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文檔簡介
1、土壤表層污染分析摘要隨著人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出,對城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證顯得尤為重要。本文在分析了所給采樣點數(shù)據(jù)的基礎上,建立不同模型,得出了該地區(qū)的重金屬污染程度、土壤污染的原因和污染源的位置。針對問題一,首先利用matlab程序繪制出該城區(qū)三維復原圖和各重金屬的污染濃度圖,對污染情況進行了粗略的分析。然后建立內(nèi)梅羅污染指數(shù)和地址累積指數(shù)兩種模型,對城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度進行了詳細的評價,并比較了兩種模型的不同和適用類型。針對問題二,建立相關系數(shù)和主成分分析法兩種模型,利用spss程序求得不同功能區(qū)各個重金屬之間的相關系數(shù)及對環(huán)境污染貢獻率較大的幾種重金屬,結(jié)合兩種
2、模型,聯(lián)系生活及化工實際,對各個功能區(qū)的污染原因進行了詳細的猜測和分析。針對問題三,建立了遍歷搜索模型。首先找出空間極大值,即可能的污染源。然后結(jié)合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準對污染源進行篩選,從而確定了各種重金屬元素的主要污染源。此外,本文還對分析了各個模型的優(yōu)缺點及適用情況,并給出了還需要收集于大氣污染、降水量、周圍工業(yè)污染源等資料,綜合考慮這些因素給出了新的建模及求解方法,并進行了模型的推廣。關鍵詞:內(nèi)梅羅污染指數(shù) 地址累積指數(shù) 遍歷搜索 主成分分析 相關系數(shù)一問題重述隨著城市經(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。對城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證,以及如何應用查證
3、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,日益成為人們關注的焦點。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)境進行調(diào)查。附錄1為采樣點的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)等信息,附錄2為8種主要重金屬元素在采樣點處的濃度,附錄3為8種主要重金屬元素的背景值?,F(xiàn)完成以下任務:(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) 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,建
4、立模型確定污染源的位置。(4) 分析所建立模型的優(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?二模型假設和符號說明2.1模型假設1. 不考慮該城區(qū)不同區(qū)域土質(zhì)的差別;2. 在查找污染源確切位置時,可以忽略濃度分布較小的地區(qū)的數(shù)據(jù);3. 近似認為不同重金屬造成的污染權重相同;4. 假設只考慮題設所給的8種重金屬,忽略其他;5. 重金屬的化合物之間發(fā)生的化學、生物及物理的反應忽略不記。2.2符號說明 第個監(jiān)測點第種污染物的單項污染指數(shù)第個監(jiān)測點第種污染物的實測濃度值第個監(jiān)測點第種污染物濃度背景的上限值內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合污染指數(shù)地質(zhì)累計指數(shù)地區(qū)處各
5、個重金屬的相關系數(shù)3 問題分析問題一要求給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布并評價污染程度。首先利用matlab程序繪制出城市三維復原圖,對各個城區(qū)進行不同的處理,并標注出各個取樣點的位置。再根據(jù)復原圖,結(jié)合城區(qū),繪制出各種重金屬的濃度空間分布圖。然后,運用單因子污染指數(shù)法與內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法結(jié)合和地質(zhì)累積指數(shù)法來評價。問題二通過主成分分析,題目要求說明重金屬污染的主要原因,利用相關系數(shù)分析和主成分分析兩種模型相結(jié)合的方法。若重金屬含量的相關系數(shù)比較大,說明他們的含量有顯著的相關性,他們有相同來源的可能性較大。并通過主成分分析,找出各個功能區(qū)中污染最重的若干種重金屬元素,忽略微量的重金屬
