城市地表重金属污染分布及污染源解析研究
城市表层土壤重金属污染分析
一 、问题重述土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。
然而随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加以及人类随着经济和社会及科学的发展逐渐向原始生态环境的扩进，土壤重金属污染日益严重。
目前，全世界各类重金属的排放量居高不下，其中Ni 的排放量大约100万吨、Mn 的排放量约在1500万吨、Pb 大约500万吨、Cu 约340万吨、Hg 大约在1.5万吨。
另据我国农业部进行的全国污灌区调查显示，土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类的健康，总体上治理和恢复的难度较大。
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。
本文针对题目提出的几个问题，就以下四个方面展开讨论：（1） 应用点模式空间分析概念给出8种主要重金属元素在该城区的空间分布，这里不仅考虑每种重金属元素在该城区的空间分布，还考虑了不同区域中8中不同重金属元素的空间分布，从而结合不同的视角分析该城区内不同区域重金属的污染程度；（2） 重金属污染源主要来自随着大气沉降进入土壤的重金属、随污水进入土壤的重金属、随固体废弃物进入土壤的重金属和随农用物资进入土壤的重金属4个主要方面，本文结合主成分分析，给出该城区主要的污染源以及不同类型区域的污染源，进而结合实际讨论重金属污染的主要原因；（3） 针对现有数据的分布特征，包括该城区8种重金属空间分布和不同类型区域的重金属空间分布，建立数学规划模型，讨论了重金属扩散的中心位置和扩散方向，确定了污染源的位置；（4） 讨论了模型的优缺点，并分析了各类重金属污染对地质变化的前瞻性后果预测，具体给出了不同重金属对于环境污染的危害程度，提出了可能的解决方案，主要是针对预测结果的土壤重金属污染修复的可能性规划方案。
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一、引言随着城市化进程的加快，城市土壤受到重金属等污染物的威胁问题日益凸显。
城市表层土壤是城市生态环境中的重要组成部分，受到重金属污染的影响会对人类健康和生态系统造成重大影响。
因此，对城市表层土壤中重金属污染的分析具有重要意义。
二、重金属在城市表层土壤中的来源城市表层土壤中重金属主要来源于工业排放、交通尾气、生活垃圾填埋和农药施用等活动。
这些活动导致了土壤中重金属含量的逐渐积累，从而引发了土壤污染问题。
三、常见的城市表层土壤重金属污染物种城市表层土壤中常见的重金属污染物种包括铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）等。
这些重金属对人体健康和环境造成严重危害，需要引起重视。
四、城市表层土壤重金属污染的影响1.对人体健康的影响–长期暴露于重金属污染土壤中会导致慢性中毒，严重影响身体健康。
–儿童和孕妇更容易受到重金属污染的影响，引起神经系统和生殖系统的损伤。
2.对生态系统的影响–土壤中的重金属会影响土壤微生物的活性，破坏土壤生态系统平衡。
–重金属还会进一步污染地下水，威胁周围生态环境的稳定性。
五、城市表层土壤重金属污染分析方法1.采样方法–选择合适的采样点位，并采用土壤钻孔或其它方法获取土壤样品。
2.实验分析–利用化学分析方法，对土壤样品中的重金属进行检测和分析，包括原子吸收光谱等技术手段。
3.数据处理–对实验数据进行统计分析和处理，得出城市表层土壤中重金属的含量及分布情况。
六、城市表层土壤重金属污染治理建议1.减少污染源–减少工业废气排放、加强交通管理，从源头减少重金属排放。
2.土壤修复–利用植物吸收、土壤修复技术等手段，对污染土壤进行修复和改良。
3.加强监测–定期对城市表层土壤进行监测，及时发现并处理重金属污染问题。
结论城市表层土壤中的重金属污染是一个严重的环境问题，对人类健康和生态系统造成威胁。
因此，开展城市表层土壤重金属污染的分析研究具有重要意义，可以为环境保护和城市可持续发展提供科学依据。
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：问题一中，利用Matlab中的Griddata插值函数对数据处理，做出八种重金属元素浓度的空间分布图，应用综合污染指数法分析重金属污染程度；问题二中，利用Excel软件分别分析不同功能区各重金属之间的相关系数、城市富集率，综合分析出各重金属污染的主要原因；问题三中，计算样本的均值、标准差、方差、变异系数，从而描述土壤的空间变异特性，利用半方差函数分析重金属的空间分布特性，得出Cr、Cu、Hg、Ni 为集中分布而Pb、As、Cd、Zn为扩散分布的特点，通过在污染源附近选取采样点进行曲线拟合，求解出Cu、Cr、Ni、Hg 的污染源坐标分别为Cu(2036.5,4302.1)，Cr(3676.5,5373.3)，Ni(3351.5,5295.8)，Hg(2516.7,2961.4)，(14954,9282)和(13600,2423)；问题四中，建立了多个影响因子对城市地质环境演变模式的模型。
关键词：综合污染指数相关系数城市富集率变异系数半方差函数1.问题一模型的求解1）重金属元素在城区的空间分布图运用Matlab中Griddata插值函数对已知数据进行处理[1]，可以做出8种主要重金属元素浓度在整个城区的空间分布图。
图1 重金属As的空间分布俯视图图2 重金属As的空间分布立体图其它重金属的空间分布俯视图和立体图类似做出。
2）城区内不同区域重金属的污染程度评价方法综合污染指数[2]是全面反映各重金属对土壤的不同作用为单因子污染指数的最大值，为单因子污染指数的平均值。
根据中国绿色食品发展中心《绿色食品产地环境质量状况评价纲要(试行)》(1994)的规定土壤污染等级划分标准。
表1 重金属元素污染程度统计表2.问题二的建模及求解1）城市富集率(CER)以受人类活动影响较少的山区的元素为背景元素，重金属元素的CER模型Cin为第i功能区第n种重金属的平均含量，C3n为山区第n种重金属的平均值。
城市表层土壤重金属污染状况分析
本文旨在研究某城市表层土壤重金属 的污染 问题 ， ２ １ 以 ０ １年全 国大学生数模竞赛 Ａ题的数据
为 材料 。其 研究 内容 是 根 据 采用 点 的数 据 分 析 ８ 种 主要 重金 属元 素在 该 城 市 的 空 间 分 布 ， 市 不 城 同区域 重金 属 的浓 度 和污 染 程 度 ， 个 区 域 污 染 各
到 了中度 污染 ， 甚至严 重污染 的程 度 。
４ 重金属污染程度 的单 因子指数模型
要 确定城 市 不 同 区域 的 重金 属 污 染 程 度 ， 首 先必 须 得到各 个采 用点 每 种重 金 属元 素 的污 染 程
５ 重金属污染程度的综合模型
单因子污染指数法只能分别反映各个重金属
２１ ０２年第 １ 期
新疆化工
５
城 市 表 层 土壤 重 金 属 污染 状况 分 析 水
陈柯 柴 中林 李 佳琦 李晨
（ 中国计量学院 理学院 。 杭州 。１ １ ） ３￣ ８
摘
要 ： 究 了某城市表层土壤重金属 的污染问题。首先利用采样点的数据以及 曲面插值的方法得到主 研 要 重金属元素的城市空间分布 图。接 着利用单 因子指数法对各城 区土壤 中每一种重金属元素的
ｘ ｔ
图 １ 汞元素浓度的城市分布
市的工业生 产产生的。在有污染源 的区域 ， 由于
从图１ 可知， 汞浓度在城市的分布差别很大 ， 有的地方浓度很高 ， 的地方很低 。其 中高浓度 有
６
新疆化工
２１ ０２年第 １期
主要 分 布在 城 区 内的 工 业 区 和 主 干道 路 区 ， 围 范 较小 ； 活 区和 公 园绿 地 区的 言
随着我国经济 的发展 、 工业化进程 的加快 和
我国重金属污染现状、分布特征及来源分析-课件
土壤各重金属含 量与背景值之间 的差值
土壤：耕地土壤重金属
通过与背景值的比较， Cd 的富集最为严重， 其 次是 Pb， 超标现象在全国 普遍存在。
