生活垃圾中，塵

14、土的重金屬含量最高；塑料、報(bào)紙中Cd元素的含量高于其他垃圾成分中Cd元素的含量，報(bào)紙中Cu元素的含量高于其他垃圾成分中Cu元素的含量，電池的污染不可忽視，電池的種類(lèi)很多，他們的組成成分也各不相同。一般而言，電池中富含汞，鉛，銅，鉻，鎳等等，這些成分都是具有大小不等的毒性，尤其是其中的金屬對(duì)環(huán)境的污染尤為嚴(yán)重。電池被隨便丟棄后，里面的金屬進(jìn)入土壤中，有的流入到水源，有的被植物吸收。一旦這些金屬進(jìn)入食物鏈，由于金屬不易被動(dòng)植物排除，他會(huì)在動(dòng)植物身上沉積下來(lái)，影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致種種畸形。問(wèn)題三的求解過(guò)程土壤中重金屬的來(lái)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(guò)程所形成的土壤含

15、有重金屬量差異很大。此外，人類(lèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，也造成重金屬對(duì)大氣、水體和土壤的污染。大氣中重金屬沉降它們主要分布在工礦的周?chē)凸?、鐵路的兩側(cè)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(qiáng)度逐漸減弱；隨著時(shí)間的推移，公路、鐵路土壤重金屬污染具有很強(qiáng)的疊加性。此外經(jīng)過(guò)自然沉降和雨淋沉降進(jìn)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(kuò)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(yán)重。此外，還與城市的人口密度、城市土地利用率、機(jī)動(dòng)車(chē)密度成正相關(guān)；重工業(yè)越發(fā)達(dá)，污染相對(duì)就越嚴(yán)重。含有重金屬的污水灌溉，隨著污水灌溉而進(jìn)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(yán)重，遠(yuǎn)離污染源頭和城市工業(yè)區(qū)，土壤幾乎不污染。含重金屬?gòu)U棄物種類(lèi)繁多，不同種類(lèi)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(kuò)散，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。金屬礦山的開(kāi)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(jìn)入土壤，都可以間接或直接地造成土壤