6、的影響,結(jié)合實際經(jīng)驗可得出污染原因。問題三要求確定污染源的位置,可以建立遍歷搜索模型。首先找出空間極大值,即可能的污染源。然后結(jié)合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準對污染源進行篩選,求出各種重金屬元素的主要污染源。對于問題四,由于地質(zhì)環(huán)境是一個涉及到地球巖石圈表層的巖石、土壤、大氣、水和生物的復雜系統(tǒng),因此可以收集不同子系統(tǒng)的資料,建立模型求解。4 模型的建立和求解4.1 問題一4.1.1問題分析(1)要求給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布,首先利用matlab程序繪制出城市三維復原圖,對各個城區(qū)進行不同的處理,并標注出各個取樣點的位置。再根據(jù)復原圖,結(jié)合城區(qū),利用matlab繪制出各種重金屬的濃度空
7、間分布圖。(2)要求分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度,可以運用單因子污染指數(shù)法與內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法結(jié)合和地質(zhì)累積指數(shù)法來評價。對于方法一,首先利用單項污染指數(shù)法求出某一監(jiān)測點各污染物的污染指數(shù), 然后由尼梅羅污染指數(shù)法得到該監(jiān)測點的內(nèi)梅羅污染指數(shù), 再綜合各監(jiān)測點的內(nèi)梅羅污染指數(shù)計算出該區(qū)域的污染指數(shù)。最后參照土壤環(huán)境質(zhì)量標準即可給出各區(qū)域的污染程度。對于地質(zhì)累積指數(shù),利用公式求出地質(zhì)累積指數(shù),再對比劃分標準得出個城區(qū)的污染程度。4.1.2模型的建立內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)內(nèi)梅羅指數(shù)法是當前國內(nèi)外進行綜合污染指數(shù)計算最常用的方法之一,是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。首先,
8、定義單項污染指數(shù)為: (4.1)其中,為第個監(jiān)測點第種污染物的污染指數(shù) 為第個監(jiān)測點第種污染物的實測濃度值 為第個監(jiān)測點第種污染物濃度背景的上限值 ,.其次,計算內(nèi)梅羅污染指數(shù),即 (4.2)其中,為內(nèi)梅羅污染指數(shù) 為最大單項污染指數(shù) 為單項污染指數(shù)平均值 然后,將區(qū)域內(nèi)各個監(jiān)測點的內(nèi)梅羅污染指數(shù)的平均值作為重金屬元素對該功能區(qū)的污染程度, 即 (4.3)最后,參照國家GB15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標準(如表1所示), 就能得到重金屬元素對各功能區(qū)的污染程度。表1 GB15618- 1995土壤環(huán)境質(zhì)量標準等級劃分內(nèi)梅羅污染指數(shù)污染程度1P<0.7安全(清潔)20.7<P&l
9、t;1警戒級(尚清潔)31<P<2輕度污染42<P<3中度污染5P>3重度污染地質(zhì)累積指數(shù)法評價重金屬的污染,除必須考慮人為污染因素、環(huán)境地質(zhì)化學背景值外,還應考慮到由于自然成巖作用可能引起背景值的變動因素。地質(zhì)累積指數(shù)法考慮到 了此因素,彌補了其他評價方法的不足。 地質(zhì)累積指數(shù)通常稱為 Muller指數(shù),廣泛應用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標,尤其用于研究現(xiàn)代沉積物中重金屬污染,其計算公式為 (4.4)其中,為地質(zhì)累積指數(shù) 為樣品中元素 n的實測值(mgkg) 為地球化學背景值 (mgkg) 1.5為修正指數(shù),是考慮到由于成巖作用可能會引起背景值的變動地
10、質(zhì)累積指數(shù)可以分為幾個級別,用來表示污染程度從無污染到極強污?,F(xiàn)選用較為主流和普遍的劃分方法如表2所示。表2.地質(zhì)累積指數(shù)的劃分方法等級劃分地質(zhì)累積指數(shù)污染程度1<0無污染201輕污染到中度污染312中度污染423中度污染到強度污染534強度污染645強度污染到極強污染7>5極強污染 最后,通過將地址累積指數(shù)值與表2 對比,即可得到各個功能區(qū)內(nèi)重金屬的污染程度。4.1.3 模型的求解 (1) 繪制重金屬元素的空間分布首先,利用matlab程序(源碼見附錄4)繪制出城市三維復原圖,對各個城區(qū)進行不同的處理,并標注出各個取樣點的位置,如圖1所示。圖一.城市三維復原圖由圖1可知,各功能區(qū)
