2011对土壤中重金属的分析

城市表层土壤重金属污染分析陈文豪084413101李明明131413104张志坤0924131561城市表层土壤重金属污染分析摘要随着城市经济的快速发展和城市人口的不断增加，人类活动对城市环境质量的影响日显突出。对城市土壤地质环境异常的查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价，研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式，日益成为人们关注的焦点。针对问题一，根据附件一中给出8种主要重金属元素在该城区的空间分布，运用MATLAB软件分别描绘8种重金属元素空间分布图。分析出该城区不同区域重金属的污染程度，将城区土壤样品重金属含量平均值与表层土壤元素背景值对比，建立尼梅罗综合指数模型，用Excel求解得出受污染程度的大小。针对问题二，为了找出重金属污染的主要原因，根据问题一的求解结果，分析出了8种重金属对不同功能区的污染情况，并结合不同功能区重金属间的相关性和对重金属来源的认识，得出了重金属污染的主要原因。针对问题三，为了确污染源的位置，建立了高斯扩散模型，先筛选出重金属浓度比其他地区高很多的一个点，再把这组数据写入程序，可以得到污染源的具体位置，则真实污染源位置就在该点周围，再对照附件一找到相近的污染源位置，为（7776,10613,9,2）。针对问题四，在问题三的基础上，对模型三进行了改进，运用重金属在气体中和在土壤中扩散模型来研究城市地质环境的演变模式。关键词：内梅罗综合指数法高斯扩散模型MATLAB程序2一．问题重述随着城市经济的快速发展和城市人口的不断增加，人类活动对城市环境质量的影响日显突出。对城市土壤地质环境异常的查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价，研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式，日益成为人们关注的焦点。按照功能划分，城区一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，分别记为1类区、2类区、……、5类区，不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。现对某城市城区土壤地质环境进行调查。为此，将所考察的城区划分为间距1公里左右的网格子区域，按照每平方公里1个采样点对表层土（0~10厘米深度）进行取样、编号，并用GPS记录采样点的位置。应用专门仪器测试分析，获得了每个样本所含的多种化学元素的浓度数据。另一方面，按照2公里的间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样，将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。附件1列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息，附件2列出了8种主要重金属元素在采样点处的浓度，附件3列出了8种主要重金属元素的背景值。现要求你们通过数学建模来完成以下任务：(1)给出8种主要重金属元素在该城区的空间分布，并分析该城区内不同区域重金属的污染程度。(2)通过数据分析，说明重金属污染的主要原因。(3)分析重金属污染物的传播特征，由此建立模型，确定污染源的位置。(4)分析你所建立模型的优缺点，为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集什么信息？有了这些信息，如何建立模型解决问题？二．问题分析（一）对问题一的分析：对于问题一，通过对数据的分析，用MATLAB画出了8种主要重金属元素在该城区的空间分布图，然后运用内梅罗综合指数模型分析出了该城区内不同区域重金属的污染程度。（二）对问题二的分析：为了找出重金属污染的主要原因，由问题一的求解结果，分析出了8种重金属对不同功能区的污染情况，并结合不同功能区重金属间的相关性和对重金属来源的认识，得出了重金属污染的主要原因。