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(wèn)題。模型建立過(guò)程中，考慮到重金屬粒子比重較大的問(wèn)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(duì)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(duì)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(guò)分強(qiáng)調(diào)采樣較密的局部區(qū)域而相對(duì)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(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)的嚴(yán)格計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)每種重金

2、屬濃度的對(duì)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(gè)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(duì)數(shù)與對(duì)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(duì)數(shù)坐標(biāo)重點(diǎn)分析法 主要因素次要因素一問(wèn)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(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)。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(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)用專門儀器測(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。本文需要解決的問(wèn)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(shuō) 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(bào)告，提出具體的建議。二問(wèn)題的分析隨著我國(guó)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(guò)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(guò)淋洗和徑流等作 用污染地表水和地下水，對(duì)水環(huán)境造成潛在危害。因此，近年來(lái)城市土壤重金屬污染 已成為一個(gè)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(guó) 地質(zhì)科學(xué)分析得出城市土壤重金屬的主要來(lái)源，認(rèn)識(shí)到城市土壤中的重金屬一部 分來(lái)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(lái)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(gè)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(gè)重要來(lái)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(duì)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(shí)公園與花園綠化過(guò)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(lái)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(lái)源城市垃圾堆放場(chǎng)和填埋場(chǎng)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(lái)

7、源知道了城市土壤重金屬的主要來(lái)源，然后按功能區(qū)進(jìn)行分類處理，對(duì)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(huà)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(lái)看，我們可以按以下流程圖來(lái)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(guò)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(guò)程中

8、會(huì)做出詳細(xì)解析。三模型的假設(shè)1、 模型建立過(guò)程中，考慮到重金屬粒子比重較大的問(wèn)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(duì)重金屬分布的影響甚微。4、不考慮生物降解、氣象等因素對(duì)重金屬污染傳播速度的影響。四符號(hào)的說(shuō)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(wèn)題一的求解：分析問(wèn)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(huà)出各 元素濃度與坐標(biāo)的三維圖。 因?yàn)楹０螌?duì)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(duì)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(guó)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(shí)，畫(huà)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(gè)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(duì)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(gè)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(lái)說(shuō)，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(duì)較輕。5.2問(wèn)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?yàn)?，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(wèn)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?yàn)槌鞘惺侨丝诘闹饕奂瘏^(qū)，同時(shí)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(duì)城市土壤環(huán)境造成了污染。同時(shí)，這些堆放的廢棄物在雨水的淋洗下會(huì)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(duì)地下水的危 害。5.3問(wèn)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(duì)某第 該重金屬的濃度影響 并不顯著。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果某地為污染源，那么該地的重金屬離子濃度會(huì)非常高；如 果某地并非污染源，則該地不會(huì)顯著受到某污染源重金屬污染物擴(kuò)散的影響

14、。經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)數(shù)值分布呈現(xiàn)正 態(tài)分布的特征。我們?cè)O(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(jì)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(duì)數(shù)的關(guān)系圖5.4問(wèn)題四的求解：（3）問(wèn)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(duì)數(shù)值與正態(tài)分布 擬合非常好，除此之外該模型簡(jiǎn)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(duì)采樣數(shù)據(jù)依賴度過(guò)高，當(dāng)采樣 數(shù)據(jù)較少時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)果誤差過(guò)大的問(wèn)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(shí)間內(nèi)我們可以忽略遠(yuǎn)距離傳播所帶來(lái)的重金屬污染，但從長(zhǎng)期來(lái)看，我們便不能忽略重金屬粒子遠(yuǎn)距離傳播所帶來(lái)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(shí)間該地區(qū)的各功能區(qū)的發(fā)展情況。同時(shí)，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(huì)對(duì)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(wèn)題。六模型的評(píng)價(jià)與推廣1、本文經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的分析計(jì)算挖掘采樣數(shù)據(jù)背后隱藏的數(shù)學(xué)