11、采樣點地理位置與海拔有密切關系,因而在分析污染時應當考慮海拔因素。其次,地理位置分布比較集中的有山區(qū)工業(yè)區(qū),其次為公園綠地區(qū),而生活區(qū)相對分散; 交通區(qū)穿插于其余各區(qū)之間。利用matlab繪制出各種重金屬的濃度空間分布圖(源碼如附錄5所示) 圖2.As元素濃度分布圖由圖可知元素As主要集中在工業(yè)區(qū)和交通區(qū)這兩個區(qū)域。圖3.Cd元素濃度分布圖元素Cd主要集中在生活區(qū)、工業(yè)區(qū)及交通區(qū),且污染嚴重。圖4.Cr元素濃度分布圖 可見,元素Cr主要集中在生活區(qū)、交通區(qū)及工業(yè)區(qū)的周邊地區(qū)。圖5.Cu元素濃度分布圖Cu濃度較高的區(qū)域集中在工業(yè)區(qū)及其周邊,交通區(qū)也收到了工業(yè)區(qū)的影響。圖6.Hg元素濃度分布圖顯而
12、易見,元素Hg是所有重金屬中污染最大的,在工業(yè)區(qū)、道路區(qū)濃度都很大,可見工業(yè)區(qū)的重金屬排放尤為嚴重。圖7.Ni元素濃度分布圖元素Ni是這8種重金屬元素中污染最輕的,只是在工業(yè)區(qū)濃度稍微高。圖8.Pb元素濃度分布圖元素Pb也主要集中工業(yè)區(qū)周邊。圖9.Zn元素濃度分布圖元素Zn的污染區(qū)域主要集中在中西部,工業(yè)區(qū)、交通區(qū)尤為嚴重。(2)分析城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)借助Excel計算,利用(4.1)式得到單因子污染指數(shù). 通過分析,剔除編號8,20,21,142,251,109,182這些明顯錯誤的值,然后將剩下的值代入(4.2)式即可求得各個監(jiān)測點的內(nèi)梅羅污染指數(shù) ,再代入(
13、4.3)式求出污染指數(shù),對比表1得到各功能區(qū)重金屬元素對該功能區(qū)的污染程度,結(jié)果如表3所示。表3 重金屬污染內(nèi)梅羅指數(shù)及程度分級功能區(qū)內(nèi)梅羅污染指數(shù)污染等級生活區(qū)2.664 中度污染工業(yè)區(qū)5.095 重度污染山區(qū)1.123 輕度污染交通區(qū)4.955 重度污染公園綠地1.963 輕度污染 可以看出,污染的程度從重到輕分別是工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>生活區(qū)>公園綠化區(qū)>山區(qū)。地質(zhì)累積指數(shù)法 借助Excel程序,利用(4.4)式得出不同區(qū)域的重金屬地址累積指數(shù),對比表2得到污染結(jié)果如表4所示。表4.重金屬污染地質(zhì)累積指數(shù)及程度分級功能區(qū)污染指數(shù)重金屬As (g/g)Cd (ng/g)C
14、r (g/g)Cu (g/g)Hg (ng/g) Ni (g/g)Pb (g/g)Zn (g/g)生活區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)0.22 0.57 0.57 1.32 0.83 -0.01 0.57 1.19 污染等級22232123工業(yè)區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)0.43 1.01 0.20 2.69 3.61 0.10 1.00 1.43 污染等級23245223山區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)-0.42 -0.36 -0.26 -0.19 -0.36 -0.26 -0.35 -0.50 污染等級11111111交通區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)0.08 0.88 0.32 1.65 3.09 -0.07 0.45 1.23 污染等級222351
15、23公園綠地地質(zhì)累積指數(shù)0.2140590.524747-0.091710.6086521.131141-0.271060.384670.575568污染等級22123122 從橫向上來比較,污染的程度從重到輕分別是工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>生活區(qū)>公園綠化區(qū)>山區(qū)。這與經(jīng)采樣分析所得的數(shù)據(jù)是一致的。從縱向上來看,生活區(qū)中Ni元素沒有造成污染,而As、Cd、Cr、Hg、Pb這五種元素都達到輕度一中等污染,而Cu和zIl達到了中等污染。工業(yè)區(qū)中,As、Cr、Ni、Pb四種元素達到了輕度一中等污染,Cd、Zn達到了中等污染,Cu達到了中等一強污染,Hg元素造成了強污染。山區(qū)中,8種元
