2012数学建模优秀论文

1基于系统综合评价的城市表层土壤重金属污染分析摘要本文针对城市表层土壤重金属污染问题，首先对各重金属元素进行分析，然后对各种重金属元素的基本数据进行统计分析及无量纲化处理，再对各金属元素进行相关性分析，最后针对各个问题建立模型并求解。针对问题一，我们首先利用EXCEL和SPSS统计软件对各金属元素的数据进行处理，再利用Matlab软件绘制出该城区内8种重金属元素的空间分布图最后通过内梅罗污染模型：2/12max22PPP平均综，其中平均P为所有单项污染指数的平均值，maxP为土壤环境中各单项污染指数中的最大值。得到各区内梅罗综合污染指数，进而求得污染程度为：功能区生活区工业区山区主干道路区公园绿地区综P0904.22769.98242.04625.68688.1污染程度土壤、作物受中度污染土壤、作物受严重污染尚清洁土壤、作物受严重污染超标针对问题二,我们首先利用EXCELL软件画出8种元素在各个区内相对含量的柱状图，由图可以明显地看出各个区内各种元素的污染情况，然后再根据重金属元素污染来源及传播特征进行分析，可以得出工业区及生活区重金属的堆积和迁移是造成污染的主要原因，Cu、Hg、Zn主要在工业区和交通区如公路、铁路等交通设施的两侧富集，随时间的推移，工业区、交通区的土壤重金属具有很强的叠加性，受人类活动的影响较大。同时城市人口密度，土地利用率，机动车密度也是造成重金属污染的原因。针对问题三，我们从两个方面考虑建模即以点为传染源和以线为传染源。针对以点为传染源我们建立了两个模型：无约束优化模型22yiyxixmD，得到污染源的位置坐标6782,5567；有衰减的扩散过程模型得位置坐标（8500,5500），模型为：ukzucyubxuahu2222222222，针对以线为传染源我们建立了lcbeuY0模型，并通过线性拟合分析线性污染源的位置。针对问题四，我们在已有信息的基础上，还应收集不同时间内的样点对应的浓度以及各污染源重金属的产生率。根据高斯浓度模型建立高斯修正模型，得到浓度关于时间和空间的表达式uteCC0。在本题求解过程中，我们所建立的模型与实际紧密联系，有很好的通用性和推广性。但在求点污染源时，我们假设只有一个污染源，而实际上可能有多个点污染源，从而使得误差增大，或者使污染源的位置够不准确。关键词内梅罗污染模型无量纲化相关性回归模型高斯浓度模型2一、问题重述俗话说：“一方水土养一方人”。城市是人类活动最密集的地区，但在废物处理设施仍不发达的绝大多数地区,城市及其周边土壤依然发挥着重要的容纳和净化污染物的功能,在强烈的环境负荷冲击下,土壤的服务功能面临极大的威胁,换言之,土壤的缓冲净化功能将接近极限并有被超过的危险,因而将导致严重土壤污染的产生,而其结果将是长远和危险的。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。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。我们将城区分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区五个部分，分别进行土壤地质环境的调查，对城市环境质量做出评价，希望能有效控制重金属污染物的排放及扩散，制定相关措施保护好我们赖以生存的周边环境，根据题意，本文需要解决的问题有：(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)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、模型假设⑴不考虑元素间的相互作用的影响⑵短期内重金属元素的物理、化学变化及迁移对周围环境影响不大⑶假设附录中所给8种重金属元素的背景值真实⑷不考虑历史沉积的重金属的影响三、符号说明ix第i种元素在第j个采样点的浓度（8,...2,1i）；x第i种元素浓度的平均值（8,...2,1i）；ix第i种元素在第j个采样点无量纲化后的数值（5,...2,1j）；iP第j个功能区重金属i的单项污染指数（5,...2,1j）；iC第j个功能区重金属i含量的实测值（5,...2,1j）；D污染距离积；h污染源位置与已知采样点的距离；3iyix,给定采样点的坐标；四、数据处理4.1对重元素的分析城市工业“三废”排放，金属采矿和冶炼，家庭燃煤，生活垃圾，汽车尾气排放都增加了城市土壤重金属的负荷。重金属污染环境的主要有汞、铅、铬、锌镉、铜等。其中汞的毒性最大，铬、铅、锌等也有相当大毒性。此外还有砷，砷虽不属于金属.但它的毒性与重金属相似，因此归于重金属一类阐述，称为类金属。目前对我国土壤污染比较普遍的重金属有汞、铬、砷。根据该城区重金属污染的情况，下面对重金属在土壤污染中的来源及传播途径作简要介绍。4.1.1砷元素该元素毒性很低，水体中含砷污染物主要来自砷和含砷金属矿的开采、冶炼，以及和砷化物为原料的玻璃、颜料、药物、纸张的生产都可产生含砷的废水，造成水体的砷污染。砷及砷化物在水中会在水生物体内累积，但累积程度比其他重金属要低。砷和砷化物，一般可通过水、大气和食物进入人体。4.1.2镉元素当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。镉的主要污染源是电镀、采矿、冶炼、染料、电池和化学工业等排放的废水。相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，造成污染。镉对土壤的污染主要有气型和水型两种。气型污染主要来自工业废气。镉随废气扩散到工厂周围并自然沉降，蓄积于工厂周围的土壤中，可使土壤中的镉浓度达到40ppm。水型污染主要是铅锌矿的选矿废水和有关工业（电镀、碱性电池等）废水排入地面水或渗入地下水引起。4.1.3铬元素对水体污染的铬主要来源于电镀、制革、铝盐生产以及铬矿石开采所排放的废水。