（三）对问题三的分析：为了确污染源的位置，建立了高斯扩散模型，先筛选出重金属浓度比其他地区高很多的一个点，再把这组数据写入程序，可以得到污染源的具体位置，则真实污染源位置就在该点周围，再对照附件一找到相近的污染源位置，为（7776,10613,9,2）。（四）对问题四的分析：3在问题三的基础上，对模型三进行了改进，运用重金属在气体中和在土壤中扩散模型来研究城市地质环境的演变模式。三．模型假设1.假设题目所给的数据可靠；2,假设重金属传播特征不受风向等因素影响。3.假设本文只考虑这8种重金属元素的污染情况，其他重金属元素的污染可以忽略不计；4.假设远离人群及工业活动的自然区不受重金属污染，其背景值是合理的；5.忽略各重金属元素之间的化学反应；6.扩散过程中浓度在y，z轴上的变化分布是高斯分布；7.扩散过程中不考虑污染源内部温度的变化对气体扩散的影响。四．模型建立与求解4.1问题一的模型建立与求解运用MATLAB软件绘制出了这8种重金属在该城市的空间分布图(见附件一)如下：AS元素的空间分布Cd元素的空间分布4Cr元素的空间分布Cu元素的空间分布Hg元素的空间分布Ni元素的空间分布Pb元素的空间分布Zn元素的空间分布以上就是这8个重金属在该城市的空间分布图，图的最高点代表重金属浓度高的区域，且重金属污染的区域主要取决于浓度高的区域，X和Y轴坐标代表取样点的位置，Z轴代表重金属元素的浓度。在这里，规定图中沿X轴正方向为该城市的东部，沿Y轴正方向为该城市的北部，由此来确定该城市的方位。从以上8幅图可以得出以下结论：（1）AS在该城市的中部地区的表层土壤中含量最高，且在整个城市其他地区也都有分布，但在该城市的东部地区AS含量几乎没有。（2）该城市的中部偏东地区的Cd含量最高，其余的区域的含量都差不多相5等，都比较大，除了在该城市的东北角落，Cd含量几乎为零。（3）Cr元素在该城市的西南地区的含量最大，在其他区域的含量都相对较少，而且该城市Cr元素的覆盖面比较小。（4）Cu在该城市的西南角落的含量最高，与Cr元素相比高浓度点近于西南地区的边缘地带，而且在该城市的其他区域的含量几乎为零，该元素在整个区域的含量都比较少。（5）Hg元素含量在该城市的西南角落的含量最高，在该城市的中部和南部含量次之，在其余地区Hg含量比较小，即该城区Hg地带面积比较少。（6）在该城区的西北地区Ni含量最大，在其余地区也均有一定的含量，可以看出该元素所覆盖的面积是比较大的，除了在东北角落的含量接近零。（7）Pb元素在该城市的西南地区的含量最大，除了在东部边缘地带的含量很少，接近零，其余地区都存在一定含量的Pb。（8）Zn元素在该城市的中部地区含量达到最高，且在西南整个区域都有一定的含量，而在该城市的东部，北部，Zn含量几乎为零。通过对以上8种元素的空间含量的分析，可以得到：有4种元素在该城市的西南地区的含量达到了最高点，由此，说明了该城市的西南部受到的重金属污染比较严重。而这8种元素在该城市的东北部含量几乎为零，说明在该地区土壤比较清洁，污染非常小。综合起来，可以得到：该城市表层土壤受到重金属污染的覆盖面积较大且西部明显比东部的污染要严重。4.2内梅罗综合指数的模型建立与求解先使用地积累指数法建立模型。地质累积指数（Igeo）通常称为Muller指数，不仅考虑了自然地质过程造成的背景值的影响，而且也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：Cn为样品中元素n的浓度；Bn为背景浓度；1.5为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其它影响。Forstner等将地质累积指数可分为7个级别，Igeo0，污染级别为0级，表示无污染；0≤Igeo1，污染级别为1级，表示无污染到中度污染；1≤Igeo2，污染级别为2级，表示中度污染；2≤Igeo3，污染级别为3级，表示中度污染到强污染；3≤Igeo4，污染级别为4级，表示强污染；4≤Igeo5，污染级别为5级，表示强污染到极强度污染；Igeo≥5，污染级别为6级，表示极强污染。为了全面反映各污染物对土壤的不同作用，突出高浓度污染物对环境质量的影响，采用内梅罗综合污染指数法在此建立一个模型。