城市表层土壤重金属污染分析

1城市表层土壤重金属污染分析摘要随着现代经济的高速发展，城市的重金属污染问题日益严重。本文在通过测量出的实际数据最终建立模型确定污染源的位置，为实际的污染防治以及污染治理提供理论依据。在问题一中，我们根据附件中给出的数据，运用Matlab数学软件画出了8种元素在城区空间的分布图。查阅相关资料结合分布图，先计算出各区域8种金属的污染程度，再考虑几种金属元素在污染中所占权重，得出各区域重金属的综合污染指数。最终得出该城区内不同区域重金属污染程度，各个区域均为极强的生态危害，这其中工业区最为严重，其后依次为公园绿地区、山区、主干道路区，污染程度最低的是生活区。在问题二中，通过已知的数据，先画出城区地形图与分布图。然计算全部地区中各元素的平均值、标准差、变异系数、超标率、背景值。结合一问中得到的结果，分析得到的数据，表明重金属污染的主要原因有：工业区污水废气排放和生活区的生活垃圾以及装修的涂料器材。公园绿地区、山区、主干道路区等地污染受工业区影响较大。公园土壤和灰尘中重金属的积累主要由人类活动造成。山区Cr,Cd,Pb等元素的污染是由于使用化肥和采用耕种方法不当使得农作物土壤受到了重金属铬和铅的污染。在第三问中，区域土壤重金属污染具有普遍性、隐蔽性、表聚性、不可逆性等特点。属于分布式参数系统运用非线性优化及遗传算法建立模型，加以数学变换，得到最优解即污染源位置。例：（4000,4000）点附近的区域是Cr、Hg、Zn、Ni和Pb的污染源，属重度污染，影响范围大。（22300,10500）点和（13800,9600）点，属轻度污染，影响范围较小。根据题中所述，第四问为研究城市地质环境的演变模式，我们在原有模型的基础上考虑岩石圈、水圈、大气圈、地势分布对地质环境的影响，收集其数据。用同位素标记法最终建立数学模型，得到重金属污染与土壤的四个重要特性（即土壤紧实度、土壤pH值、土壤有机质以及土壤微生物与的关系）呈相关性的结果。关键词：背景值评价法、沉积法、Matlab、权重比较、遗传反演算法2问题的重述环境污染与城市经济的快速发展和城市人口的不断增加有着密切的关系，人类活动对城市环境质量的影响日显突出。所以怎样对城市土壤地质环境异常做出有效查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展对城市环境质量做出评价，以研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式等问题，日益成为人们关注的焦点。随着现代经济的高速发展,重金属污染物的排放量与日剧增,环境污染和生态破坏越来越严重,危及到人类的健康。重金属在环境中不会降解、消失,其通过迁移、转化等过程富积到农作物或其它植物,这些富积的重金属可通过食物链等对人类健康造成威胁。区域土壤——作物系统重金属特征是当前重金属污染的研究热点。由于土壤重金属污染具有普遍性、隐蔽性、表聚性、不可逆性等特点，所以现对某城市城区土壤地质环境进行调查。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，不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。为此，将所考察的城区划分为间距1公里左右的网格区域，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。最终得到以下数据每个采样点的位置（见附件1），每个样本所含的多种化学元素的浓度数据（见附件2）。另外在该区的自然区取样，将得到的元素浓度作为该城区表层土壤中元素的背景值（见附件3）。现要求，根据已给数据查阅相关资料，作出的8种主要重金属元素在该城区采样点的空间分布，并分析出该城区内不同区域重金属的污染程度，说明重金属污染的主要原因，分析重金属污染物的传播特征。建立模型，确定污染源的位置。最后分析所建立模型的优缺点，并指出为了更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集的信息。再根据这些收集的信息优化原有模型解决实际问题。模型假设1、假设土壤的酸碱度不影响污染传播。2、假设区地势的总体分布情况不影响污染传播。3、假设人为因素引起的污染物传播具有均匀性。4、假设初始状态重金属元素分布具有规律性。符号说明ifc：单项污染指数；iSc：各区域中每项元素浓度平均值；inc：该地区各项元素背景值；ifE：单项重金属危害系数；irT：各金属毒性系数（毒性在综合污染中的权重）；RI：不同区域多种重金属的污染程度；ix：各金属污染源位置；3δ：为狄拉克函数；u：污染源扩散介质的速度；H：扩散系数；K：污染物的降解率；L：x的取值范围（0m-26854m）；Mi：污染物排放强度；C：污染物在x点的排放浓度；模型的建立与求解1、问题一的求解过程如下：1.1根据附表1中所给各采样点的坐标值，运用matlab软件画出每种元素在城区的空间分布图（运行程序见附件4）。图形如下，图片顺序依次为As（图1）、Cd（图2）、Cr（图3）、Cu（图4）、Hg（图5）、Ni（图6）、Pb（图7）、Zn（图8）。图1（As在城区分布图）4图2（Cd在城区分布图）图3（Cr在城区分布图）5图4（Cu在城区分布图）图5（Hg在城区分布图）6图6（Ni在城区分布图）图7（Pb在城区分布图）7图8（Zn在城区分布图）1.2、由附表2所给各元素在各类区的浓度数值，以及附表3中各元素的背景值，由公式：用excel处理数据，分别计算出每区的各元素单项污染指数，结果（见表1）ifcAsfcCdfcCrfcCufcHgfcNifcPbfcZnfc生活区1.742.232.233.742.661.492.233.43工业区2.013.021.729.6618.351.613.004.03山区1.121.171.261.311.171.261.181.06主干道路区1.592.771.874.7112.771.432.053.52公园绿地区1.742.161.412.293.291.241.962.24（表1）1.3、根据各区元素的单项污染指数，由公式：求出单项重金属危害系数Eif。