总体上看， 中国西南 部地区土壤重金属富集值 较高， 其次是两广和辽宁 地区。
土壤所含的重金属可以通过多种途 径进入水体，还可以以扬尘为载体在全 球范围内传播。
来源分析：大气中 As、 Cd、 Cr、 Ni、 Mn 和 Pb 的主要来源是化石燃料燃烧、 金属冶炼以及交通废气排放等，其中煤炭等化石燃料的燃烧是其共同的污染来源
环境科学研究, 2015, 28(7): 1053-1061
我国部分城市大气重金属质量浓度的空间分布特征
分布特征：我国城市大气重金属污染主要分布在北方的京津冀、 环渤海地区以及南方的 珠江三角洲地区。其中， Cd 污染多分布在南方城市， Mn污染主要集中在华北和华东地 区，As、 Cr、 Ni、 Pb 4 种重金属没有明显的空间分布特征．
环境科学学报, 2014, 34(10): 2455-2461
土壤重金属
2005年4月至2013年12月，环境保护部会同国土资源部开展了首次 全国土壤污染状况调查，公布《全国土壤污染状况调查公报》。调 查结果显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染 较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。
/gkml/hbb/qt/201404/t20140417_270670.htm
土壤重金属
《全国土壤污染状况调查公报》
/gkml/hbb/qt/201404/t20140417_270670.htm
土壤：耕地土壤重金属
精品
我国重金属污染现状、分布特征及来源分析
地理科学研究中的土地重金属污染与治理
地理科学研究中的土地重金属污染与治理近年来，随着工业化进程的加速和人类活动的不断增加，土地重金属污染问题日益突出。
土地重金属污染对生态环境和人类健康造成了严重威胁，因此，研究土地重金属污染的成因和治理措施成为了地理科学领域的重要课题。
首先，土地重金属污染的成因是多方面的。
工业废水和废弃物的排放是主要原因之一。
许多工业生产过程中产生的废水中含有大量的重金属物质，这些重金属物质通过排放进入土壤，造成土地污染。
此外，农药和化肥的使用也是导致土地重金属污染的重要原因之一。
农药和化肥中含有的金属成分在长期使用过程中会积累在土壤中，超过一定限度就会对土壤造成污染。
此外，城市化进程中的建设活动也会导致土地重金属污染。
建筑材料中的一些金属元素，如铅、铜等，会随着建筑垃圾的填埋而进入土壤，造成土地污染。
针对土地重金属污染问题，地理科学研究提出了一系列的治理措施。
首先，科学合理地利用土地资源是治理土地重金属污染的关键。
通过合理规划土地利用方式，减少重金属物质的使用和排放，可以有效地降低土地重金属污染的风险。
其次，开展土壤修复工作也是治理土地重金属污染的重要手段。
土壤修复是指通过物理、化学或生物手段，将受到重金属污染的土壤恢复到一定的环境质量标准之下。
例如，利用生物修复技术可以通过植物的吸收和转运作用，将土壤中的重金属物质转移到植物体内，从而达到净化土壤的效果。
此外，加强监测和评估工作也是治理土地重金属污染的重要环节。
通过对土壤重金属含量的实时监测和评估，可以及时发现和控制土地重金属污染的扩散和蔓延。
此外，地理科学研究还关注土地重金属污染对生态环境和人类健康的影响。
土地重金属污染不仅会破坏土壤的生态功能，还会对农作物的生长和发育造成不利影响。
重金属物质在土壤中积累过多，会阻碍植物根系的正常吸收水分和养分，导致植物生长不良甚至死亡。
此外，土地重金属污染还会通过食物链传递，对人类健康造成潜在威胁。
人类通过食用受到重金属污染的农产品，摄入大量的重金属物质，长期积累在体内会引发一系列的健康问题，如免疫功能下降、神经系统损伤等。
重金属积累在土壤表层原因【关于城市表层土壤重金属污染的数学模型分析】
重金属积累在土壤表层原因【关于城市表层土壤重金属污染的数学模型分析】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。
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。
由于在地表各重金属浓度的分布是相互影响的，并且受多种因素的多重影响，因此，我们应用因子分析法来研究重金属污染的主要原因。
地质环境是指由岩石圈、水圈和大气圈组成的环境系统。
各种元素在土壤中都是处于一个动态的循环过程。
一是土壤本身含有一定的量，即土壤背景值，这一值是自然形成的；二是元素的输入是多途径、多层次的，如工业、生活污染等；三是输入的元素会有一部分随着河流冲刷、地表侵蚀、植物吸收等因素流失。
为了研究城市地质环境的演变模式，应该首先研究土壤中重金属含量的输入和输出，这与该地区的地表河流分布，地势分布，风向及降雨等因素有关，因此还需要测定各种因素的叠加所导致的元素输入及输出后的累积系数，这些可以通过分析该地区历年的重金属浓度分布数据来求出。
结合各方面因素，我们建立了土壤重金属含量的动态变化模型：QT=Q0K?T+QK-Z1 土壤重金属空间分布及各功能区污染程度由于测量得到的只是有限个采样点的重金属元素浓度值，不足以涵盖整个城市的重金属含量情况，因此，首先需要建立模型对已知数据进行空间插值，得到该城市内重金属元素含量的总体情况，在此基础上进一步求解出各种重金属元素的空间分布并绘制空间分布图，从而可以分析不同功能区内重金属的污染情况。
步骤1：各功能区的地形特征运用Kriging插值对数据进行处理，并绘制出该城市的海拔高度图及各区域的地形特征图，从而得出各功能区所处的海拔范围，即居民区主要分布在海拔为0 m～20 m的区域，工业区、主干道区以及公园绿地区主要分布在海拔20 m～80 m范围内，而山区主要分布在海拔高于80 m的范围内。
城市地表重金属污染分布及污染源解析研究
城市地表重金属污染分布及污染源解析研究摘要本文研究的是城市中不同功能区重金属污染分布及重金属污染来源形式和污染源位置的相关问题。
针对第一问分析该城区内不同区域的重金属污染程度的问题，我们选用图示和指标衡量两步综合反映污染程度问题。
先用matlab绘出该地区重金属总量以及每种重金属元素的空间分布图，后以采集样本中8种重金属浓度和背景值通过换算，得到地质累积指数，定量的分析污染程度。
我们得到的结论为：工业区普遍受到较重的重金属污染，其次为主干道路区，再次是生活区和公园绿地区，山林区基本未受到重金属的污染。
第二问要求通过数据分析重金属污染的主要原因，我们发现各种重金属不是单一产生的，多种重金属在产生的过程中往往具有伴随性。
针对这种现象，我们使用因子分析法来确定各种重金属元素之间的相关性，然后利用它们的相关性定量分析各因子对8种重金属元素产生的贡献值。
最终通过已知数据可以得出： Ni、Cr、Cu的污染主要是由主干道路区汽车尾气产生， Hg的污染主要是由工业“三废”产生， As的污染主要是由生活区杀虫剂等药剂产生， Zn的污染主要是由生活区垃圾焚烧和主干道路区汽车轮胎磨损产生。
第三问要求建立模型找出污染源的位置。
我们发现重金属传播必定是借助于介质进行传播，则找出这种介质并研究其运行规律对解决此问有很大帮助，最终我们确定重金属元素主要以大气颗粒物和大气水为主要载体向外传播，为此研究大气颗粒行为方式成为我们的解题关键。
此问中我们运用高斯烟羽模型，推导出了由于大气颗粒物沉降带来的土壤重金属浓度分布服从高斯二维方程。
最终我们通过读图确定8种重金属元素的污染源个数分别为7、14、8、5、6、5、5、7个，再利用模型求出了其具体的位置坐标。
针对问题三中的模型，我们进行了稳定性的检验。
首先用matlab程序处理了所求的各种重金属污染源的位置坐标，求得了其各自相关点的距离，然后根据各个坐标点的间距，算得了其各自的污染源坐标点的相关系数，再与第二问中各种金属相关系数作比较，得出其误差平均为7.1%，误差的方差为0.005，这说明我们求得的污染源位置坐标具有较好的稳定性与可信度。
土壤重金属污染来源及其解析研究进展
土壤重金属污染来源及其解析研究进展一、本文概述随着人类工业化和城市化的快速发展，土壤重金属污染问题日益严重，对生态环境和人类健康造成了严重威胁。
