城市表层土壤重金属污染分析

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的影响日益突出。

因此，研究人类活动影响下的城市地质环境的演变形式，日益成为人们关注的焦点。

对于问题一，我们利用Excel将三个附表中的数据进行整理并划分五个污染等级，得出更为直观简洁的总表，从中可以清晰的看出各金属元素在该城区的空间分布。

同时，我们利用SPSS、Matlab软件对数据进行处理，制出图表，并利用GIS做出空间图对问题进行了更深一步的探讨。

对于问题二，不同的功能区，导致重金属污染的原因也有所不同。

在生活区，人类的生活垃圾中有很多含有重金属的危险废物，比如废旧电器、电路板、光管、电池等，这些物品如不集中处理而混在普通垃圾中就会带来重金属污染。

在工业区，重金属大多来源于工厂的废水、废渣、废气等，由于没有及时处理、导致重金属富集，因此在工业区，各重金属的含量均很高。

在山区，多由工业区或生活区所排出的废气所致。

主干道公路上的重金属污染多源于交通污染，而交通污染主要是汽车尾气的排放所致。

公园绿化区的重金属污染相对轻一点，归功于人类对其环境的重视。

对于问题三，要求分析重金属污染物的传播特征，我们建立了对流——弥散模型。

对于重金属来说，在对流弥散过程中常伴随有较为强烈的吸附或分解过程。

此类模型按照土壤溶液流态可分为稳态流和非稳态流或瞬态模型；按其控制方程的解可分为解析模型、近似解模型和数值解模型。

进而得出结论：(1)表层土壤污染以重金属Pb, Zn, Cd, Hg和As为主, 由于人类活动引起的表层土壤中重金属的富集现象非常明显, 其中, 工业区的排污是造成表层土壤重金属富集的主要原因。

(2)造成不同功能区表层土壤污染的重金属种类存在明显差异, 工业区以Pb, Zn, Cd, Hg和As为主, 市区以Pb为主, 郊区以Cd, Hg为主, 而农村土壤以Hg的点源污染为主。

(3)污染源坐标点推测（详见正文）。

对于问题四，为更好的研究城市地质环境的演变模式，还应收集五个功能区的降水量、生活污水的排放量以及土壤体积含水量和土壤干溶度，同时收集植被以及微生物分布规律等等。

通过以上信息我们采用模糊数学理论模型对问题三的模型进行加权改进，以便更好的解决问题。

关键词：Excel SPSS对流——弥散模型模糊数学Matlab稳态流和非稳态流或瞬态模型解析模型、近似解模型和数值解模型一、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。

通过给出采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息与8种主要重金属元素在采样点处的浓度以及8种主要重金属元素的背景值。

要求我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) 评价所建立的模型，并收集信息，建立新模型以便更好地研究城市地质环境的演变模式。

二．问题分析对于问题一，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，数据反应于附表一中，通过附表一、附表二、附表三我们将数据进行整合，通过背景值及标准偏差的整理，将污染划分为五个等级，得到了一个更为直观、简洁的图表，从中可以清晰的看出各金属元素的分布以及污染程度。

（见附录）对于问题二，不同的功能区，导致重金属污染的原因也有所不同。

在生活区，人类遗弃的生活垃圾中有很多含有重金属的危险废物，比如废旧电器、电路板、光管、电池等，这些物品如不集中处理而混在普通垃圾中排放机会带来重金属污染。

在工业区，重金属大多来源于工厂的废水、废渣、废气等，由于没有及时处理、导致重金属富集，因此在工业区，各重金属的含量均很高。

在山区，多由工业区或生活区所排出的废气所致。

主干道公路上的重金属污染多源于交通污染，而交通污染主要是汽车尾气的排放所致。

公园绿化区的重金属污染相对轻一点，归功于人类对其环境的重视。

对于问题三，要求分析重金属污物的传播特征，并确定污染源的位置。

可以采用对流——弥散模型。

对流——弥散模型描述由对流和弥散引起的土壤溶质迁移。

对于重金属来说，在对流弥散过程中常伴随有较为强烈的吸附或分解过程。

此类模型按照土壤溶液流态可分为稳态流和非稳态流或瞬态模型；按其控制方程的解可分为解析模型、近似解模型和数值解模型对于问题四，为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集五个功能区的降水量以及生活污水的排放量。

三、模型的假设和符号说明假设一：假设各功能区分布不受海拔高度影响；假设二：假设八种重金属元素含量服从正态分布：假设三：假设元素在某一区域随机取样：假设四：假设八种重金属元素分布不受功能区外其他因素（如地形、植被分布等）影响；假设五：假设五个功能区降水量相等。

四．模型的建立和求解4.1、问题一的模型建立和求解根据附表一、二、三，我们将其整合成一个更为直观的总表（见附录），将污染按重金属元素背景值的平均值加减标准偏差划分为五个等级：M i ≤Xi-σ:无污染； Xi-σ<Mi≤Xi:轻微污染；Xi<Mi≤Xi+σ:轻度污染；Xi+σ<M i≤X i +2σ:中度污染；M i>X i +2σ:重度污染。

通过该表我们可以很清楚的看出各重金属元素的分布以及其污染程度。

为使数据更为简洁、有效，我们用SPSS软件检验出其异常个案，并将其剔除，从而列出其正态Q-Q图，经检验近似服从正态分布，进而画出更为合理有效的金属三维空间分布图和各元素的二维点图。