16、素都沒有造成污染。交通區(qū)中,Ni元素沒有造成污染,As、Cd、Cr、Pb四種元素造成了輕度一中等污染,Cu、Zn元素達到了中等污染,Hg元素造成了強污染。公園綠化區(qū)中,Cr、Ni元素沒有造成污染,As、Cd、Cu、Pb、Zn五種元素造成了輕度一中等污染,Hg元素造成了中等污染。對比以上兩種模型可知,污染程度高低排序相同,與繪制的濃度圖互相對應。各功能區(qū)污染指數(shù)基本相似,只有山區(qū)的污染指數(shù)相差稍大,這與取樣點有關。綜上可見,內(nèi)梅羅指數(shù)適合評價一個功能區(qū)內(nèi)所有重金屬的綜合污染,而地質(zhì)累積指數(shù)適合評價單個重金屬的污染。4.2問題二4.2.1問題分析題目要求說明重金屬污染的主要原因,利用相關系數(shù)分析,
17、若某兩種重金屬的含量的相關系數(shù)比較大,說明他們的含量有顯著的相關性,他們有相同來源的可能性較大,否則來源可能不止一個。并通過主成分分析,找出各個功能區(qū)中污染最重的若干種重金屬元素,忽略微量的重金屬的影響,使分析結(jié)果更具有普遍性,避免了偶然結(jié)果的影響。4.2.2模型的建立假設x,y代表兩種重金屬元素,則可以定義兩者的相關系數(shù)為:其中, 表示的協(xié)方差 表示的標準差 表示y的標準差代入數(shù)據(jù)即可求得地區(qū)處的相關系數(shù),利用SPSS可求得各個功能區(qū)任意兩個元素的相關性。4.2.3模型的求解由相關性系數(shù)模型得到地區(qū)處各個重金屬的相關系數(shù) (4.5) 其中,表示重金屬在地區(qū)處的取樣值 表示重金屬的平均值 表示
18、重金屬在地區(qū)處的取樣值 表示重金屬的平均值利用SPSS程序求得各個功能區(qū)任意兩種重金屬的相關性如下表所示。表5.生活區(qū)各種重金屬的相關性及主成分分析相關矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關As1.000.381.238.531.293.605.450-.017Cd.3811.000.349.499.397.283.802.346Cr.238.3491.000.376.150.527.416.412Cu.531.499.3761.000.198.434.502.238Hg.293.397.150.1981.000.211.340.242Ni.605.283.527.434.2111.000.
19、300.334Pb.450.802.416.502.340.3001.000.328Zn-.017.346.412.238.242.334.3281.000主成份123As.669-.646-.010Cd.784.171-.417Cr.643.234.493Cu.729-.246.024Hg.492.130-.437Ni.686-.253.523Pb.803.112-.348Zn.501.691.267 由表看出Cd、Cu、Pb重金屬兩兩相關,且相關性比較大,說明這幾種元素來自同一種污染源的概率較大。其中Pb與Cd的相關系數(shù)最大,達到了0801 82。表明這兩種元素所造成的污染及有可能是同一原
20、因造成的。其次是Ni和Cr,它們的相關系數(shù)為0527 05,說明Ni和Cr也有一定的聯(lián)系。 聯(lián)系生活實際,我們認為,生活區(qū)是人口密集區(qū)。人類所帶來的生活垃圾、煤燃燒產(chǎn)生的粉塵、煙塵、房屋的拆遷過程中許多毀損的家具設施以及建筑垃圾等對周邊環(huán)境會造成一定的污染。另外,生活區(qū)的交通流量非常大。交通工具中尾氣排放、行駛中所擊起的塵埃及汽車輪胎磨損產(chǎn)生大量的有害氣體,其中含有Pb、Zn,Cu等多種重金屬元素,這些重金屬元素隨揚塵進入周圍的土壤,也造成了生活區(qū)土壤重金屬污染。表6.工業(yè)區(qū)兩種重金屬的相關性及主成分分析相關矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關As1.000.329.380.153.181
21、.690.395.518Cd.3291.000.541.566.533.489.829.754Cr.380.5411.000.920.902.698.675.695Cu.153.566.9201.000.983.503.670.622Hg.181.533.902.9831.000.479.612.590Ni.690.489.698.503.4791.000.578.634Pb.395.829.675.670.612.5781.000.739Zn.518.754.695.622.590.634.7391.000成份12As.518.758Cd.786.074Cr.916-.206Cu.868-.