重金属污染主要来源于工业排放、农业活动、交通运输和城市建设等多个领域。
本文旨在对土壤重金属污染的来源及其解析方法进行系统综述，以期为土壤重金属污染治理和生态修复提供理论支持和实践指导。
文章首先介绍了土壤重金属污染的定义、危害和国内外研究现状，指出了重金属污染的重要性和紧迫性。
接着，详细阐述了土壤重金属污染的主要来源，包括工业排放、农业活动（如化肥和农药的使用、畜禽养殖等）、交通运输（如汽车尾气排放、道路尘埃等）以及城市建设（如建筑垃圾、城市污水等）。
这些来源释放的重金属通过大气沉降、水体流动和生物迁移等途径进入土壤，导致土壤重金属含量超标。
在解析土壤重金属污染方面，文章综述了多种方法和技术，如污染源解析技术（包括同位素示踪、多元统计分析等）、土壤重金属形态分析、生物有效性评估以及风险评估等。
这些方法和技术的应用有助于深入了解重金属在土壤中的分布、形态、迁移转化规律和生物有效性，为制定针对性的污染治理措施提供科学依据。
文章对土壤重金属污染的研究趋势进行了展望，提出了未来需要加强的研究方向，如加强重金属污染源头控制、发展新型污染治理技术、完善风险评估和预警体系等。
通过综合研究和实践探索，我们有望为土壤重金属污染的有效治理和生态修复提供有力支持。
二、土壤重金属污染的主要来源土壤重金属污染的来源多种多样，主要可以归结为自然来源和人为来源两大类。
自然来源主要包括成土母质的风化和侵蚀，以及火山喷发、森林火灾等自然事件带来的重金属元素。
然而，这些自然过程对土壤重金属含量的贡献相对较小，通常不会超过土壤背景值。
相比之下，人为活动对土壤重金属污染的影响更为显著。
工业生产过程中产生的废气、废水和固体废弃物是主要的重金属污染源。
例如，矿山开采、冶炼、电镀、化工等行业，在生产过程中会排放大量含重金属的废弃物，这些废弃物如果不经过妥善处理，就会对周边环境，特别是土壤造成污染。
城市表层土壤重金属的污染特征及来源分析
城市表层土壤重金属的污染特征及来源分析任宏峰;郝淑双;徐长伟【摘要】This paper analyses Characteristics and Sources of the topsoil heavy metal Pollution in certain city.First,the spatial distribution maps of the concentration of eight heavy metals were drawed by kriging interpolation method.Second,the pollution level of eight heavy metals in each functional area were evaluated through the single factor index method and the overall pollution index nemerow method.Finally the research result of factors analysis indicates there are three respects in main sources of soil heavy metal pollution,which involve the pollution sources of traffic pollution sources,industrial pollution sources,resident＇s life pollution sources.%本文分析了某城区土壤重金属的污染特征和来源。
首先,利用克里格插值方法绘制某城区8种重金属元素浓度的空间分布图;其次利用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价各功能区8种重金属元素的污染程度;最后,利用因子分析法分析土壤重金属污染原因,结果表明主要由交通、工业和居民生活垃圾等三方面原因造成。
城市表层土壤重金属污染来源与分布问题
城市表层土壤重金属污染来源与分布问题摘要：本文针对在城市快速化发展和人口不断增加背景下，对城市表层土壤受重金属污染问题进行了综合分析。
基于八种主要元素在城区空间分布，土壤受污染主要原因，传播特征以及为今后如何更好地研究地质演变问题分别建立了构思或模型，并对求解结果进行了分析。
我们已知综合系数比较严重的区域，以及污染比较严重部分取样点。
综合考虑自变量，本地用地类型，综合周围区域用地类型，以及题中的实际数据，比较全面的分析了该城区不同区域重金属元素对土壤污染的原因。
关键词：表层土壤重金属分析模糊数学高斯模型尺度空间理论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。
一、交通区和工业区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。
公路或铁路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。
青岛城市土壤重金属的形态分布及影响因素分析
Cu 范围 平均值 变异系数 /% 青岛背景值 污染累积指数 25. 27 110 . 55 54 . 45 52. 03 ∀ 22 . 73 45 . 03 13 . 2 3. 95 Zn 412. 12 27. 12 176 . 13 ∀ 106. 76 60 . 62 69 2 . 55 Pb 94 . 50 41. 76 ∀ 12 . 03 28 . 80 31 1. 35 Cd 0 . 22 3 . 04 1 . 29 ∀ 0 . 75 58 . 20 0 . 13 9 . 92
[ 10] [ 9]
; 形态含量提取采用改进的 T essier分级提
取法 . 待测液均用 TAS 986系列原子吸收分光光度计进行测定 , 在测定以上元素时, 每 10 个测定样 品间用标准样检测结果, 以确保测定精度 . 土壤 p H 测定采用 1 2 . 5 土水比法; 有机质 ( OM ) 含量采用重 铬酸钾法测定 ; 土壤颗粒组成分析采用比重法 , 土壤颗粒分级采用国标制 数据分析采用 Excel和 SPSS13 . 0软件进行.
[ 12 ]
. 由表
元素地球化学研究表明, 成因相似的元素之间常有较好的相关性 . 因此, 统计上相关性较高的重金 [ 13 ] 属元素之间在成因上也有相似之处 . 表 3 可知 , Cu、 Zn 、 Pb 、 Cd 4 种重金属之间均呈极显著正相关, 这 表明 4 种重金属来自同一污染源的概率较大, 具有较强的伴生关系 .
2 结果与讨论
2 . 1 土壤重金属含量 青岛市土壤中 Cu、 Zn 、 Pb 、 Cd 的平均含量均超过山东省土壤重金属元素的背景值, 分别有 38 . 3% 、 28. 3 %、 83 . 3 % 土壤样品超过国家土壤二级标准中 Cu、 Zn 、 Cd 的推荐值 , 可见青岛市土壤中 Cd 污染较 为严重 . 土壤重金属含量变异系数在 28 . 80 % 60 . 62 % 之间 , 属于中等程度变异. 在不同功能区土壤之 间 , Cu、 Zn 、 Pb 、 Cd 的含量有一定差异 ; 其中 Cu 、 Zn、 Cd 的含量在工业区最高, 而 Pb 含量在商业区最高. 表明人类的工业生产活动以及交通活动影响了重金属在土壤中的积累 . 由于土壤的地区背景差异较大, 一般用土壤污染累积指数 ( 以青岛市土壤背景值作为参考评价标准 )反映土壤的人为污染程度 2 可知, 土壤重金属累积污染程度为 Cd> Cu> Zn> Pb, 其中 Cd 为重度污染.
徐州城市土壤重金属污染空间分布研究
徐州城市土壤重金属污染空间分布研究
徐州城市土壤重金属污染空间分布研究
城市土壤作为城市环境中重金属的主要蓄积库,反映了城市环境受重金属污染状况.随着城市发展,环境压力增大,加强对城市土壤中重金属污染研究具有迫切性和重要性.为此,在土壤采样点数据基础上,利用GIS 技术,对徐州市土壤重金属来源与空间分布关系进行了研究.研究结果表明:徐州城市土壤的重金属主要来源可以分为交通污染源、燃煤污染源和土壤母质,且分布明显地与产业活动呈一致性.
