城市土壤重金属污染程度分析.

本文针对城市表层土壤重金属污染问题，对8种主要金属元素在城区的空间分布、土壤受污染主要原因、传播特征以及今后如何更好地研究地质演变等问题分别建立了模型，并对模型进行分析求解。对于问题⑴，通过对数据的分析，利用网格曲面插值法，分别拟合出8种重金属元素空间分布图。我们利用地质累积指数和内梅罗指数多因子环境分析法对该地区的表层土壤8种重金属污染进行综合评价，并根据等级评价标准得到综合污染等级估计。在问题⑵中，通过对问题⑴的分析，利用地质累积指数单因子环境分析法，分析了该城区不同功能区不同重金属元素对土壤污染的原因：Cu、Hg、Zn等元素主要来源于工业活动和交通污染，Cr元素主要来自于交通，Ni和As这2种元素污染不明显，可能主要来自于自然因素。在问题⑶中，根据各种重金属元素在不同类区的空间分布，及重金属污染的主要原因，得出重金属的污染源为金属浓度峰值点，分析出重金属污染物的传播特征，从而得出以高斯烟羽模型为理论基础的扩散模型：以此作为污染源的检验标准。我们利用求取曲面极值的思想，通过线型辐射搜索法捕捉浓度峰值点和“米”字判断法合理提取峰值所在区域的样本点，利用浓度扩散模型对样本点进行威尔科克秩和检验，根据其显著程度判断出浓度峰值点区域是否为重金属污染源，例如文中确定出了Cu的三个污染源，地理坐标分别为（3258.3,5915.5,3.86）,（10637,8022.9,54.481（5941.6,4917.3,16.459）。在问题⑷中，就如何更好地研究城市地质环境的演变模式，我们考虑了一系列的影响因素，如收集城市降雨量和生活、工业区等重污染源的垃圾排放量、人口密度的变化、该城市产业结构的组成等指标。)])(21exp())(21[exp()21exp(2,,,222222zzyzyHzHzyuQHzyxX）（一问题分析问题一：griddata内梅罗综合评价法问题二：单因子分析主成分相关性分析建模思路问题三：高斯烟雨模型“田、米”搜索问题四：多因素分析二模型建立三模型求解：污染源的确定四模型检验：针对二的相关性分析1假设测量方法科学，测量数据均真实可靠；2假设各污染元素的产生和传播是相互独立的；3峰值不在区域边缘处，取样点得数据能较好反映该地区的浓度污染；4污染物的扩散符合扩散定律；采用基于地质统计学的空间变异理论分析该城市土壤表层空间变异的结构特征，同时基于地质统计学的插值法，运用matlab中的griddata插值，以Delaunay三角剖分理论为基础，然后进行线性插值，将重金属元素的空间分布网格化，从而完成曲面的光滑过渡，绘制出城市土壤表层的重金属含量平面等值线面，以便直观地分析该市土壤表层重金属污染的空间分布特征。问题一Griddata插值法示意图散点图网格化分布图方案一：单项污染指数法单项污染指数法，利用实测数据和标准对比分类，其计算公式为:（1）其中代表土壤污染物i的实测值，为土壤污染物i的背景值，可以对每项污染物的污染状况进行评价。iiiSCpiCiSip步骤一：方案二：地质累积指数地质累积指数主要用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标，不仅考虑了沉积成岩作用等自然地质过程造成的背景值的影响，同时充分注意了人为活动对重金属污染的影响。因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。其表达公式如下：（2）式中表示第i个样品中元素j的地质累积指数；表示第i个样品中元素j的浓度；表示j的背景浓度；1.5为修正指数，通常用来表示沉积特征、岩石地质及其他影响。由于会出现小于0的情况，在内梅罗指数法中会得到较大的综合污染指数，因此我们将小于0的都定义为0，这样既避免了使综合指数偏离实际值，又能使误差保持在一定的允许范围中。jij5.1logIBECijijIijCjBE对内梅罗指数进行改进，将单因子指数换成地质累积指数，得到新的综合指数，采用新的内梅罗综合污染指数法，其计算公式为：（3）式中表示第i个样品的综合污染指数，表示第j种污染物的综合污染指数，表示地质累积指数算数平均值，表示地质累积指数最大值。