- 相关推荐
地表层土壤重金属污染传播模型
地表层土壤重金属污染传播模型【1】
摘 要：本文在获取地表层土壤的主要重金属污染元素分布数据的前提下，根据实际土壤中重金属元素的传播特性及影响因素，建立了传播特性微分方程模型，以此可进一步确定污染源位置并进行污染预警。
关键词：重金属;插值;污染源;微分方程
随着城市经济的快速发展，人类工业活动中产生的重金属污染对城市环境质量的影响日显突出。
因此，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。
本文以某城市地表层土壤的八种主要重金属元素的分布数据为基础，根据实际土壤中重金属元素的传播影响因素，建立传播特性微分方程模型，以确定污染源及对可能污染区域进行预警。
为了分析重金属污染物的传播特征，确定污染源的位置，首先分析在土壤中重金属污染物的传播方式，继而分析影响传播的因素。
重金属污染物的传播方式主要有自然传播和人类活动影响传播两方面，自然传播主要指通过土壤中泥沙颗粒的扩散来实现，人类活动影响主要来自大气的沉降、水体的污染、固体废物的堆放以及矿产资源的开发和冶炼等。
大气的沉降：能源、运输、冶金、建筑等工业，汽车尾气的排放及轮胎的磨损，化石能源的燃烧产生的气体和粉尘含有大量重金属，这些元素最终通过自然沉降和雨淋沉降融入土壤。
经查阅资料，煤所含的Cr、Pb、Hg等金属和石油所含的Hg等元素，其燃烧时产生的污染物10～30%沉降在排放源十几公里的范围内。
大气沉降所带来的污染与城市的人口密集度，工业发达程度，交通的便利程度有直接的关系，离污染源越近污染程度就越高。
水体的污染：水体的污染主要来源于未经处理的生活污水、石油化工污水，工业废水、污水灌溉以及渗水坑处理污水的方式。
各种污水都不同程度的含有重金属等污染物质，例如，被铅锌矿废水污染的农田土壤中含镉高达10～136mg/kg。
固体废物的堆放：固体废物主要包括工业固体、化工原料、矿产业、城市垃圾等废弃物，其种类繁多，成分复杂，不同种类其危害方式和污染程度不同，其中矿业和有毒的工业固体废弃物污染最为严重。
其污染范围一般以废弃堆为中心向四周扩散。
有一些固体废弃物被直接或通过加工作为肥料施入土壤，对土壤造成更为严重的污染，并且通过土壤污染地下水，将污染物流向其他地方。
矿产资源的开发和冶炼：金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等，可以被酸溶出含重金属离子的矿山酸性废水，随着矿山排水和降雨使之带入水环境(如河流等)或直接进入土壤，都可以间接或直接地造成土壤重金属污染，其污染特性是随着污染源距离延长而逐渐降低。
由于土壤中重金属元素的扩散传播是最基本的的传播方式，所以在本文分析中主要考虑土壤中扩散因素。
以某城市地表层土壤的八种主要重金属元素的实测分布数据，利用不规则数据的二元函数插值可以绘制出八种重金属元素在研究区内的二维空间分布图，得出每种重金属污染元素的污染程度，同时得到浓度最高值点。
但由于土壤对重金属元素的扩散传播特性及土壤表层植被和微生物的降解能力，结合实际地况的影响，可能导致污染源所在点的污染浓度积累值在一定区域范围内不是最大值，例如图1所示，若两个污染源点处于鞍形地形的峰值点，如图1中A、B点处，则受地理环境的影响，土壤颗粒及土壤中的水分受重力影响经一定时间的积累后，会携带重金属元素向海拔低处迁移，致使鞍点处最终可能达到此地理区域内的浓度最大值，如图中C点处。
即经过理论分析得到污染浓度最大值点不一定是污染源点。
结论：由于重金属元素污染浓度是随时间变化的值，根据污染源点的特性可分析得污染浓度随时间变化量最大处即为污染源点。
下面对重金属污染传播特性建立微分方程模型。
1 条件假设
4 改进模型
式1所示模型的缺点是模型分析过于简单，受已知数据的限制，模型中仅考虑了土壤中重金属元素的扩散传播，没有考虑以下方面：生物、植被的影响;土壤性质差异对传播特性的影响;土壤中水流量的影响;各类区域间的地理位置关系;采样点的采样误差等。
在模型的求解时，还将扩散系数视为等值。
使得求解值与实际值有一定误差。
为优化模型，需要收集以下信息：
(1)第i种重金属元素在第j个采样点的土壤颗粒性质差异对传播特性的影响因数Kij
(2)各类区域间的地理位置关系影响因子Kr
(3)土壤水流量影响因子Kv
