城市土壤重金屬污染程度分析

1、城市表層土壤重金屬污染分析 摘要本文針對城市表層土壤重金屬污染問題，對8種主要金屬元素在城區(qū)的空間分布、土壤受污染主要原因、傳播特征以及今后如何更好地研究地質(zhì)演變等問題分別建立了模型，并對模型進(jìn)行分析求解。對于問題，通過對數(shù)據(jù)的分析，利用網(wǎng)格曲面插值法，分別擬合出8種重金屬元素空間分布圖。我們利用地質(zhì)累積指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)多因子環(huán)境分析法對該地區(qū)的表層土壤8種重金屬污染進(jìn)行綜合評價(jià)，并根據(jù)等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到綜合污染等級估計(jì)。在問題中，通過對問題的分析，利用地質(zhì)累積指數(shù)單因子環(huán)境分析法，分析了該城區(qū)不同功能區(qū)不同重金屬元素對土壤污染的原因：Cu、Hg、Zn等元素主要來源于工業(yè)活動和交通污染，Cr元素

2、主要來自于交通，Ni和As這2種元素污染不明顯，可能主要來自于自然因素。在問題中，根據(jù)各種重金屬元素在不同類區(qū)的空間分布，及重金屬污染的主要原因，得出重金屬的污染源為金屬濃度峰值點(diǎn)，分析出重金屬污染物的傳播特征，從而得出以高斯煙羽模型為理論基礎(chǔ)的擴(kuò)散模型：以此作為污染源的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。我們利用求取曲面極值的思想，通過線型輻射搜索法捕捉濃度峰值點(diǎn)和“米”字判斷法合理提取峰值所在區(qū)域的樣本點(diǎn)，利用濃度擴(kuò)散模型對樣本點(diǎn)進(jìn)行威爾科克秩和檢驗(yàn)，根據(jù)其顯著程度判斷出濃度峰值點(diǎn)區(qū)域是否為重金屬污染源，例如文中確定出了Cu的三個(gè)污染源，地理坐標(biāo)分別為（3258.3,5915.5,3.86）,（10637,8022

3、.9,54.481（5941.6,4917.3,16.459）。在問題中，就如何更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，我們考慮了一系列的影響因素，如收集城市降雨量和生活、工業(yè)區(qū)等重污染源的垃圾排放量、人口密度的變化、該城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的組成等指標(biāo)。)(21exp()(21exp()21exp(2,222222zzyzyHzHzyuQHzyxX）（模型框架一 問題分析問題一：griddata 內(nèi)梅羅綜合評價(jià)法問題二：單因子分 析 主成分相關(guān)性分析建模思路問題三：高斯煙雨模型 “田、米”搜索問題四：多因素分析二 模型建立三 模型求解：污染源的確定四 模型檢驗(yàn)：針對二的相關(guān)性分析基本假設(shè) 1 假設(shè)測量方法科

4、學(xué)，測量數(shù)據(jù)均真實(shí)可靠； 2 假設(shè)各污染元素的產(chǎn)生和傳播是相互獨(dú)立的； 3 峰值不在區(qū)域邊緣處，取樣點(diǎn)得數(shù)據(jù)能較好 反映該地區(qū)的濃度污染； 4污染物的擴(kuò)散符合擴(kuò)散定律； 采用基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間變異理論分析該城市土壤表層空間變異的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的插值法，運(yùn)用matlab中的griddata 插值，以Delaunay三角剖分理論為基礎(chǔ)，然后進(jìn)行線性插值，將重金屬元素的空間分布網(wǎng)格化，從而完成曲面的光滑過渡，繪制出城市土壤表層的重金屬含量平面等值線面，以便直觀地分析該市土壤表層重金屬污染的空間分布特征。 問題一Griddata插值法示意圖散點(diǎn)圖網(wǎng)格化分布圖方案一：單項(xiàng)污染指數(shù)法單項(xiàng)污