估计正态分布：模型描述模型名称MOD_6序列或顺序 1 As (μg/g)2 Cr (μg/g)3 Cu (μg/g)4 Hg (ng/g)5 Cd (ng/g)6 Ni (μg/g)7 Pb (μg/g)8 Zn (μg/g)转换无非季节性差分0 季节性差分0 季节性期间的长度无周期性标准化未应用分布类型正态位置估计标度估计部分排序估计方法Blom为结指定秩同数的值的秩均值正在应用来自 MOD_6 的模型指定。

各取样点三维空间分布图：金属各污染等级分布的二维点图：上图显示：第一、二、四、五功能区As重度污染较为明显，总体评价为：重度污染上图显示：第一、二、四功能区Cr重度污染较为明显，总体评价为：中度污染。

上图显示：第一、二、四、五功能区Cu重度污染较为明显，总体评价为：重度污染。

上图显示：第一、二、四功能区Cd重度污染较为明显，总体评价为：重度污染。

上图显示：第一、二、四、五功能区Hg重度污染较为明显，总体评价为：重度污染。

上图显示：第二功能区Ni重度污染较为明显，总体评价为：中度污染。

上图显示：第一、二、四、五功能区Pb重度污染较为明显，总体评价为：重度污染。

上图显示：第一、二、四、五功能区Zn重度污染较为明显，总体评价为：重度污染。

4.2、问题二的模型建立与求解数据分析显示，在工业区以及生活区重金属的污染相对严重一些，公路主干道次之，山区和公园绿化带的污染相对较轻。

在生活区，人类遗弃的生活垃圾中有很多含有重金属的危险废物，比如废旧电器、电路板、光管、电池等，这些物品如不集中处理而混在普通垃圾中就会带来重金属污染。

在工业区，重金属大多来源于工厂的废水、废渣、废气等，由于没有及时处理、导致重金属富集，因此在工业区，各重金属的含量均很高。

在山区，多由工业区或生活区所排出的废气所致。

主干道公路上的重金属污染多源于交通污染，而交通污染主要是汽车尾气的排放所致。

公园绿化区的重金属污染相对轻一点，归功于人类对其环境的重视。

4.3、问题三的模型建立和求解一般情况下，土壤重金属污染会导致重金属在植物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体，危害人类健康，其次，土壤受到重金属污染后，含重金属浓度较高的污染表土容易在风力和水力的作用下分别进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水污染，重金属还因为淋洗作用造成地下水污染等生态环境问题。

为了有效研究土壤重金属受植物、天气、水分和污染源影响的迁移规律，我们建立了对流——弥散模型。

对流——弥散模型描述由对流和弥散引起的土壤溶质迁移。

对于重金属来说，在对流弥散过程中常伴随有较为强烈的吸附或分解过程。

此类模型按照土壤溶液流态可分为稳态流和非稳态流或瞬态模型；按其控制方程的解可分为解析模型、近似解模型和数值解模型。

为计算简便起见，这类模型多采用一维控制微分方程，但其模型可拓展到多维情况.其微分方程为：其中：θ为土壤体积含水量；C （即C （x，t））为土壤中溶质的浓度；t为时间；ρ为土壤干容重；S 为溶质吸附浓度，S ＝K D （x）C ；D 为水动力弥散系数；x 为溶质运移距离，取垂直向下为正；v 是土壤水的平均孔隙流速。

在稳定流条件下，θ、v、D 均为常数，且大于0。

同时，类比于地理学中地形图模型，将等高线参数用土壤中重金属元素等含量线取代，通过GIS软件建立土壤重金属含量分布图模型，通过渐变色由浅到深表达各重金属元素含量由少到多，其中颜色最深点即为该元素污染源。

则通过求解可得出结论：(1)表层土壤污染以重金属Pb, Zn, Cd, Hg和As为主, 由于人类活动引起的表层土壤中重金属的富集现象非常明显, 其中, 工业区的排污是造成表层土壤重金属富集的主要原因。

(2)造成不同功能区表层土壤污染的重金属种类存在明显差异, 工业区以Pb, Zn, Cd, H g和As为主, 生活区以Pb为主, 山区以Cd, Hg为主, 而主干道路土壤以Hg 的点源污染为主。

(3)污染源推测：As元素污染源：（18134,10046,41）坐标点附近处，隶属于交通区；Cd元素污染源：（21439,11383,45）坐标点附近处，隶属于交通区；Cr元素污染源：（3299,6018,4）坐标点附近处，隶属于交通区；或（4592,4603,6）坐标点附近处，隶属于生活区Cu元素污染源：（2383,3692,7）坐标点附近处，隶属于工业区和（3299，6018,4）坐标点附近处，隶属于交通区；Hg元素污染源：（2708，2295，22）、（13694，2357，33）、（15248，9106，16）坐标点附近处，隶属于交通区；Ni元素污染源：（3299，6018，4）坐标点附近处，隶属于交通区和（22193，12185，79）坐标点附近处，隶属于山区；Pb元素污染源：（4777，4897，8）坐标点附近处，隶属于生活区和（1647，2728，6）坐标点附近处，隶属于工业区；Zn元素污染源：（13797，9621，18）坐标点附近处，隶属于交通区和（9328，4311，24）坐标点附近处，隶属于生活区。