作者：陈永康王学松 CHEN Yong-kang WANG Xue-song 作者单位：陈永康,CHEN Yong-kang(华南农业大学信息学院,广东,广州,510642)
王学松,WANG Xue-song(淮海工学院化工系,江苏,连云港,222005)
刊名：江苏环境科技ISTIC英文刊名：JIANGSU ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：2006 19(4) 分类号：X7 关键词：城市土壤重金属徐州市 GIS。
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 要本文针对城市表层土壤受重金属污染问题进行综合分析。
首先运用Matlab 软件求解8种主要重金属元素在城区空间分布，土壤受污染主要原因，传播特征以及为今后如何更好研究地质演变问题分别建立了相应的数学模型，并对其求解结果作出了分析。
针对问题1，根据各种污染物浓度在不同区域内分布的随机性，利用空间内插值法，以城市位置为平面“横纵向”，污染物浓度为“竖向”建立三维空间模型，得到这8种重金属元素的空间分布图，直观反映出污染物浓度的等值线，得到污染物浓度的分布规律和各种重金属元素的污染浓度范围区块。
然后通过建立污染负荷指数法模型算出各区的)(PLI 值，生活区)(PLI 为1.8336，工业区)(PLI 为2.1573，山区)(PLI 为1.0602，交通区)(PLI 为1.9209，公园绿地区)(PLI 为1.5780；结果表明工业区的污染程度最高为2级强污染，其他区为1级中等污染。
针对问题2，根据问题1中不同功能区重金属的污染程度与附件2的数据，利用Pearson 相关性分析和主成分分析法，建立了相关性模型与主成分模型，对应找出各区重金属污染的主要因子，得到该城区的重金属污染主要元素为：u g Cd C H Pb 、、、，污染主要原因为冶炼、化物生产等工业废水、污泥，汽车尾气排放。
针对问题3，根据重金属污染物的圆型传播特征，利用物理热力学第二定理，分别建立了一维土壤迁移模型、沉降模型和最优解模型，确定了生活区有3个污染源：分别为样本点20、306、259；工业区的污染源为样本点261 ；山区的污染源为样本点62 ；交通区有2个污染源：分别为样本点245、292 ；公园绿地区的污染源为样本点315 。
其结果与重金属元素在该城区的空间分布图作对比，吻合得很好。
针对问题4，通过对问题1,2,3所建模型优缺点的分析，为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集城区每年生活、工业等重要污染源的垃圾排放放量、每年的生物降解量、排污企业个数的增减值、PH 值、河流所经区域等信息。
城市表层土壤重金属污染论文(原创)
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. 本文针对这一问题, 根据获得的数据资料开展城市环境质量的评价, 研究人类活动影响下城市地质环境的演变模型.针对问题1, 本文根据已给出的样点数据对城区进行分块, 并运用Griddata 函数对原有数据进行差值操作，绘制三维地形图. 采用Muler地积指数法对各区表层土壤中8种重金属污染程度划分级别, 分析该城市各功能区的重金属污染程度. 根据重金属污染指数, 运用MATLAB软件画出8种主要重金属元素在该城区的空间分布, 并针对污染程度将8种主要重金属元素在该城区的污染程度进行排序.针对问题2, 本文运用MATLAB软件对8种重金属进行相关性比较, 依据重金属的污染分布规律将其分为四类. 从四类中分别筛选出具有代表性的元素进行研究. 采用层次分析法, 定性的找到4大污染原因. 再通过对数据的分析处理,得到各类重金属污染的主要原因，寻找异同点.针对问题3, 本文将问题1中得到的各样点的8种重金属的Muler地积指数值进行累加得到样点的综合污染指标, 用MATLAB软件绘制等高图. 颜色的深浅反映出各区重金属的污染程度, 运用统计知识寻找到两个污染源. 建立高斯分布模型，分析得到重金属污染物的传播特征, 并利用已有数据对模型进行校正，绘制模拟图与实际图进行拟合比较，通过模型可以计算出除污染源外各点的近似污染值.针对问题4，为了更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集“地质环境系统特征”、“产业结构分布特征”以及“不同时间下的各样点重金属含量”的具体数据，对已有模型进行推广与改进, 并根据污染源的传播衍射特征, 构建了地质环境演变的动态模型.根据数据的分析与所建立的模型, 可以一定程度上拟合出较符合事实的重金属污染分布特征.关键字：重金属污染地积指数高斯分布等高图问题重述随着人类生活水平的提高，人们更加关注周围的环境问题，，十二五规划中也提出要加强环境治理与污染预防. 土壤是生存之本，必须提高对土壤污染的监测与治理力度. 随着工业化在全球范围内的飞速发展，以及人口的不断增加，城市逐渐划分为五大功能区：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，且不同的区域环境受人类活动影响的程度不同. 人类活动对城市环境质量的影响日显突出，对城市异常环境的研究，以及如何查证获取相关资料开展城市环境评价，研究人类影响下城市地质的演变模式，日益成为人们关注的焦点.通过上述分析，运用数学建模的方法解决如下问题：●通过对已知数据的整理画出该城区的平面图，分析附表所给数据，得出8种主要重金属因素在该城区的空间分布，并以不同的颜色表示该城区内不同区域重金属的污染程度.●对所给数据进行处理，分析出不同功能区对重金属的污染权重，并得出重金属污染的主要原因.●根据上两题得出的结论，画出污染区域图，并结合图表来分析重金属污染物的传播特征，并建立模型求得污染源的位置.●从各角度分析所建立模型的优缺点，以及收集相关信息来更好地研究城市地质环境的演变模式，并讨论如何通过这些信息来建立模型解决问题.模型假设1. 海拔因素在考虑城功能区分布时认为是暂时不变量, 且对于土壤中重金属的传播属于次要因素.2. 采样点附近地区的功能属性与样点相同.3. 污染的扩散满足正态分布.4. 污染强度是均匀连续变化的, 不存在突变的现象.5. 研究污染传播途径时，考虑主要污染源，对次要污染源的影响可以忽略不计.6. 重金属污染程度可以用地积指数计算得到的eolg值来反映.7. 多个污染源对于研究点的污染彼此独立，且满足叠加效应.符号说明lg地积累指数eoφ地区级数和ϕ金属级数和α方案层第i个元素对于目标层的权重iβ方案层第i个元素所占的比例iλ最大特征值maxγ方案层第i个元素特征向量iCn元素在采样点的含量Bn元素在土壤中的背景值O目标层P方案层CI一致性指标RI随机一致性指标模型建立1问题一：1.1地区划分：按照功能划分城区, 分为5类(生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区)，分析附件1中的相关数据，运用MATLAB进行处理. 发现样点所属的区域类别在城区里的综合分布并不完全具有规律性, 但从统计角度来说, 存在一定的概率性分布. 各城区的大致地理分布如图1-1所示：图1-1由图看出, 虽然某些样点是孤立存在的, 但样点的分布总体上存在统计意义. 如：图中点附近多为, 此区域为山区；点附近多为, 此区域为交通区， 依次类推. 根据点的分布及城区的划分, 运用统计知识, 我们做出各区域在该城区的大致地理位置直观图. 并运用MATLAB 拟合出“三维地形图”：图1-2 三维地形图该图运用差值法, 将离散的点近似成一个可以预见的平面, 其中X, Y 表示平面坐标值, 纵向Z 轴表示海拔, 且在坐标中, 原点所处地势较为平缓, 随着X 、Y 值的增加, 可以发现Z 值也随之增加, 由“三维地形图”可以发现图1-1中“山区”的划定较为合理, 符合实际地形特征.1.2污染指标：为研究该城区不同区域的重金属污染程度, 我们采用“地积指数”对城市土壤表层中重金属污染浓度进行等级划分. Muller 指数的表达式为2lg log [/]eo Cn k Bn =⨯, 式中, Cn 是元素n 在土壤中的含量, Bn 是土壤中该金属元素在土壤中的背景值, k 为系数, 取1.5. 