5、染指數(shù)法 單項(xiàng)污染指數(shù)法，利用實(shí)測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對比分類，其計(jì)算公式為: （1） 其中 代表土壤污染物i的實(shí)測值， 為土壤污染物i的背景值 ， 可以對每項(xiàng)污染物的污染狀況進(jìn)行評價(jià) 。iiiSCpiCiSip步驟一：方案二：地質(zhì)累積指數(shù)地質(zhì)累積指數(shù) 地質(zhì)累積指數(shù)主要用于研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，不僅考慮了沉積成巖作用等自然地質(zhì)過程造成的背景值的影響，同時(shí)充分注意了人為活動對重金屬污染的影響。因此，該指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動影響的重要參數(shù)。其表達(dá)公式如下： （2） 式中 表示第i個(gè)樣品中元素j的地質(zhì)累積指數(shù)； 表示第

6、i個(gè)樣品中元素j的濃度； 表示j的背景濃度；1.5為修正指數(shù)，通常用來表示沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。由于會出現(xiàn)小于0的情況，在內(nèi)梅羅指數(shù)法中會得到較大的綜合污染指數(shù)，因此我們將小于0的都定義為0，這樣既避免了使綜合指數(shù)偏離實(shí)際值，又能使誤差保持在一定的允許范圍中。jij5 . 1logIBECijijIijCjBE步驟二：內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 對內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，將單因子指數(shù)換成地質(zhì)累積指數(shù)，得到新的綜合指數(shù)，采用新的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，其計(jì)算公式為： （3）式中 表示第i個(gè)樣品的綜合污染指數(shù)， 表示第j種污染物的綜合污染指數(shù)， 表示地質(zhì)累積指數(shù)算數(shù)平均值， 表示地質(zhì)累積指數(shù)最大值。下

7、表1為各樣品及污染物的綜合污染指數(shù)： 2IIp2IIp2aveij2maxijj2aveij2maxiji；ipjpaveImaxI表1:功能區(qū)及污染物的綜合污染指數(shù)功能區(qū)代號 綜合 AsCdCrCuHgNiPbZn 生活區(qū) 2.84890.79091.75262.83872.66762.43950.59472.38533.4307工業(yè)區(qū) 4.52281.45971.85911.86095.04525.77060.84972.34042.8851山區(qū) 1.26240.72650.75511.34571.27791.40031.42020.9150.8141交通區(qū)4.68111.75862.22

8、383.05064.3915.86832.08661.42453.7091公園綠地區(qū)2.6430.81081.72120.74572.05033.33910.46721.63892.6626步驟三：分級標(biāo)準(zhǔn)的確定 新的綜合指數(shù)法是在地質(zhì)累積指數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了內(nèi)梅羅指數(shù)的計(jì)算，因此對地質(zhì)累積指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)加以調(diào)整，適用于新的評價(jià)分級。地質(zhì)累積指數(shù)可分為級別，將其分為6個(gè)級別，0-6級表示污染程度由無到極強(qiáng)，最高一級的元素含量可能是背景值的幾百倍，本分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在地質(zhì)累積指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整（表2）。結(jié)合表1我們得到不同功能區(qū)的重金屬污染程度 評價(jià)（表3）。綜合指數(shù)污染程度分級 判斷依據(jù)

9、等級意義p0 0級無污染0p1 1級輕污染1p2 2級輕污染至中污染 2p33級中污染 3p4 4級中污染至強(qiáng)污染 4p5 5級強(qiáng)污染 5p 6級極強(qiáng)污染 功能區(qū) 綜合評價(jià)AsCdCrCuHgNiPbZn生活區(qū)312333134工業(yè)區(qū)522266133山區(qū)211222211交通區(qū)523456324綠地區(qū)312134123 表2:綜合指數(shù)污染程度分級表3：不同功能區(qū)的重金屬污染程度 由表3可知，該城區(qū)各區(qū)的綜合污染評價(jià)中，工業(yè)區(qū)和交通區(qū)的污染程度達(dá)強(qiáng)污染，生活區(qū)和公園綠地區(qū)達(dá)中污染，山區(qū)達(dá)輕污染。其中在工業(yè)區(qū)中，以Cu和Hg兩元素的污染程度達(dá)極強(qiáng)污染；在交通區(qū)中，Cr，Cu，Hg，Zn元素污染都