22、463Hg.845-.459Ni.767.421Pb.858.049Zn.859.188 可見工業(yè)區(qū)的污染程度相當高,其中Cr、Cu、Zn三種元素的相關系數(shù)較大。結(jié)合化學知識分析出工業(yè)區(qū)重金屬污染的主要原因是銅鋅礦的開采和冶煉電鍍、染料、電池和化學工業(yè)等排放的廢水和廢氣金屬加工、機械制造、鋼鐵生產(chǎn)、塑料、電池、電子等工業(yè)排放的廢水;汽車排出的含鉛廢氣、汽車輪胎磨損以及煤燃燒產(chǎn)生的粉塵、煙塵中均含有鋅及化合物。表7.山區(qū)兩種重金屬的相關性及主成分分析相關矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關As1.000-.291.113.527.075.078-.205-.176Cd-.2911.000.0
23、66.090.246.049.766.606Cr.113.0661.000.364-.006.945.107.627Cu.527.090.3641.000.505.358.122.252Hg.075.246-.006.5051.000-.045.226.170Ni.078.049.945.358-.0451.000.028.629Pb-.205.766.107.122.226.0281.000.590Zn-.176.606.627.252.170.629.5901.000成份12As.518.758Cd.786.074Cr.916-.206Cu.868-.463Hg.845-.459Ni.76
24、7.421Pb.858.049Zn.859.188 可見山區(qū)的Cr、Ni元素的相關系數(shù)較大,說明這里可能富含Cr和Ni的礦藏,從而造成了些許污染。表8.交通區(qū)兩種重金屬的相關性及主成分分析相關矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關As1.000.121.139.092-.004.228.060.188Cd.1211.000.373.424.211.351.615.294Cr.139.3731.000.894.012.869.428.395Cu.092.424.8941.000.032.886.506.432Hg-.004.211.012.0321.000.040.266.118Ni.228.
25、351.869.886.0401.000.396.503Pb.060.615.428.506.266.3961.000.482Zn.188.294.395.432.118.503.4821.000成份12As.235-.131Cd.621.458Cr.874-.319Cu.906-.250Hg.170.743Ni.888-.320Pb.703.477Zn.643.115 可見Ni,Cr,Cu,Pb相關系數(shù)較大,同時觀察交通區(qū)的分布圖可知其與工業(yè)區(qū)、生活區(qū)緊密相連,可以猜想,運輸工業(yè)廢料及生活垃圾時產(chǎn)生的揚塵也是該區(qū)域遭到污染的主要原因之一。表9.公園綠地兩種重金屬的相關性及主成分分析相關矩陣A
26、sCdCrCuHgNiPbZn相關As1.000.358.689.107.176.691.265.285Cd.3581.000.564.500.054.433.598.712Cr.689.5641.000.357.023.739.397.509Cu.107.500.3571.000.136.267.756.521Hg.176.054.023.1361.000-.048.389.063Ni.691.433.739.267-.0481.000.168.298Pb.265.598.397.756.389.1681.000.748Zn.285.712.509.521.063.298.7481.000成
27、份123As.636-.569.349Cd.811.103-.232Cr.809-.426-.003Cu.679.457-.151Hg.203.354.889Ni.663-.622.012Pb.782.544.097Zn.798.286-.242可見Cr,Pb,Zn元素的相關系數(shù)較大,同時公園綠化區(qū)與工業(yè)區(qū)和生活區(qū)相鄰由此可見該區(qū)受工業(yè)區(qū)的影響相當大,極有可能是工業(yè)廢水(氣)排放不當、生活垃圾的隨意堆放造成的污染。其次,公園綠化區(qū)的落葉、凋落花果的腐爛及的活動也有一定的影響。4.3問題三4.3.1問題分析由問題一的分析我們得知重金屬的分布是連續(xù)的,同時我們還可以知道物質(zhì)的擴散是從高濃度向低濃度
28、進行的,在擴散模型中某區(qū)域濃度最高的點可能就是擴散源,所以重金屬空間分布中的極值點就可能是重金屬的傳播模型中污染源。因此問題三的求解就轉(zhuǎn)化為在模型一所擬合出的重金屬空間分布曲面上搜索極值的問題。搜索極值的現(xiàn)代算法有模擬退火,遺傳算法,魚群算法等多種??紤]的模型中所搜索的域有限,且目標解數(shù)目不確定,遍歷搜索是較好的方法。得出極值點后再結(jié)合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準篩選出污染源。4.3.2模型的建立依據(jù)問題一得出的各重金屬元素在該城區(qū)的空間分布,得到濃度分布矩陣Z(Z是100×100的矩陣),進而結(jié)合MATLAB軟件建立搜索模型。Z是100×100的矩陣,借鑒元胞的思想建立一個100