定义如表1-1：表1-1 地积指数eo lg 分级表“地积指数” eo lg 的引入, 能够较为直观地观察出该地区的污染程度, 通过污染程度等级的划分, 为下文讨论各区域重金属污染程度给出了明确的评定标准.1.3功能区污染程度评价：我们对数据按采集点的所属区域进行整理, 求出不同功能区各重金属浓度的平均值, 并将各重金属平均浓度与背景值进行比较. 如表1-2：表1-2 各功能区重金属平均浓度从表格中可以比较出不同功能区的各项重金属元素浓度的差别, 运用地积指数：]/[log lg 2Bn k Cn eo ⨯=对浓度整理， 划分等级, 得到分级表格1-3:通过比较不同重金属元素在各功能区的地积指数与级别, 可以非常直观地看出不同功能区各重金属的污染程度的差异. 定义“功能区综合污染程度”为φ:∑==81i i n φ对各功能区进行级数求和可以得到表1-4：比较8种重金属级数和的数值,发现工业区的综合污染指数最大, 为15. 交通区的综合污染指数为12, 生活区的综合污染指数略高于公园区为9, 公园区的综合污染指数为7. 山区的综合污染指数最小, 为0.将各金属元素的纵向相加, 求纵向级数. 定义“金属级数和”为ϕ：∑==51j j n ϕ运用相同的方法可以得到：Hg 的级数和为11, Cu 的级数和为8, Zn 的级数和为7, Cd 的级数和为5, As 的级数和为4, Pb 的级数和为4, Cr 的级数和为3, Ni 的级数和为1. 从金属级数和角度可以发现, Hg 在该城市的污染程度较大. 污染最为严重, Ni 金属在该城市的污染程度最小.1.4单金属元素污染分布：首先, 我们针对同一种金属对各采样点进行地积指数计算. 以金属Cr 为例, 运用eo lg 计算可以得到197个无污染的采样点, 103个轻度污染点, 11个中度污染点, 3个中强度污染点, 2个严重污染点. 按等级绘制图1-3图1-3 Cr 元素城区污染程度分布由图看出: 污染程度较为严重的点主要集中在工业区和交通区, 且污染程度成发散状. 从中不难推断出：污染并不是单独存在一个区域的, 它对周围的环境也会产生影响, 存在向周围扩散的趋势. 为进一步研究, 我们结合图1－1， 得到一个复合图1－4, 从图中可以观察得到相关信息：较为严重的污染样点大多集中在工业区和交通区, 且在工业区的左下方, 受工业区的污染影响, 公园也受到一定污染.图1-4从图1-4中可以发现Cr在生活区与山区的污染程度较轻, 在工业区的污染分布不太均匀, 交通区也有较严重的Cr污染, 但主要分布在工业区的左下角,且分布集中在坐标(45.0⨯)附近, 由此可大致推断出污染的主要原10104.0⨯, 4因为工业生产, 同时土壤重金属污染也会传播至其它地区.运用相同的方法,分别对As、Cd、Cu、Hg元素依据浓度级数绘制分布图.如图1－5, 1－6, 1－7,1－8所示:图 1-5 图1-6图1-7 图1-8从不同种金属元素的分布图中可得到相同的结果：污染较严重的点集中于坐标(4105.0⨯)附近. 若用地区划分可以得到污染最严重的为工业区,4.0⨯, 410且传播方向为以最严重点为中心, 向外发散. 且比较不同金属的污染程度, 可以得出不同种金属的污染范围不同, 但都呈现出坐标右上角点的污染程度小于坐标左下角点. 与1.1中的地区划分相联系, 可以得到山区的综合污染程度普遍低于工业区和交通区.1.5各金属的主要污染分别选取了各金属元素中污染级数较高的样点, 对其进行处理与绘图, 得到各金属的综合污染分布，如图1-9所示：图1-9工业区有多处不同金属污染级数较高的点出现, 且有多个点重合. 从此发现重金属污染的源头主要集中在工业区, 且对周围地区存在一个辐射影响: 越远离工业区污染程度越弱. 不同金属的污染分布不相同, 但在总体上而言存在集中与分散关系. 重金属污染的传播方式将在第三问的模型中给出.2问题二：2.1各金属元素相关性比较由第一问的数据处理结果和图1－3得到：不同的金属在该区域污染度上存在着较高的相似性. 为深入研究不同金属之间存在的污染相关性, 我们将8种金属的分布以及其污染程度作为研究对象, 运用MATLAB软件进行相关性分析, 得到相关系数矩阵如下：通过相关系数矩阵的比较我们可以将相关性较高的几种金属进行组合归类,结果如下：Cr、Cu、Ni为一类, Cd、Pb、Zn为一类, 此外As、Hg与其他金属的相关性均不高, 独立归为一类. 下面运用置信矩阵对其相关性进行验证, MAC模态置信矩阵如下：表2-2若置信矩阵中数值05.0说明两者的相似性较高, 可以说明归类是可行的. 从置信矩阵对金属元素的分类进行验证, 从置信矩阵中可以发现分类是满足分类要求的.综上, 我们根据相关性分析与置信矩阵的检验将8种金属根据样点的污染程度分布规律得到以下分类：表2-32.2污染原因模型功能区共有5类, 分别为：生活区、交通区、山区、公园区、工业区. 从这五个功能区出发并分析重金属的元素属性, 可以得到以下4个污染原因, 分别为：工业污染、交通污染、生活污染、农业污染. 在此, 五个功能区受这四个污染原因的影响具有十分明显的差异性. 工业区—工业污染较严重, 生活区—生活污染较严重, 交通区—交通污染较严重, 山区—农业污染较严重. 构建模型如下：图2-1模型中, 研究的目标为：重金属污染的原因. 重金属污染的原因有4种, 为了进一步定量分析, 我们需要确定这4种污染的权重.（1）根据2.1中对于相关性分析, 我们将8种金属归为4类, 在这4类中分别选取一种金属, 对其研究, 不妨选取(第一类：As, 第二类Hg, 第三类Cr, 第四类Pb)做为研究对象. (2）依据假设, 工业区污染所代表的为工业污染, 交通区污染所代表的为交通污染, 生活区污染所代表的为生活污染, 山区污染所代表的为农业污染. 将不同地区污染程度的均值来反映不同类型的污染状况,将浓度的数值量纲统一, 得到表2－4：以As 为例71=α, 62=α, 63=α, 44=α, 根据ij j i a ⇒αα:可以得到正互反矩阵A ：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=13/23/27/42/3117/62/3117/64/76/76/71A 对矩阵A 求最大特征值4max =λ 一致性检验：N 阶正互反矩阵最大特征值max λ=n 时, 为一致性矩阵. 一致性指标1--=n nCI λ, 当CI 值越小, 不一致越严重, 随机一致性指标RI,RI 满足表2-5数据：经计算, 一致性比例CR =0=RI CI , 认为是一致性矩阵. 根据最大特征值计算特征向量：)0.34,0.51,0.51,.600(1=γ根据特征向量算出重金属As 的污染原因：=污染As 山区生活交通工业PP P P 34.051.051.060.0+++ 运用相同的方法对Cr 、Hg 和Pb 进行求解, 得到各重金属污染原因结构函数： =污染Hg 山区生活交通工业PP P P 14.014.054.081.0+++ =污染Cr 山区生活交通工业PP P P 36.062.053.044.0+++ =污染Pb 山区生活交通工业PP P P 30.052.044.067.0+++ 通过观察可以看出, Hg 、Pb 和As 受工业影响最为严重, 影响系数分别为0.81, 0.67, 0.60；而Cr 受生活污染最为严重, 影响系数为0.62. 我们还发现, As 与Pb 受各类污染影响的比例系数相近, 据报道和相关资料得到, Pb 与As 主要受工业三废(废气, 废水, 废渣)的影响, 同时在交通发达地区, 汽车尾气排放和轮胎磨损也是造成污染的相关原因. Hg 受工业污染最为严重, 一个重要的原因是燃煤污染, 其次是工业三废污染, 大气中含Hg 污染物的干湿对城市土壤Hg 的污染也有很大影响. Cr 污染受各功能区影响比例系数都较高, 主要来源于城市居民生活累加到土壤中的Cr 、交通污染、工业三废以及一些商业活动等.3问题三3.1污染源位置对样点的各金属计算各自的eo lg 值, 例计算样点A 的8中金属的eo lg 值, 分别为：1lg eo 、2lg eo ……n eo lg 计算样点A 的综合污染eo lg 值为：=综合eo lg 81lg i i eo =∑ 运用MATLAB 软件, 根据各个样点的综合污染eo lg 值, 绘制等高图：图3-1红色等高线为污染最严重的区域, 其次为黄色等高线. 