其中iTr为各金属毒性系数（毒性在综合污染中的权重），查阅资料后（参考文献[1]~[3]），按8种重金属毒性系数分别为Hg=40＞Cd=30＞/iiifsnccciifCETifr8As=10＞Pb=Cu=Ni=5＞Cr=2Zn=1。用excel处理数据后（见表2）。1.4、得出不同区域多种重金属的污染程度RI，结果见表2。由公式：生活区工业区山区主干道路区公园绿地区E（As）17.42128610E（Cd）24163166316632152328055E（Cr）381024578628704E（Cu）681750613299522E（Hg）1033166017308508314272E（Ni）25101857675E（Pb）9517869456451071E（Zn）66182975658494410405RI376371238318322691955120（表2）1.5、从表2中我们可以很容易的横向比较出各个区域8重金属的污染程度，最严重的是工业区，紧随其后的是公园绿地，随后依次是山区、主干道路区，污染程度最低的是生活区。1.6、再查阅各相关资料（参考资料[4]），找出Eif和RI污染范围，与表2中得出的数据比较，纵向比较单项污染系数Eif和多重金属污染系数RI的值，得出结论。单项污染系数Eif和多重金属污染系数RI污染程度划分范围（如表3）。指数类型所处范围污染程度单项金属危害生态系数ifEifE40轻微生态危害40≦ifE80中等生态危害80≦ifE160强生态危害160≦ifE320很强生态危害ifE≥320极强生态危害多种金属危害生态指数RIRI40轻微生态危害40≦RI80中等生态危害80≦RI160强生态危害160≦RI320很强生态危害RI≥320极强生态危害（表3）81iriRIE9根据表3给出的数据，比较我们表2计算出的数值，我们画出了各区域中各元素的污染程度（表4），以便更细化的分析污染程度。污染程度生活区工业区山区主干道路区公园绿地轻微生态危害As、Cr、NiAsAsAsAs中等生态危害Cu、ZnNiNi强生态危害PbNiNi很强生态危害Cu极强生态危害Hg、CdCr、Cu、Pb、Hg、Zn、CdCr、Cu、Pb、Hg、Zn、CdCr、Pb、CdCr、Cu、Pb、Hg、Zn、Cd（表4）1.7、综上以上几个步骤，我们可以得出以下几个结论。第一，各个区域均为极强的生态危害，这其中工业区最为严重，其后依次为公园绿地、山区、主干道，污染程度最低的是生活区。第二，各区域中As均属生态危害较轻微危害程度，而各区域中Cd的含量均严重超标，属极强生态危害。此外，Cr、Pb在五个类区中属极强生态危害，Hg、Zn次之，由此推断各金属之间可能存在相关性，为第二问做准备工作。2、用分析数据的方法，解决第二个问题。2.1、运用matlab和excel处理附表1中的数据，分别画出该区域的空间地形图（图9）和各工业区的平面分布图（图10）。（图9）10
1,741,13731,13211,01,10491,16471,28831,23831,27081,29331,42331,40431,24271,35261,50621,47771,58681,65341,54811,45921,24861,32991,35731,47411,53751,56351,53941,52911,47421,49481,55671,70041,73041,70481,81801,93281,90901,80491,80771,80171,68691,70561,77471,84572,94602,90622,93192,106312,106852,106432,117022,117302,114822,107002,106302,116782,119022,132442,127462,128552,137972,143252,154672,124422,130932,139202,148442,165692,163872,160612,156582,142982,141772,150922,127782,170442,170872,170752,179622,184133,187383,178143,181343,171983,171443,183933,197673,210063,210913,228463,236643,223043,214183,214393,205543,201013,210723,202153,189933,199683,217663,226743,225353,252213,264533,264163,278163,253613,240653,259983,271773,264243,260733,246313,247023,254613,248133,260863,260153,277003,276963,273463,265913,278233,272323,245803,241533,229653,231983,246853,286543,240033,216843,221933,170793,152553,150073,35183,34693,37623,39273,41533,32673,46843,54953,4,56644,55414,54514,40204,40264,51014,54384,53824,53144,55034,56364,66054,70934,71004,68374,79064,80454,83944,84034,80794,96634,94694,91784,90954,102254,102104,103404,115574,114154,116494,127344,126964,124004,125914,137654,136944,138554,148624,148964,153874,158104,160324,158014,150874,168724,177344,168234,170084,172034,170054,169474,163014