29、×100規(guī)模的二維網(wǎng)格,將元素濃度分布矩陣對應放入,其中每一個元素占據(jù)其中一個格子。根據(jù)問題分析可知:污染源存在于二維網(wǎng)格中的某些格子中。并且污染源所在格子元素濃度大于周圍格子的元素濃度。二維元胞自動機(規(guī)則四方網(wǎng)格劃分)的鄰居通常有以幾種形式如圖2所示:黑色元胞為中心元胞,灰色元胞為該元胞的鄰居。 圖10.元胞鄰居模型分析三種鄰居模型發(fā)現(xiàn)第二種模型最適合。第二種鄰居模型中污染源存在的格子應滿足:對于與外界不相鄰的格子 為了簡化模型在此不予考慮邊界和頂角,即認為對于邊界和頂角處不存在污染源。通過搜索模型可以求出重金屬空間分布中的極值點即可能的污染源,再結(jié)合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準(如表1
30、0所示),通過MATLAB軟件對極值點進行篩選出,求出重金屬的主要污染源。表10:國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準級別一級1520090351504035100二級2530030010050050300250三級30100040040015002005005004.3.3模型的求解(1) 根據(jù)問題一中得出的元素在城區(qū)的空間分布得到濃度分布矩陣Z,結(jié)合matlab軟件建立搜索模型進行搜索得出該元素在空間分布極大值61個。用同樣方法得出其他7種重金屬在空間分布極大值個數(shù)如表11所示.表11.八種金屬元素空間分布極大值個數(shù)元素 個數(shù)6160576263605358(2) 運用函數(shù)畫出各重金屬元素空間分布極大值點
31、的散點圖使數(shù)據(jù)可視化。得到各種重金屬元素空間分布極大值點的散點圖如下:圖11:砷、鎘、鉻、銅的空間分布極大值散點圖圖12:汞、鎳、鉛、鋅的空間分布極大值散點圖(3)結(jié)合國家土壤環(huán)境三個等級的質(zhì)量標準通過MATLAB軟件對極值點進行分級篩選:首先用國家土壤環(huán)境一級質(zhì)量標準進行篩選,得出篩選結(jié)果,再用國家土壤環(huán)境二級質(zhì)量標準對一級指標得出的點進行篩選,依次類推,最終得到篩選結(jié)果如表12所示。表12.不同國標等級下的極大值個數(shù)元素AsCdCrCuHgNiPbZn一級個數(shù)65713453965357二級個數(shù)152320173325三級個數(shù)11125110118從篩選的結(jié)果中選出適當?shù)狞c作為重金屬的主要
32、污染源,所選點個數(shù)和點和坐標如下列各表:表13.重金屬主要污染源個數(shù)元素AsCdCrCuHgNiPbZn個數(shù)61135116318表14:砷污染源二維坐標及其濃度值As (g/g)15.06123.64116.12123.17530.03218.971X/m1890012900720045001830027600Y/m22003200740078001020012200表15.鎘污染源二維坐標及其濃度值Cd (ng/g)1068.81458.61401.91321.91121.41054.9X/m45002400240017700177005100Y/m26003400360040004200
33、5200Cd (ng/g)1054.91264.410241267.81263.81578.6X/m5100360060004800480021600Y/m520060008600112001140011600表16.鉻污染源二維坐標及其濃度值Cr (g/g)747.81304.81976.76X/m4800108003600Y/m480056006000表17.銅污染源二維坐標及其濃度值Cu (g/g)2759.42609.82622.32565.21391.9X/m24002700240027003600Y/m36003600380038006000表18.汞污染源二維坐標及其濃度值Hg
34、(ng/g)163851448715460154271839233313434134111143216921723X/m3000138002700270072003300153001530015600225008700Y/m2600260034003600740082009200940094001060012200表19.鎳污染源二維坐標及其濃度值Ni (g/g)146.0870.58769.355X/m36002220027600Y/m60001220012200表20.鉛污染源二維坐標及其濃度值Pb (g/g)527.92485.07354.06X/m210051003600Y/m3400
35、520010600表21.鋅污染源二維坐標及其濃度值Zn (g/g)1485.6550.91631.514571749.23092.12801.41965.31961.9X/m45008100129001290024009600960036003600Y/m260032003200340036004600480058006000Zn (g/g)1111.91064.753205859526553793664.52985.5552.1X/m540054001290081006000960013800138006000Y/m7200740078008400860086009800100001100
36、04.3.4模型可行性分析通過對整個城區(qū)里八種重金屬元素的相關性分析,可以推出其中有些元素可能具有相同的污染源,這樣可以驗證問題三的模型是否可行。這里通過spss軟件得到其相關性矩陣:相關矩陣相關As1.0000.2550.1890.1600.0640.3170.2900.247Cd0.2551.0000.3520.3970.2650.3290.6600.431Cr0.1890.3521.0000.5320.1030.7160.3830.424Cu0.1600.3970.5321.0000.4170.4950.5200.387Hg0.0640.2650.1030.4171.0000.1030.