图中红色区域较小, 且位于点(2000,3000)附近, 在红色等高线附近依次为黄色等高线、青色等高线、蓝色等高线, 即指污染程度逐渐降低并有向外扩散的趋势. 将图中红色等高线近似为圆形, 画出圆心, 近似将其作为污染源, 截取局部图加以说明：图3-2取出红色区域, 画出范围图,求出圆心(污染源), 从图中的颜色分布可知,圆心色彩最重, 随着圆半径的增加, 颜色逐渐变浅, 可以从图中推测出重金属的污染呈扩散的趋势. 从图中看出圆心A 位于坐标(2400,3200)且红色区域涵盖了20个网格. 运用相同的方法,求出另一个圆心B 的坐标(6000,8500). 如图3-3所示.图3-3综上所述, 通过数据处理以及MATLAB 绘图可以从中选择出两个污染源A 与B, 其坐标分别为(2400,3200), (6000,8500). 且A 点为主要污染源, B 点为次要污染源. 但两者在污染传播的总体方式相近, 可以运用相同的模型, 但需要选取不同的权重值.3.2传播特征模型通过3.1的研究可以确定两个污染源A(2400,3200), B(6000,8500). 确定了污染源之后, 通过建立模型研究传播特征, 并运用模型推断出周围地区的污染程度.3.2.1单个污染源传播模型污染源为0H (000z y x ，，),研究点为)(z y x G ，，, 研究点距离污染源的距离为d (km), 距离污染源为d 的点处污染程度为P(d).G 与H 之间的距离202020)()()(z z y y x x d -+-+-=如图3-4所示, H 为污染源, G 为研究点, H 与G 点的距离为d , 在H 点的污染程度为P(0),在G 点的污染程度为P(d),为研究G 点的污染程度, 需要建立以d 为自变量的函数.依据假设, 污染源的污染扩散满足中心极限, 即以P(O)为峰值, 0=X 为对称轴, 做正态分布.图3-4]2)(exp[2122σμσπ--=d P ◎μ为均数即X=μ为对称轴, 令污染源的位置在Y 轴上可以得到μ=0. ◎峰值的大小为σπ21对模型进行校正, 将峰值的大小转化为H 点的污染程度. ◎ σ为标准差, 即满足公式：∑=--=ni i x n 122)(11μσ. 标准差σ决定正态曲线的陡峭或扁平程度, 即代表了扩散能力.不同的重金属的扩散能力并不相同,也就是说σ值的大小由于金属本身与环境所共同作用, 在确定了金属的属性与环境后, σ是一个定值,对于数据的处理可以计算得到σ的值.图3-5经过校正后得到单个污染源传播模型：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=--=--=-+-+-=∑=0)(11]2)(exp[)0()()()(12222202020μμσσμn i i x n d p P z z y y x x d 此模型建立在正态分布的基础上, 利用已有数据对正态模型进行校正, 得到单污染源的传播模型. 它满足正态分布的基本性质, P 值所代表的值为研究点在污染源的影响下, 按照正态的传播方式所得到的污染值.3.2.2多个污染源的传播模型依据假设, 在传播时, 每个污染源独立传播互不影响, 但对于作用点而言存在叠加的效应. 如图3-6所示, 建立模型如下：图3-6i 22221()()()(0)exp[]21()10i i i i i i n i i i i i d P P d d P d p x n μσσμμ=⎧=⎪⎪=⎪⎪--⎪=⎨⎪⎪=-⎪-⎪⎪=⎩∑∑总 模型解释：第一个函数为研究点距离污染源的距离.第二个函数为综合考虑多个污染源对于研究点的污染效果, 为叠加的效应. 第三个函数为考虑单个污染源时, 对研究点的污染效果.第四、五个函数为正态分布中标准差与均值的求解.在模型3.2.1中已论述σ与金属属性及环境有关, 为定值. 因此可通过带值计算得到.针对第二个函数, 给出图像解释与说明, 如图3-7图3-7图中蓝色与红色的曲线分别代表了由不同污染源作用下产生的污染传播图像, 虚线代表两种污染作用叠加后的综合污染数值分布图. 从图像中可较为直观地得出污染的叠加效应. 此叠加效应符合正常的传播逻辑.3.2.3模型检验根据模型, 针对污染源A 点, 计算单污染源的传播模型的各个系数, 对数值取整, 得到以下较为简单的式子：)32exp(33)(211d d P -= 同样地，对于污染源B 点，计算单污染源的传播模型，可以得到以下近似的式子)32exp(21)(222d d P -=. 根据∑=)(i i d P P 总可以列出研究点的综合污染的函数： ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-+-+-=-+-+-=-+-=222222212221)040.0()5.8()0.6()007.0()2.3()4.2()32exp(21)32exp(33z y x d z y x d d d P 总（1）绘制出)(1d P 的图像，见图3-8图3-8由图可知)(1d P 取5、10、15、20、25、30时依次对应的d 值为6.1811、5.0230、4.0031、2.9806、1.7464. 数据解释：当eo lg =5时，与污染源的距离为d =6.1811km. 根据数值可以绘制半径为6.1811km,此圆上点eo lg 均为5.（2）绘制)(2d P 的图像，如图3-9图3-9由图可知)(2d P 取5、10、15、20时依次对应的d 值为6.7766、4.8726、3.2813、1.2495数据解释：当eo lg =5时，与污染源的距离为d =6.7766km ，根据数值可以绘制半径为6.7766km,此圆上点eo lg 均为5. 将根据)(1d P 与)(2d P 得出的数据，绘制等高图3-10.图3-10通过与图3-1的比较，可以发现所建立的模型得到的污染源位置与实际污染源位置大致符合，污染扩散对周边地区的影响也与实际污染传播特征相类似，契合度较高，表明我们的模型建立是科学的、合理的.4问题四4.1收集的相关信息地质环境系统特征(即收集的相关信息)：我们从地质灾害、气候、资源、产业结构变化等方面分析该城市地质环境的演变模式. 下面是各因素对地质环境的具体影响：1.地质灾害对地质环境的影响：人类一些不合理、不科学的活动将加剧地质灾害的影响, 导致地质环境恶化：如火山对地质环境的影响：各沉积环境火山作用产物及火山岩风化产物的充填；各沉积相被当地多期(次)火山岩控制并埋藏于其下的火山沉积相组合由下至上“螺旋式”规律性变化；引起地表抬升与构造地形的变化, 从而影响排流模式的变化.2.气候的影响：如盛行风.温度的高低、湿度的差异对当地地质环境的影响.3.资源对地质环境的影响：考虑地下水资源, 一方面, 人类大肆开采地下水资源, 导致地下松散地层固结压缩, 引发地面沉降；另一方面, 人类活动产生的地下水漏斗加速了污染物的渗透, 导致了地质环境的进一步恶化.5.产业结构变化对地质环境的影响：产业结构与地质环境有息息相关, 人类产业的过度发展也会产生相关污染, 导致地质环境恶化, 而地质环境的恶化也将抑制有关产业的发展. 因此, 如何调整产业结构才能对城市地质环境产生积极影响显得尤为重要.综合上述影响因素, 我们采用地质环境质量指数来研究城市地质环境的演变模式, 考虑各因素的影响权重, 运用题二中的层次分析法得出地质环境质量指数α与各因素之间的函数关系, 可以根据α的数值大小将城市地质环境的演变划分1－4个模式, 1为地质强恶化城市(α范围待定同下)、2为地质中恶化城市、3为地质轻恶化城市、4为地质优良城市. 根据每隔一定时间段采集的该地区数据, 将该城市地质环境进行划分, 并根据统计理论, 预测之后该城市的地质环境演变模式. (比如每隔10年该地区模式演变为1－2－3－2－3－4, 并对此模式提出评价及相关建议)4.1.1对重金属污染模型深入探讨图4-1若要深入研究重金属污染原因，则需分析了解该地区的布局，并收集到更多工业废水、废渣、废气的成分、汽车尾气排放数据、轮胎磨损概率、生活垃圾与生活污水排放数据，对这些数据进行量纲统一整理，可以得到较为精确的模型，更加细致地分析该地区的土壤中金属污染的各个因素的权重，寻找出最大的污染原因.4.1.2地质演变模型的探讨由于重金属的污染以及其它类型物质的污染均具有一定的演变与扩散特征，所以研究演变扩散的方法与模型具有一定的实际价值. 但扩散是一个动态的过程，需要构建一个动态模型. 