2011数模答案 城市表层土壤重金属污染分析论文 B题答案

城市表层土壤重金属污染分析摘要文章阐明了重金属污染物来源与分布，同时对国内外土壤重金属污染治理的研究工作做了系统的综述，提出了土壤中重金属污染物防治的环境矿物学新方法，利用环境矿物材料治理土壤重金属污染物的方法，具有成本低、效果好、无二次污染及有用金属可回收利用等优点，展现出广阔的环境矿物学研究与应用前景。

并提醒人们要提高土壤质量意识，保护生态环境。

一、问题重述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、问题分析土壤中重金属的来源是多途径的，首先是成土母质本身含有重金属，不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大。

此外，人类工农业生产活动，也造成重金属对大气、水体和土壤的污染。

重金属系指密度4.0以上约60种元素或密度在5.0以上的45种元素。

砷、硒是非金属，但是它的毒性及某些性质与重金属相似，所以将砷、硒列入重金属污染物范围内。

环境污染方面所指的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物。

随着全球经济化的迅速发展，含重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成土壤严重污染。

土壤重金属污染可影响农作物产量和质量的下降，并可通过食物链危害人类的健康，也可以导致大气和水环境质量的进一步恶化。

因此引起世界各国的广泛重视。

目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放Hg约1.5万t、Cu为340万t、Pb为500万t、Mn为1500万t、Ni为100万t。

中国北方大城市的蔬菜基地和部分商品粮基地也存在着不同程度的重金属污染，如北京、天津、西安、沈阳、济南、长春、郑州等地；。

南方相对较轻，如福州、宁波、上海、武汉、成都等地。

土壤重金属污染将会造成生态系统的严重破坏。

从中国土壤资源状况看，到2000年底中国人均耕地仅为0.1 hm2，而且随着今后中国经济社会的发展如生态退耕、农业结构调整及自然灾害损毁等，土壤资源将进一步减少。

因而如何有效地控制及治理土壤重金属的污染，改良土壤质量,将成为生态环境保护工作中十分重要的一项内容。

四、模型建立及求解4.1评价模型模糊综合评判法用隶属度描述模糊的污染分级界线，各评价等级的隶属度再以各评价因子的权重修正，则得到评价样品对评价等级的隶属度。

设Ａ为各评价因子对评价等级的隶属度，Ｒ为各评价因子的权重构成的向量，B 为评价样品对评价等级的隶属度，则得到如下数学模型：Ｂ＝Ｒ・Ａ （１）4.2评价因子的隶属度函数及模糊关系矩阵的建立为了进行模糊运算，需要确定隶属度函数，并以隶属度来描述土壤污染状况的模糊界线。

设土壤环境质量分为ｍ个级别，则V=(1，2，3…………….,m)这里用隆半梯形分布来刻画隶属度：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧><=<<==+++--)(,0)(),/()()(,1111Sij Xi S Xi S S S Xi S Sij Xi ij ij ij ij ij ij X (2)式中，ij X 为污染因子的隶属度；1+ij S 为某一采样点污染因子i在j 级指标（i=1,2,3...,8；j=1,2,3）中的标准值；Xi 为各污染因子的实测浓度。

由此可得出评价因子i 对不同级别j 的隶属度矩阵A ：⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=nm n m X X X X A ............1111 （3）同样可求得其他样品对各污染等级的隶属度矩阵4.3 各评价因子权重向量Ｒ的确定现行重金属污染评价方法一般采用污染物浓度超标赋权法。

对于不同重金属，因污染物个体的毒性级别不同，污染物浓度超标赋权法有可能掩盖某些低浓度有机组分的毒性作用，因此，有必要将有重金属的毒性级别纳入权重考虑，以反映重金属浓度和毒性的综合作用。

将污染物浓度和毒性级别指数加权叠加，并作归一化处理，得到某污染组分的权重公式：()⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑=n i i i i i i f C f C r 1/// （４）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑∑∑===n i ij i ij i S X S X C 1m 1j m 1j i )/(// （５）式中，i X 为某采样点第ｉ个污染因子的实测浓度，ｍｇ／ｋｇ；i f 为第ｉ个污染因子的毒性级别指数；i r 为某样品第ｉ个污染因子的权重值，且∑=n i i C 1＝１，∑=ni i r 1＝１。

将各污染因子的实测浓度值、毒性系数和选定的评价标准分别代入（５）式，可得到各污染因子的权重值，由此组成某个样品各参评因子的权重向量：[]n r r r R ...,,,21= （６）同样，可以得到其他样品的各参评因子的权重向量。

4.4 模糊综合评价模型的确立和综合评价将权重向量Ｒ和隶属度向量A 代入所建立的数学模型式（１），即可得到各评价样品对评价等级的隶属度B ，根据最大隶属度原则确定样品所属的污染等级。

4.5 模糊矩阵的复合运算设C 为评价样品对不同级别的隶属度，通过不同样品的隶属度矩阵Ｒ和权重值矩阵W 进行矩阵运算，Ｃ＝Ｒ・Ｗ。

即可得出不同样品对评价等级的隶属度，根据隶属度最大原则确定样品所属的污染等级。

利用评价向量的分量形成权重，通过确定各等级对应的分值，对各等级的分值进行加权平均，得到评价分值。

评价分值的计算公式如下所示：∑==mj j j c c 1δ （７）),...,3,2,1(,/1m j b b mj j k j ki ==∑=δ （８） 式中，ｋ是选定的正实数；j δ实际上构成了一组权重；j b 为评价向量Ｂ中对应于第j 级环境质量水平的值；j c 是对第j 级环境质量水平所打的分值；ｃ是最终得分，文中ｋ值取２。