下表1为各样品及污染物的综合污染指数：2IIp2IIp2aveij2maxijj2aveij2maxiji；ipjpaveImaxI功能区代号综合AsCdCrCuHgNiPbZn生活区2.84890.79091.75262.83872.66762.43950.59472.38533.4307工业区4.52281.45971.85911.86095.04525.77060.84972.34042.8851山区1.26240.72650.75511.34571.27791.40031.42020.9150.8141交通区4.68111.75862.22383.05064.3915.86832.08661.42453.7091公园绿地区2.6430.81081.72120.74572.05033.33910.46721.63892.6626新的综合指数法是在地质累积指数的基础上进行了内梅罗指数的计算，因此对地质累积指数的分级标准加以调整，适用于新的评价分级。地质累积指数可分为级别，将其分为6个级别，0-6级表示污染程度由无到极强，最高一级的元素含量可能是背景值的几百倍，本分级评价标准在地质累积指数分级标准的基础上进行了调整（表2）。结合表1我们得到不同功能区的重金属污染程度评价（表3）。综合指数污染程度分级判断依据等级意义p≤00级无污染0＜p≤11级轻污染1＜p≤22级轻污染至中污染2＜p≤33级中污染3＜p≤44级中污染至强污染4＜p≤55级强污染5＜p6级极强污染功能区综合评价AsCdCrCuHgNiPbZn生活区312333134工业区522266133山区211222211交通区523456324绿地区312134123表2:综合指数污染程度分级表3：不同功能区的重金属污染程度由表3可知，该城区各区的综合污染评价中，工业区和交通区的污染程度达强污染，生活区和公园绿地区达中污染，山区达轻污染。其中在工业区中，以Cu和Hg两元素的污染程度达极强污染；在交通区中，Cr，Cu，Hg，Zn元素污染都较严重，均达到强污染；在生活区中，除As和Ni污染少外，其余元素都有较轻的污染；公园绿色地区，污染集中在Cu，Hg，Zn三元素中；在山区中，污染都较轻。结合各元素在各功能区的平均值和表3的综合评价表，通过对这五个功能区的不同海拔高度的八种金属元素浓度的含量进行分析：该元素在城区分布均匀，各个功能区都有较轻的污染，且变异系数较小，可推断As污染主要原因为地质原因，来自土壤母质。主要污染来自于交通区，推断汽车等交通工具的使用排放的尾气是Cd元素污染的主要原因。污染主要来自于工业区的交通区，污染等级都高达6级，说明Hg是由人为生产造成的。石油中含有相当量的Hg,燃烧时,部分悬浮颗粒和挥发金属随烟尘进入大气,沉降在距排放源附近，对工业，冶炼等企业周围的大气和土壤造成了很大的污染。主要分布在了工业、交通、生活区附近，呈条带状分布,因距离交通路线、城市中心的远近而有明显的差异。问题二污染主要来自于交通区和生活区，源于石油和煤的燃烧，排出大量含Cr的化合物。污染以生活区和交通区为主，生活中大量含锌电池、电子产品的使用和垃圾处理场都产生大量的Zn；交通区中机动车轮胎中含有添加剂Zn,经磨损产生的含Zn粉尘是城市土壤中Zn的主要来源。污染主要来自于工业区，说明Cu的主要污染来源是工厂，可能由于铜锌矿的开采和冶炼、金属加工、机械制造、钢铁生产等。元素总体污染程度不高，只有交通区达到了3级中污染，可以推断出，Ni元素是由于交通运输中产生的粉尘对当地土壤产生一定影响。问题三（1）污染物的浓度在y、z轴上的分布是高斯分布（正态分布）的；（2）污染源的源强是连续且均匀的，初始时刻云团内部的浓度、温度呈均匀分布；(3)在水平方向，重金属扩散系数呈各向同性；(4)地面对扩散的重金属不起全反射作用，不发生完全吸收或吸附作用；(5)整个过程中，重金属不发生沉降、分解，不发生任何化学反应等。推导得最终模型公式：)])(21exp())(21[exp()21exp(2,,,222222zzyzyHzHzyuQHzyxX）（“米”字搜索法基于线型辐向搜索法，通过辐射中心向上，下，左，右，上左，下左，上右，下右为搜索途径，进行目标搜索。“米”字搜索Pb污染源分布借鉴统计学知识中的时间序列分析知识，将该城市的降雨量c和生活、工业区等重污染源的垃圾排放量m、人口密度的变化率p及该城市产业结构的组成综合评价指标s作为影响土壤重金属元素浓度的外部因素。在问题三模型的基础上，我们得到以下式子：注释：其中：X(x,y,z)为地理坐标(x,y,z)处的重金属浓度。Q为源强（即最大污染浓度），u为影响重金属扩散的参数，为水平扩散参数，为垂直扩散参数，H为污染源有效的海拔；y为横向距离，z为垂直方向距离。))],(exp())(21exp())(21[exp()],(()21exp[(2,,,222222spgHzHzcmfyuQHzyxXzzyzy）（yz