对于动态模型，需要收集各样点的各种重金属浓度随时间的变化值，通过分析各金属浓度随时间的变化规律得到金属的扩散速度扩散v ， 随着污染的扩散可以知道污染面积将逐步增大, 且污染源周边地区土壤中重金属的含量将有明显增加, 假设污染源以恒定排放速度排放v 造成土壤中重金属的污染.从问题3单污染源污染模型可得到以下高斯式模型：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--=--=∑=n i i x n d p P 12222)(11]2)(exp[)0(μσσμ 由于污染源)0(p 点以恒定的速度造成土壤中重金属的污染，则在时间t 后的污染源的土壤重金属值将以一定的速度增加，即满足：)0()0('p v t p +⋅=排放 重金属的扩散速度定义为扩散v则在一维坐标系中扩散的距离扩散v t m ⋅=在二维坐标系中扩散的面积2020)(r v t r S ⋅-⋅+=ππ扩散 在三维坐标系中扩散的体积303034-)(34r v t r V ⋅⋅+=ππ扩散 研究演变的性质：污染的传播性质与波的传播存在一定程度上的相似性，可以运用波的衍射理论来解释污染的传播现象，并能通过波的衍射理论描述土壤中污染物的演变规律. 波的衍射是指波在传播的过程中产生了很多子波源，子波源彼此独立传播，作用效果互相叠加图解4-2.图4-2 图4-3污染模型存在一定的衍射现象，此现象在现实生活中也容易被理解，通常情况下污染物质会以圆形的扩散向外传递，当遇到障碍物时，随着时间的增长，障碍物的另一侧也会被污染，即在圆形扩散受到破坏时污染的传播仍旧存在，如图解4-3.综上，研究地质演变时，需要收集各样点随时间变化的数值，计算污染扩散速度与污染源恒定排放速度，通过扩散模型与衍射模型可以得到地质环境演变的动态模型.模型的优缺点分析优点：1.建立的模型简单明了, 可操作性强.2.对所给数据进行充分分析, 准确性高.3.适用范围广泛, 对于类似的问题, 运用该模型也可以得到很好的解决.4.本模型充分考虑单污染源与多污染源对不同区域引起的污染程度及其扩散不同, 基于高斯点源模型做了改进, 更符合实际情况, 确保了结果的可行性.5.我们运用差值法，对有限的数据进行充分利用，绘制三维图形.缺点：1.未对海拔因素进行充分的考虑.2.本模型没有考虑气体污染扩散的影响, 可能会对结果造成一定的误差.3.数据不够多，差值计算存在偏差，对于模型结果产生一定的影响.参考文献[1]卓金武，魏永生，秦建，李必文. MATLAB在数学建模中的运用，北京：北京航空航天大学出版社，2011[2]柴世伟，温琰茂，张亚雷，赵建夫.地积累指数法在土壤重金属污染评价中的应用，同济大学学报(自然科学版)，第34卷第12期：1657-1661，2006年. [3]王雄军，赖健清，鲁艳红，李德胜，周继华，王建武.基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源，生态环境，第17卷第2期：671-676,2008年.[4]张斌才，赵军.大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究，环境监测管理与技术，第20卷第5期：17-19， 2008.。
关于城市表层土壤重金属污染的研究
关于城市表层土壤重金属污染的研究摘要本文通过某城市5大功能区不同位置、不同海拔处8种重金属元素浓度的数据，对该城市各功能区土壤地质环境建立模型进行了详细客观的分析。
对于问题一，采用matlab绘制四维表现图，即通过mesh(x,y,z,Con)语句(辅以colorbar 命令)来绘制三维“地貌特征图”，叠加第四信息“重金属元素采样浓度”的表现方法描述重金属元素的空间分布特征。
这样，既保持了几何地貌的原型，又体现了重金属浓度的空间分布状况。
为分析不同区域的污染程度，建立了富集因子模型将8种重金属元素污染程度分为五级，再根据熵的定义确定权重建立模糊综合评价模型，得到各功能区各元素污染程度的权重，结合污染级数说明了不同区域不同重金属元素的污染程度。
对于第二问，首先对第一问中得到的权重进行排序，得到重金属元素不同的污染程度，同时建立主成分分析模型，得到的元素污染程度的排序与第一问中污染元素的排序高度相似，确定模型的稳定性后，查询相关资料，判断出产生该重金属污染的主要物质，合理判断出重金属元素污染的主要原因。
对于第三问，建立了空间分布的正态模型，通过拟合的传播方程分析重金属污染物的传播特征，而建立的空间分布的正态模型不能精确的表述污染“源”和“汇”的问题，考虑了两种方法解决模型中的这一弊端，即：在三维正态模型的基础上，再次建立一维重金属传播模型，得到距离与重金属元素迁移关系，从而确定污染源或者对多个正态分布进行叠加以确定污染源。
考虑模型的实用性与推广性，本文选择了后者。
对于第四问，通过重金属的三种传播形式研究了城市地质环境的演变模式。
通过对以上问题的研究，本文得出这样一些结论：重金属元素空间分布并不均匀，5大功能区As都是中度污染，工业区Cu元素污染比较严重，主干道路区Pb污染较为严重。
本文还阐述了重金属的传播特征，各重金属元素污染源的位置以及该城市地质环境的演变模式。
关键词：四维表现图富集因子模糊综合评价主成分分析一维重金属传播目录Ⅰ问题重述 (3)Ⅱ问题分析 (3)Ⅲ模型假设 (4)Ⅳ符号说明 (5)Ⅴ模型建立与求解 (5)4.1问题1的建模与求解 (5)4.1.1重金属元素的空间分布 (5)4.1.2不同功能区重金属污染程度判定 (7)4.1.2.1模型一富集因子法建模与求解 (7)4.2.2模型二模糊综合评价法建模与求解 (9)4.2.2.1方法及模型介绍 (9)4.2.2.2模型的建立与求解 (12)4.2问题2的建模与求解 (13)4.2.1概括分析重金属污染的主要原因 (13)4.2.2模型三重金属污染主要原因的主成分分析探源 (15)4.2.2.1主成分分析原理 (15)4.2.2.2计算相关系数矩阵 (16)4.2.2.3计算特征值与特征向量 (16)4.2.2.4主成分贡献率及累积贡献率 (16)4.2.2.5计算主成分载荷 (17)4.3问题3的建模与求解 (18)4.3.1模型四三维的非线性多项式拟合 (18)4.3.1.1空间分布的正态模型 (18)4.3.1.2传播特征方程 (19)4.3.2模型五一维重金属传播模型 (20)4.3.2.1模型的建立 (20)4.3.2.2重金属污染物排放量的确定 (21)4.4问题4的建模与求解 (21)4.4.1重金属的传播形式 (21)4.4.2数学模型的建立 (22)Ⅵ模型评价与改进 (23)参考文献 (24)Ⅰ问题重述近年来，随着城市经济的快速发展和城市人口的不断增加，城市重金属污染问题日渐突出。
城市表层土壤重金属污染分析最新版2.0
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城市地表重金属污染分布及污染源解析研究摘要本文研究的是城市中不同功能区重金属污染分布及重金属污染来源形式和污染源位置的相关问题。
针对第一问分析该城区内不同区域的重金属污染程度的问题，我们选用图示和指标衡量两步综合反映污染程度问题。
先用matlab绘出该地区重金属总量以及每种重金属元素的空间分布图，后以采集样本中8种重金属浓度和背景值通过换算，得到地质累积指数，定量的分析污染程度。
我们得到的结论为：工业区普遍受到较重的重金属污染，其次为主干道路区，再次是生活区和公园绿地区，山林区基本未受到重金属的污染。
第二问要求通过数据分析重金属污染的主要原因，我们发现各种重金属不是单一产生的，多种重金属在产生的过程中往往具有伴随性。
针对这种现象，我们使用因子分析法来确定各种重金属元素之间的相关性，然后利用它们的相关性定量分析各因子对8种重金属元素产生的贡献值。
最终通过已知数据可以得出： Ni、Cr、Cu的污染主要是由主干道路区汽车尾气产生， Hg的污染主要是由工业“三废”产生， As的污染主要是由生活区杀虫剂等药剂产生， Zn的污染主要是由生活区垃圾焚烧和主干道路区汽车轮胎磨损产生。
第三问要求建立模型找出污染源的位置。
我们发现重金属传播必定是借助于介质进行传播，则找出这种介质并研究其运行规律对解决此问有很大帮助，最终我们确定重金属元素主要以大气颗粒物和大气水为主要载体向外传播，为此研究大气颗粒行为方式成为我们的解题关键。
此问中我们运用高斯烟羽模型，推导出了由于大气颗粒物沉降带来的土壤重金属浓度分布服从高斯二维方程。