37、2980.196Ni0.3170.3290.7160.4950.1031.0000.3070.436Pb0.2900.6600.3830.5200.2980.3071.0000.494Zn0.2470.4310.4240.3870.1960.4360.4941.000 由相關矩陣可知與相關性系數(shù)為0.716,與的相關性系數(shù)為0.66,理論上可以判為有同一污染源。在問題三的求解結(jié)果中的一個污染點(3600,6000)與的一個污染點(3600,6000)相同,的一個污染點(5100,5200)與的一個污染點(5100,5200)相同,符合相關性的判斷規(guī)律,這證明了模型的可行性與可靠性。4.4.問題
38、四4.4.1模型優(yōu)缺點分析(1)問題一模型 內(nèi)梅羅指數(shù)污染指數(shù)內(nèi)梅羅指數(shù)污染指數(shù)不僅考慮到各種影響參數(shù)的平均污染狀況,而且特別強調(diào)了污染最嚴重的因子,同時在加權過程中避免了權系數(shù)中主觀因素的影響,克服了平均值法各種污染物分擔的缺陷,用來表征環(huán)境質(zhì)量指數(shù)更加科學。地質(zhì)累積指數(shù)法評價重金屬的污染,除必須考慮人為污染因素、環(huán)境地質(zhì)化學背景值外,還應考慮到由于自然成巖作用可能引起背景值的變動因素。地質(zhì)累積指數(shù)法考慮到 了此因素,彌補了其他評價方法的不足。模型比較以上兩種模型得出的污染指數(shù)基本相似,內(nèi)梅羅指數(shù)適合評價一個功能區(qū)內(nèi)所有重金屬的綜合污染,而地質(zhì)累積指數(shù)適合評價單個重金屬的污染。但是兩個模型都
39、忽略了不同元素對人及環(huán)境影響的不同權重值,有稍許不合理之處。(2) 問題二模型主成分分析通過主成分分析,找出各個功能區(qū)中污染最重的若干種重金屬元素,忽略微量的重金屬的影響,使分析結(jié)果更具有普遍性,避免了偶然結(jié)果的影響。相關性分析利用相關性分析及主成分分析方法,計算出相關系數(shù)比較大的兩種元素,進而說明他們的含量有顯著的相關性,分析他們的共同來源。(3) 問題三模型遍歷搜索模型該模型能夠有效且快速的找出空間極大值,即可能的污染源。其次,該模型可以根據(jù)篩選標準的高低,方便的區(qū)分不同污染源的污染程度的高低,有利于相關人員根據(jù)污染程度的高低采取不同的治理措施。但在研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式時,僅對城市海拔進行了分析,忽略了其他巖石、大氣等因素的影響。4.4.2其他因素地質(zhì)環(huán)境是一個涉及到地球巖石圈表層的巖石、土壤、大氣、水和生物的復雜系統(tǒng),所以為了更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式,還應收集的資料有:1.該地區(qū)的每年生活、工業(yè)等重要污染源的垃圾排放量。2.降雨量以及地下水含量。隨著時間的推移,已進入土壤中的重金屬污染物在氣流或者水流作用下產(chǎn)生空間位置上的轉(zhuǎn)移,致使不同土層中污染物的濃度發(fā)生變化。通過降雨量以及地下水含量推算每個采樣點對應土壤含水率。3.城區(qū)的空氣污染等。有了以上信息和數(shù)據(jù),可以進一步通過高斯煙雨擴散模型,水體傳播模型等方法求解。5 模型的推廣 該問題的
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