城市表層土壤重金屬污染分析

城市表層土壤重金屬污染分析11組魏喜策（10-421）周坤（10-421）龔巨桐（10-411）題目：城市表層土壤重金屬污染分析隨著城市經(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(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。按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)(1類)、工業(yè)區(qū)(2類區(qū))、山區(qū)（3類區(qū)）、主干道路區(qū)（4類區(qū)）及公園綠地區(qū)（5類區(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。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個采樣點對表層土（0~10厘米深度）進行取樣、編號，并用GPS記錄采樣點的位置。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。附件1列出了采樣點的位置、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處的濃度，附件3列出了8種主要重金屬元素的背景值。需要解決的問題：(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)通過數(shù)據(jù)分析，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，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，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題？由題目可以得出那些信息？（1）、采樣點的坐標、海拔高度以及所屬的功能區(qū)。（2）、采樣點處各種重金屬的濃度（注意單位）。（3）、各種元素的背景值（平均值，標準偏差，范圍）。題目的基本假設(shè)？1、各個采樣點屬于單一功能區(qū)，而且數(shù)據(jù)準確。2、各區(qū)域土壤中重金屬的背景值相同。3、現(xiàn)有重金屬的檢測只是常年累積的結(jié)果。4、污染源的位置在最高濃度的附近。5、當前檢測濃度值大于背景值的上限時，即認為被污染。1、問題一：首先觀察各采樣點的分布情況，用Matlab作圖得出，各采樣點的分布是散亂狀態(tài)的，因此應(yīng)采用散亂數(shù)據(jù)的差值。1.1數(shù)據(jù)差值Shepard插值法，其基本思想是：某一點的函數(shù)值受周圍各點的影響，較近的點影響大，較遠的點影響小，其影響權(quán)數(shù)與距離的平方成反比，又稱距離平方反比率，具體做法如下：記采樣點為，其高度值為其中為采樣點數(shù)，地形高度函數(shù)為，則對任一點，其高度為

其中

為點與點之間的距離。通過Shepard插值法對采樣點的數(shù)據(jù)進行差值，得出擬合后的該地區(qū)等高線圖。將采樣點處的高度值改為某一重金屬元素的濃度值，再用同樣的方法進行差值就可以得到該重金屬元素的濃度分布圖（顏色由藍到紅，由淺到深表明污染物濃度的升高），下面以Hg元素為例，對其分布進行分析，結(jié)果如下：東部沒有污染，中部以及中南部存在污染，西部污染相對嚴重，分布相對集中。（程序演示）1.1.2金屬元素空間分布分析：As東部無污染，中西部污染峰值比較集中Cd東部無污染，中西部污染分布較廣，到污染程度較輕Cr西部污染程度較重，而且很集中，超標地區(qū)分布廣，但是污染程度較低Cu東部和中部無污染，西部污染分布集中，污染程度較大Hg東部沒有污染，中部以及中南部存在污染，西部污染相對嚴重，分布相對集中Ni西南部污染較嚴重，污染分布較廣，但是污染程度較輕Pb東部中部無污染，污染集中在西部，污染較嚴重Zn東部無污染，中部西部的個別地區(qū)存在污染，程度較輕1.2、不同地區(qū)重金屬污染程度評價1.2.1、評價標準的確定由于題目給出的各重金屬的背景值為統(tǒng)計結(jié)果，考慮到背景值可以認為是自然狀態(tài)下土壤重金屬的自然含量，只要目前監(jiān)測的結(jié)果超出背景值的范圍即認為受到污染，標準由附件三給出。以表為單一標準對各區(qū)域進行污染分析分析元素AsCdCrCu標準限值1.8—5.40.07—0.1913—49.06.0—20.4元素HgNiPbZn標準限值0.019—0.0154.7—19.919—43.042—97.01.2.2、單因子評價法考慮到背景濃度為一個區(qū)間，因此采用類似于pH的評價公式，表達式為：其中為第種污染物的實際檢測濃度為第種污染物的背景上限值為第種污染物的背景下限值為第種污染物的污染指數(shù)，如

，則觀測值滿足評價標準，不超標；否則，超標，超標倍數(shù)為為反應(yīng)某地區(qū)污染物的超標范圍，定義超標率，公式如下:其中為該區(qū)域檢測結(jié)果超標的點位個數(shù)

為區(qū)域中所設(shè)的檢測點的總數(shù)通過計算得出各個區(qū)域各種元素的指標情況,如下表：以生活區(qū)為例采樣點數(shù)為個44個元素超標率%超標倍數(shù)平均值最大超標倍數(shù)As68.180.53221.6806Cd72.731.33527.1208Cr45.451.601519.3183Cu77.272.688615.8646Hg56.822.865115.5938Ni27.270.35750.8487Pb59.092.10517.8950Zn61.364.33449.9371.2.3、對單因子結(jié)果的分析從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，該城區(qū)各不同功能區(qū)中8重金屬元素均有超標現(xiàn)象，說明該區(qū)域已經(jīng)不同程度的受到人類活動的影響。對生活區(qū)的各類污染物污染程度分析：生活區(qū)中超標率最高的是Cu，Cd，As，Zn，其中，最大超標污染物為Zn，Cr，超出背景值標準49.94和19.31。對工業(yè)區(qū)的各類污染物污染程度分析：各金屬超標都很嚴重，尤其是Cu，Cd，Pb，Hg，Zn，最大超標污染物為Hg，Cu，分別超出背景值的420.8和174.17倍。對山區(qū)：所有金屬的超標率均在20%左右，土壤環(huán)境質(zhì)量相對較好。對主干道區(qū)：除Cd，Ni外，其余超標均很嚴重，主要超標污染物為Cu，Cd，Zn，最大超標污染物為Hg，Cu，分別超出背景值的498.41和93.36倍。公園綠地區(qū)：超標情況也不樂觀，主要超標污染物為As，Cu，Hg，Cd，Zn，最大超標污染物為Hg，Zn，分別超出背景值的40.26和23.08倍。1.2.4、不同區(qū)域污染程度綜合評價

1)、評價方法：對每一個功能區(qū)，采取內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，公式如下：其中為綜合污染指數(shù)（綜合反映各污染物對土壤的綜合作用）為所有單項污染指數(shù)的平均值為土壤環(huán)境中個單項污染指數(shù)的最大值。2）、污染指數(shù)的分級污染等級污染程度污染描述Ⅰ

<=0.7安全清潔Ⅱ

0.7<<=1.0警戒線尚清潔Ⅲ

1.0<<=2.輕污染超標Ⅳ

2.0<<=3.0中污染土壤受中度污染Ⅴ

>=3.0重污染土壤受重度污染評價結(jié)果功能區(qū)1類區(qū)2類區(qū)3類區(qū)4類區(qū)5類區(qū)平均指數(shù)值1.4