最终我们通过读图确定8种重金属元素的污染源个数分别为7、14、8、5、6、5、5、7个，再利用模型求出了其具体的位置坐标。
针对问题三中的模型，我们进行了稳定性的检验。
首先用matlab程序处理了所求的各种重金属污染源的位置坐标，求得了其各自相关点的距离，然后根据各个坐标点的间距，算得了其各自的污染源坐标点的相关系数，再与第二问中各种金属相关系数作比较，得出其误差平均为7.1%，误差的方差为0.005，这说明我们求得的污染源位置坐标具有较好的稳定性与可信度。
第四问我们主要考虑了将地形因素信息、大气因素信，在高斯烟羽模型的基础上，对模型进行了优化，并列出了一般扩散条件下、对流边界层扩散条件下、稳定边界层扩散条件下的模型。
关键词：地质累积指数因子分析法高斯烟羽模型稳定性分析一、问题重述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。
现对某城市城区土壤地质环境进行调查。
记生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，分别为1类区、2类区、……、5类区。
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。
现在已知采样点的位置、海拔高度及其所属功能区，8种主要重金属元素在采样点处的浓度，8种主要重金属元素的背景值等信息。
利用数据，建立模型完成以下任务:(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，收集更多信息建立模型。
二、问题分析问题一首先要确定衡量重金属污染程度的指标。
通过查阅资料[1]选取用地质累积指数这一指标来衡量。
根据附件二、三中的数据对每类区的8种重金属污染程度做指标分析。
为给出该考察地区所采样本中所含8种主要元素的空间分布图。
再对附件一中的数据进行整理，计算出该城区每个样本采集点8种重金属总量，并绘图表示，简单分析每个功能区重金属总体污染情况。
再作8张子图，分别绘出每种重金属元素在该城区的污染情况，详细分析该城区内不同区域重金属污染程度。
问题二要求在数据分析的基础上确定重金属污染的主要原因。
重金属污染的原因众多，且重金属污染往往产生的不是一种重金属元素，某些重金属元素之间是相互伴随产生的，即产生过程并非是独立的。
所以要想分析出此城区重金属污染的主要原因，需要考虑各种重金属元素之间的相关性，然后利用它们的相关性定量分析各种主要污染原因对8种重金属元素产生的贡献，以此来确定每种重金属元素污染的主要原因。
问题三要求给定污染源位置模型。
首先分析重金属污染物的传播特征，通过查找资料[4]得,在现代生活工业区中，重金属主要传播特征为以大气颗粒物和大气水为主要载体向外传播，而不是主要通过土壤或其它介质传播，这确定了我们研究大气的向外运动过程即为研究重金属传播的行为。
本模型中我们选择高斯烟羽模型，并由大气颗粒物在空气中的传播规律，结合高斯烟羽模型，我们推导出了由于大气颗粒物沉降带来的土壤重金属浓度分布服从高斯二维方程，由此，我们通过已知数据，列出方程，求解得出污染源位置。
问题四要求分析模型优缺点，并收集所需更多信息条件下建立新模型。
此问实质是模型优化问题。
对于我们之前建立的模型三是在一种理想状态下求解得的模型，而实际情况要远远复杂的多。
因为重金属传播要不仅受到大气——即载体本身性质的影响，还会受到地形、地貌等一系列空间地理环境的影响。
因此，要建立新的模型，我们需要收集与大气参数、地形参数有关的信息，在原有的模型上对有关参数进行修改。
三、 模型假设1. 视大气为理想气体，遵守理想气体状态方程；2. 污染源产生污染物的浓度是连续且均匀的；3. 假设所有污染源离地面的高度为零；4. 污染源是固定不动的，即其位置不会随时间发生改变；5. 重金属由空气中沉降时为干沉降，即是由于重力作用或附着的颗粒相互碰撞而引起的，不考虑风力等其他因素的作用；6. 在水平方向，大气扩散系数呈各向同性。
四、 符号说明ij I ：第i 类区第j 种重金属元素的地质累积指数；ij C ：第i 类区所有第j 种重金属元素的样本中第j 种重金属的平均浓度，单位为（/g g μ）；j E ：j 种重金属元素的背景值，单位为（/g g μ）； (,,)X x y z ：点（x,y,z ）处泄漏气体浓度，单位为kg/m 3； Q ：源强（即泄漏速度），单位为kg/s ； H ：污染源的有效高度，即污染源离地面的高度。
五、 模型建立(一) 模型一(1) 重金属元素在该城区的空间分布为描述重金属在该城区的空间分布，我们首先利用题目附件一中的数据，用matlab 软件绘制出该地区的地貌及各个功能区分布图（如图1）（源程序见附录一）。
图1 城区地貌、区域分布模拟图（颜色表示不同功能区）a)重金属元素总量的分布图对题目附件二中的数据进行处理，统计出该城区每个采集样本点8种主要重金属元素总的含量，用matlab读取处理后数据，得到该城区各采集点中样本的重金属元素的累积含量分布图（如图2）。
图2 重金属总量污染空间分布图b)8种重金属元素的分布子图根据附件一、二中的数据可分别整理出每种重金属元素在该城区的所有样本采集点所对应的浓度值。
并依据整理出的数据用matlab绘制出该地区每种重金属的空间浓度分布图如下：图3 As的空间浓度等值分布图图4 Cd的空间浓度等值分布图图5 Cr的空间浓度等值分布图图6 Cu的空间浓度等值分布图图7 Hg的空间浓度等值分布图图8 Ni的空间浓度等值分布图图9 Pb 的空间浓度等值分布图图10 Zn 的空间浓度等值分布图(2) 污染程度衡量指标及污染程度分析 为结合图1~10，并能定量分析出该城区不同区域重金属的污染程度，我们必须先确立一个合理的衡量污染程度的指标，通过查阅资料[1]并比较，我们选取地质累积指数这一指标来衡量。
其定义式如下所示2log ()ijij j C I kE =——（1） 其中ij I 为第i 类区第j 种重金属元素的地质累积指数；ij C 为第i 类区所有第j 种重金属元素的样本中第j 种重金属的平均浓度，单位为（/g g μ）；k 为修正指数， 1.5k =，是考虑到由于成岩作用可能会引起背景值的变动；j E 第j 种重金属元素的背景值，单位为（/g g μ）。
地质累积指数分级标准与污染程度之间的相互关系见下表表1：地质累积指数的划分级别ij I级别 污染程度 <01 无污染 0~12 轻度污染 1~23 中度污染 2~34 中度污染到强污染 3~45 强污染 4~56 强污染到极度污染 5~67 极度污染(二) 模型二 通过查阅资料[2][3],我们采用多元统计数学方法之一的因子分析法，它根据多个实测变量（重金属元素）之间的相关性，运用数学变换，将多个变量转换为少数几个线性不相关的综合指标（不相关的几个主要原因），从而简化数据处理，其目的在于对大量观测数据，用较少的有代表性的因子（目标）来说明众多变量所提取的主要信息，提示出多个变量的因果关系。
具体方法如下：因子分析从变量的相关矩阵出发将一个m 维随机向量X （数据总库）分解成低于m 个且有代表性的公因子和一个特殊的m 维向量，是公因子数取得最佳的个数，从而使对m 维随机向量的研究转换成较小个数的公因子研究。
设一共有n （n=319）个样本，n 个指标构成样本空间X ：()ij X x = n m ⨯ 1,2...i n =；1,2...j m =。
之后我们对数据做如下处理步骤：(1)原始数据的标准化，标准化公式为：,()/ij ij j j X X X δ=- 其中ij X 为第i 个样本第j 个指标值，而j X 和j δ分别为j 指标的均值和标准差。
标准化目的在于消除不同变量量纲的影响，而且标准化转化不会转变变量的相关系数。
（2）KMO 检验，判断其是否符合相关性分析条件。
KMO 值定义为222ij i j ij iji j i jr KMO r p ≠≠≠=+∑∑∑∑∑∑ 其判断标准是：表2：KMO 检验法判断标准0.9<KMO 非常适合0.8<KMO<0.9 适合0.7<KMO<0.8 一般0.6<KMO<0.7 不适合KMO<0.6 非常不适合若符合上表中的标准，则计算标准化数据的相关系数阵，相关性公式如下：12211()()()()N i i i XY NNi i i i X X Y Y r X X Y Y ===--=--∑∑∑ 其中X,Y 表示不同的重金属元素。