内梅罗指数不仅考虑到各种污染物的平均污染状况，并且强调最严重的污染物对污染指数的影响。下面是经过改造后的内梅罗综合指数公式：622max)()=2aveIIP综（式中，maxI为一个区域采样点中重金属单项污染指数最大值；aveI为一个区域采样点中重金属单项污染指数的平均值。4.2.1模型的求解：通过用Excei软件求解得出以下几个表格：各地区地质积累指数表各地区单金属污染水平表各地区综合污染指数表地区12345综合指数P1.049875.082980.492742.285940.38012187综合污染指数等级评价标准综合污染指数污染指数污染等级污染水平1P=0.7安全清洁20.7P=1.0警戒线尚清洁31.0P=2.0轻污染土壤污染超标42.0P=3.0中污染土壤受中度污染5P3.0重污染土壤收污染已相当严重各地区综合污染水平表地区12345污染等级轻污染重污染安全中污染安全污染水平土壤污染超标土壤收污染已相当严重清洁土壤受中度污染清洁根据问题一的模型求解及数据的分析，可以得出重金属污染的主要原因：生活区：在居民区中Cu含量相对与其他地区比较高，这与大量含铜废弃物的丢弃有直接的联系。Zn含量相对与其他地区也比较高，这与长期过量施用含Zn量较高的猪粪和鸡粪等有机化肥有关。居民使用的各种煤炭中也含有大量的Hg和As,会随着煤炭的燃烧而进入大气中，最后让大气沉淀进入土壤环境中。Cd污染主要来源于化妆品，照明用灯，齿科材料，燃煤（与长期大量施用较高Cd含量杂质的过磷酸钙化肥有关），Pb污染主要来源于各种油漆，涂料，蓄电池，化妆品，染发剂，釉彩碗碟，餐具，燃，膨化食品，自来水管等，煤燃烧产生的粉尘、烟尘中均含有锌及化合物。汞主要来源于贵金属冶炼、仪器仪表制造、食盐电解、化工、农药、塑料、等工业废水，其次是空气、土壤中的汞经雨水淋溶冲刷而迁入水体。工业区：Hg污染的含量最高，这与工业中燃烧的煤炭中也含有大量的Hg有关，Cu污染主要来源是铜锌矿的开采和冶炼，金属加工，机械制造，钢铁生产等。冶炼排放的烟尘是大气铜污染的主要来源。Zn污染主要来源有锌矿开采、冶炼加工、机械制造以及镀锌、仪器仪表、有机会合成和造纸等工业的排放。汽车轮胎磨损以及煤燃烧产生的粉尘、烟尘中均含有锌及化合物，工业废水中锌常以锌的羟基络合物存在。Cr主要来自电镀，燃料，皮革，颜料，劣质化妆品原料等铬化合物制造企业所排放的“三废”，因此在工业区土壤表层含量最多，其污染程度也最大。土壤中Cd的污染在工业区远远大于城市的其他功能区，说明是工业生产活动的主要污染源。人类对含Cd矿物的开采，冶炼是引起土壤铬的重要原因，此外，Cd污染源还有仪表厂，食盐电解，贵金属冶炼，电镀，电池，颜料，塑料稳定剂，涂料工业废水和燃料燃烧等。煤，原油中均含有微量的Cd，在燃烧中也可以释放到大气，最终融入土壤。土壤中As和Hg在化肥厂剖面中污染最为严重，主要是在工业生产活动中随工业“三废”而进入土壤进入土壤环境中。Pb污染主要来源于冶炼，五金，机械，电镀。As污染主要来源于采矿，冶金，化化学制药，玻璃工业中的脱色剂，各种杀虫剂，杀鼠剂，砷酸盐药物，化肥，硬质合金，皮革，农药等。8山区：无污染。交通区：城市交通道路两侧土壤重金属污染严重。其污染途径主要来源于含Pb汽油的燃烧和汽车轮胎磨损产生的粉尘。（道路周边土壤表层的Pb污染主要与交通量，汽油Pb含量，风速风向，沉淀量等有关，而Cr,Cu,Zn等污染则由轮胎摩擦产生的粉尘引起）汽车尾气排放，轮胎添加剂中的重金属元素均可影响到土壤中的Pb,Zn,Cu的含量，且这些元素的积累量都与交通流量有关。在交通密集区Cd污染程度也是比较严重的。公园绿地区：位于交通繁忙道路附近的公园土壤中Pb,Zn,Cu等多种重金属污染严重，与大量的机动车辆经过有关。4.3问题三的模型建立与求解4.3.1模型的建立：大气中的重金属主要来源于能源，运输，冶炼和建筑材料生产产生的气体和粉尘。除Hg以外，重金属基本上是以气溶胶的形态进入大气，经过自然沉降和降水进入土壤。根据重金属的传播特征建立高斯扩散模型。将污染源选为坐标原点，污染处重金属元素的浓度记为C(x,y,z,0),则距离污染源S处的无穷空间中