10、較嚴(yán)重，均達(dá)到強(qiáng)污染；在生活區(qū)中，除As和Ni污染少外，其余元素都有較輕的污染；公園綠色地區(qū)，污染集中在Cu，Hg，Zn三元素中；在山區(qū)中，污染都較輕。 結(jié)合各元素在各功能區(qū)的平均值和表結(jié)合各元素在各功能區(qū)的平均值和表3的綜合評價(jià)表，通過對這五個(gè)的綜合評價(jià)表，通過對這五個(gè)功能區(qū)的不同海拔高度的八種金屬元素濃度的含量進(jìn)行分析：功能區(qū)的不同海拔高度的八種金屬元素濃度的含量進(jìn)行分析： 該元素在城區(qū)分布均勻均勻，各個(gè)功能區(qū)都有較輕的污染，且變異系數(shù)較小，可推斷As污染主要原因?yàn)榈刭|(zhì)原因地質(zhì)原因，來自土壤母質(zhì)。 主要污染來自于交通區(qū)交通區(qū)，推斷汽車等交通工具的使用排放的尾氣尾氣是Cd元素污染的主要原因。

11、 污染主要來自于工業(yè)區(qū)的交通區(qū)工業(yè)區(qū)的交通區(qū)，污染等級都高達(dá)6級級，說明Hg是由人為生產(chǎn)人為生產(chǎn)造成的。石油中含有相當(dāng)量的Hg, 燃燒時(shí), 部分懸浮顆粒和揮發(fā)金屬隨煙塵進(jìn)入大氣, 沉降在距排放源附近，對工業(yè)，冶煉等企業(yè)周圍的大氣和土壤造成了很大的污染。 主要分布在了工業(yè)、交通、生活區(qū)附近工業(yè)、交通、生活區(qū)附近，呈條帶狀分布條帶狀分布, 因距離交通路線、城市中心的遠(yuǎn)近而有明顯的差異。 問題二 污染主要來自于交通區(qū)和生活區(qū)，源于石油和煤石油和煤的燃燒的燃燒，排出大量含Cr的化合物。 污染以生活區(qū)和交通區(qū)生活區(qū)和交通區(qū)為主，生活中大量含鋅電電池、電子產(chǎn)品池、電子產(chǎn)品的使用和垃圾處理場都產(chǎn)生大量的Zn

12、；交通區(qū)中機(jī)動車輪胎中含有添加劑Zn,經(jīng)磨損產(chǎn)生的含Zn粉塵粉塵是城市土壤中Zn的主要來源。 污染主要來自于工業(yè)區(qū)工業(yè)區(qū)，說明Cu的主要污染來源是工廠工廠，可能由于銅鋅礦銅鋅礦的開采和冶煉、金屬加工、機(jī)械制造、鋼鐵生產(chǎn)等。 元素總體污染程度不高，只有交通區(qū)達(dá)到了3級中污染，可以推斷出，Ni元素是由于交通運(yùn)輸中產(chǎn)生的粉塵對當(dāng)?shù)赝寥喇a(chǎn)生一定影響。問題三高斯煙羽模型假設(shè)：（1）污染物的濃度在y、z軸上的分布是高斯分布（正態(tài)分布）的；（2）污染源的源強(qiáng)是連續(xù)且均勻的，初始時(shí)刻云團(tuán)內(nèi)部的濃度、溫度呈均勻分布； (3)在水平方向，重金屬擴(kuò)散系數(shù)呈各向同性； (4)地面對擴(kuò)散的重金屬不起全反射作用，不發(fā)生完

13、全吸收或吸附作用；(5)整個(gè)過程中，重金屬不發(fā)生沉降、分解，不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)等。推導(dǎo)得最終模型公式：)(21exp()(21exp()21exp(2,222222zzyzyHzHzyuQHzyxX）（污染源位置的確定“米”字搜索法 基于線型輻向搜索法，通過輻射中心向上，下，左，右，上左，下左，上右，下右為搜索途徑，進(jìn)行目標(biāo)搜索?！懊住弊炙阉鱌b污染源分布問題四借鑒統(tǒng)計(jì)學(xué)知識中的時(shí)間序列分析知識，將該城市的降將該城市的降雨量雨量c和生活、工業(yè)區(qū)等重污染源的垃圾排放量和生活、工業(yè)區(qū)等重污染源的垃圾排放量m、人、人口密度的變化率口密度的變化率p及該城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的組成綜合評價(jià)指及該城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的組成綜合評價(jià)指標(biāo)標(biāo)s 作為影響土壤重金屬元素濃度的外部因素。作為影響土壤重