是我国水体中一种普遍的污染物。水体中铬污染主要是三价铬和六价铬，它们在水体中的迁移转化有一定的规律性。4.1.4铜元素铜(Cu)及其化合物在环境中所造成的污染称为铜污染。主要污染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。世界铜的年迁移量为:岩石风化20万吨,河流输送11万吨4.1.5汞元素汞是在常温下唯一呈液态的金属元素。人类活动造成水体汞污染，主要来自氯碱、塑料、电池、电子等工业排放的废水。由于天然本底情况下汞在大气、土壤和水体中均有分布，所以汞的迁移转化也在陆、水、空之间发生。4.1.6镍元素镍污染是由镍及其化合物所引起的环境污染。大部分煤含有微量镍,通过燃烧过程被释放出来,这是大气中镍的主要来源。镍可以在土壤中富集。土壤中的镍主要4来源于岩石风化，大气降尘，灌溉用水（包括含镍废水），农田施肥，植物和动物残体的腐烂等。全世界每年镍的迁移状况是：岩石风化量为320000吨，河流输送量为19000吨,开采量为560000吨，矿物燃料燃烧排放5600吨。4.1.7铅元素铅对环境的污染，一是由冶炼、制造和使用铅制品的工矿企业，尤其是来自有色金属冶炼过程中所排出的含铅废水、废气和废渣造成的。二是由汽车排出的含铅废气造成的，汽油中用四乙基铅作为抗爆剂（每公斤汽油用1～3克），在汽油燃烧过程中，铅便随汽车排出的废气进入大气，成为大气的主要铅污染源4.1.8锌元素锌在土壤中富集，会使植物体中也富集而导致食用这种植物的人和动物受害。金属锌本身无毒，但在焙烧硫化锌矿石、熔锌、冶炼其他含有锌杂质的金属的过程中,以及在铸铜过程中产生的大量氧化锌等金属烟尘，对人有直接的危害。其他如橡胶轮胎的磨损以及煤的燃烧也是大气锌污染的原因。各种工业废水的排放是引起水体锌污染的主要原因。4.2对基本数据的分析用EXCELL软件和SPSS统计软件处理数据如表1所示：表1功能区元素As(μg/g)Cd(ng/g)Cr(μg/g)Cu(μg/g)Hg(ng/g)Ni(μg/g)Pb(μg/g)Zn(μg/g)生活区平均值6.27289.9669.0249.4093.0418.3469.11237.01最大值11.451044.50744.46248.85550.0032.80472.482893.47最小值2.3486.8018.469.7312.008.8924.4343.37标准差2.15183.68107.8947.16102.905.6672.33443.64变异系数0.340.631.560.951.110.311.051.87工业区平均值7.25393.1153.41127.54642.3619.8193.04277.93最大值21.871092.90285.582528.4813500.0041.70434.801626.02最小值1.61114.5015.4012.7011.794.2731.2456.33标准差1.61114.5015.4012.7011.794.2731.2456.33变异系数0.220.290.290.100.020.220.340.20山区平均值4.04152.3238.9617.3240.9615.4536.5673.29最大值10.99407.60173.3469.06206.7974.03113.84229.80最小值1.7740.0016.202.299.645.5119.6832.86标准差1.8078.3824.5910.7327.8510.4317.7330.94变异系数0.440.510.630.620.680.670.490.42交通区平均值5.71360.0158.0562.21446.8217.6263.53242.85最大值30.131619.80920.841364.8516000.00142.50181.483760.82最小值1.6150.1015.3212.348.576.1922.0140.92标准差3.24243.3981.61120.222180.2711.7932.53384.78变异系数0.570.681.411.934.880.670.511.58公园绿平均值6.26280.5443.6430.19114.9915.2960.71154.24最大值11.681024.9096.28143.311339.2929.10227.401389.39最小值2.7797.2016.319.0410.007.6026.8937.145地区标准差2.02235.8414.8422.68224.284.9745.84230.92变异系数0.320.840.340.751.950.330.761.504.3元素浓度的无量纲化处理在利用SPSS统计软件数据进行聚类分析的时候，因为单位不统一需要进行无量纲化处理，我们采用均值化方法，即每一个变量除以该变量的平均值，即xxxii，(1)标准化以后各变量的平均值都为1，标准差为原始变量的变异系数。该方法在消除量纲和数量级影响的同时，保留了各变量取值差异程度上的信息，差异程度越大的变量对综合分析的影响也越大。4.4重金属元素间的相关性分析研究土壤中重金属的相关性可以推测重金属的来源是否相同,若重金属含量有显著的相关性,说明有相同来源的可能性较大,否则来源可能不止一个.我们用积差法来计算各重金属之间的相关系数，所谓积差法就是用两个变量的协方差与两个变量的标准差的乘积之比：2222222yyxxyxxyyyxxyyxxryxxy表2重金属元素间的相关系数重金属AsCdCrCuHgNiPbZnAs1Cd0.255**1Cr0.189**0.352**1Cu0.160**0.397**0.532**1Hg0.0640.265**0.1030.417**1Ni0.317**0.329**0.716**0.495**0.1031Pb0.290**0.660**0.383**0.520**0.298**0.307**1