根据土壤重金属环境质量各级别的控制意义，取土壤重金属环境质量一级标准分值为１００，２级标准分值为８０，３级标准分值为６０。

３ 模型的运算重金属，特别是汞、镉、铅、铬等具有显著和生物毒性。

它们在水体中不能被微生物降解，而只能发生各种形态相互转化和分散、富集过程(即迁移)。

重金属污染的特点是：(1)除被悬浮物带走的外，会因吸附沉淀 作用而富集于排污口附近的底泥中，成为长期的次生污染源；(2)水中各种无机配位体(氯离子、硫酸离子、氢氧离子等)和有机配位体(腐蚀质等)会与其生成络合物或螯合物，导致重金属有更大的水溶解度而使已进入底泥的重金属又可能重新释放出来；(3)重金属的价态不同，其活性与毒性不同。

其形态又随pH 和氧化还原条件而转化。

(4)在其危害环境方面的特点是：微量浓度即可产生毒性(一般为1～10毫克/升，汞、镉为0.01～0.001毫克/升)；在微生物作用会转化为毒性更强的有机金属化合物(如洋－甲基汞)；可被生物富集，通过食物链进入人体，造成慢性路线。

亲硫重金属元素(汞、镉、铅、锌、硒、铜、砷等)与人体组织某些酶的巯基(-SH)有特别大的亲合力，能抑制酶的活性，亲铁元素(铁、镍)可在人体的肾、脾、肝内累积，抑制精氨酶的活性。

六价铬可能是蛋白质和核酸的沉淀剂，可抑制细胞内谷胱甘肽还原酶，导致高铁血红蛋白，可能致癌，过量的钒和锰(亲岩元素)则能损害神经系统的机能。

本文主要从土壤中重金属污染物来源与分布、土壤中重金属污染物的现行治理方法入手，提出土壤中重金属污染物防治的环境矿物学新方法。

旨在保护环境，提高土壤的环境质量。

1 土壤中重金属污染物来源与分布土壤中重金属的来源是多途径的，首先是成土母质本身含有重金属，不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大。

此外，人类工农业生产活动，也造成重金属对大气、水体和土壤的污染。

1.1 大气中重金属沉降大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。

它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。

大气中的大多数重金属是经自然沉降[2]和雨淋沉降进入土壤的。

如瑞典中部Falun市区的铅污染[3]，它主要来自于市区铜矿工业厂、硫酸厂、油漆厂、采矿和化学工业产生大量废物,由于风的输送，这些细微颗粒的铅,从工业废物堆扩散至周围地区。

南京某生产铬的重工业厂[4]铬污染叠加已超过当地背景值4.4倍，污染以车间烟囱为中心，范围达1.5 km2，污染范围最大延伸下限1.38 km。

俄罗斯的一个硫酸生产厂也是由工厂烟囱排放造成S、V、As的污染。

公路、铁路两侧土壤中的重金属污染，主要是Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Cu的污染为主。

它们来自于含铅汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含锌粉尘等。

它们成条带状分布，以公路、铁路为轴向两侧重金属污染强度逐渐减弱；随着时间的推移，公路、铁路土壤重金属污染具有很强的叠加性。

在宁—杭公路南京段两侧的土壤形成Pb、Cr、Co污染晕带，且沿公路延长方向分布，自公路向两侧污染强度减弱。

在宁—连一级公路淮阴段两侧的土壤铅含量增高，向两侧含量逐渐降低，且在地表0~30 cm铅的含量较高。

在法国索洛涅地区A71号高速公路[8]沿途严重污染重金属Pb、Zn、Cd，其沉降粒子浓度超过当地土壤背景值2~8倍，而公路旁重金属浓度比沉降粒子中高7~26倍。

在斯洛文尼亚[9]从居波加到扎各瑞波公路两侧，铅除了分布在公路两侧以外，还受阶地地貌和盛行风的影响，高铅出现在低地，公路顺风一侧铅含量较高。

经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染，主要以工矿烟囱、废物堆和公路为中心，向四周及两侧扩散；由城市—郊区—农区，随距城市的距离加大而降低，特别是城市的郊区污染较为严重。

此外，还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关；重工业越发达，污染相对就越严重。

此外，大气汞的干湿沉降也可以引起土壤中汞的含量增高。

大气汞通过干湿沉降进入土壤后，被土壤中的粘土矿物和有机物的吸附或固定，富集于土壤表层，或为植物吸收而转入土壤，造成土壤汞的浓度的升高。

1.2 农药、化肥和塑料薄膜使用施用含有铅、汞、镉、砷等的农药和不合理地施用化肥，都可以导致土壤中重金属的污染。

一般过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Zn、Pb，磷肥次之,，氮肥和钾肥含量较低，但氮肥中铅含量较高，其中As和Cd污染严重。

经过对上海地区菜园土地、粮棉地的研究，施肥后，Cd的含量从0.134 mg/kg升到0.316 mg/kg，Hg的含量从0.22 mg/kg 升到0.39 mg/kg，Cu、Zn 增长2/3。

通过新西兰50 a前和现今同一地点58个土样分析，自施用磷肥后，镉从0.39 mg/kg升至0.85mg/kg。