地表层重金属污染成因【2】
摘 要：本文以某城区表层土壤的八种主要重金属污染元素为研究对象，根据实测数据分析得出各种污染元素在不同功能区域的污染分布情况，并以此对八种主要重金属元素的污染成因进行了分析。
关键词：污染指数法;评价;污染程度
随着人类社会的快速发展，人类工业活动中含有大量重金属的废气、废液、废渣被排入空气、水源、土壤中，有害物质的过量积累当超过一定限度时，对生态环境将造成影响和破坏，甚至对人类健康乃至生命也造成危害。
本文从某城市地表层土壤的重金属污染着手对地表层8重主要重金属污染成因进行分析。
1 采样
首先对某城市土壤地质环境进行调查，将城区按照功能划分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区，将考察区按照每平方公里1个采样点对表层土进行取样、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8种主要重金属元素的浓度数据。
同时在远离人群及工业活动的自然区按照2公里的间距取样，将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。
2 污染分析
3 结论
土壤中重金属的来源是多途径的，根据上文来分析各种重金属元素的污染原因：
1、砷(As)元素分布： 工业区>生活区>公园绿地区>主干道路区>山区。
各区As元素的污染指数差异及污染等级都较小，由此分析可得该城市的As污染由工业生产和生活区农药、燃煤污染及公园绿地区的共同作用构成，并受气体扩散影响分布较均匀。
2、镉(Cd)：工业区的镉污染较重，山区污染最轻。
工业区的镉主要污染因素是电镀、化工等工业废水;在主干道路区的主要污染因素是汽车轮胎及镀铬零件的损耗;其他区域的主要污染因素是电池和染料的使用不当。
3、铬(Cr)元素分布：生活区>主干道路区>工业区>公园绿地区>山区。
生活区的铬污染属于中度污染，主要污染因素应是来自劣质化妆品原料和皮革制剂处理不当;主干道路区的污染因素是汽车轮胎的摩擦和金属部件损耗;工业区煤和石油燃烧也是构成铬污染的因素。
4、铜(Cu)：工业区的Cu元素污染已经超出严重标准值的3倍之多;主干道路区和生活区的铜污染也已经相当严重。
污染主要来源于金属加工、电镀厂的排放、汽车的金属零件的损耗、含铜杀菌剂长期大量使用和城市污泥的堆肥利用以及含铜废水的灌溉。
5、汞(Hg)的污染指数达到了所有元素污染指数的最大值，其主要构成因素来自于工业氯碱、塑料制造工厂的排放，使得工业区的污染值超出了严重标准值的6倍之多;主干道路上汽车尾气中化石燃料产生的Hg元素也是污染主要的成因;公园绿地内大量含汞农药和含汞污泥肥料使用也造成了较大的污染。
6、镍(Ni);土壤中的镍(Ni)主要来源于岩石风化，大气降尘，废水灌溉，农田施肥，植物和动物残体的腐烂等。
在研究区内Ni元素污染较轻，故可分析其主要污染原因是自然原因及含镍元素的器具的使用。
7、铅(Pb)：铅在工业区的污染属于中度污染，其他区域均属于轻度污染。
因此，该研究区铅污染的主要原因应是工业生产中有色金属的冶炼，同时汽车尾气的排放，蓄电池、装修材料的使用等因素也是部分诱因。
8、锌(Zn)：锌在工业区、主干道路区、生活区的污染已相当严重，在公园绿地区属于中度污染。
可见该城区锌污染主要原因可能是由于锌矿的开采和工厂排放的锌污染物，机械及轮胎的磨损，颜料的使用，木材及煤的燃烧等。
城市表层土壤重金属污染分析模型【3】
摘 要：针对经济的快速发展，城市人口的不断增加和人类活动对城市环境质量的影响也日益加剧的现状，该文对某城市城区表层土壤重金属进行了分析评价。
针在单因子指数评价基础上采用内梅罗综合污染指数评价土壤的综合污染，比较该城区的各个功能区重金属的污染程度。
基于重金属在大气、水体中传播特性的不同，利用高斯扩散推广模型确定重金属污染程度较大的污染源位置。
为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集的信息有该城市常年的风速、冲洗系数、亨利系数;通过对以上数据的分析，建立重金属污染物在气体和土壤中扩散模型。
关键词：指数法 因子分析 重金属污染 高斯扩散改进模型
1 问题分析
针对海量数据，应从整体上对污染程度进行评价。
而内梅罗综合污染指数法评价土壤的综合污染，以突出最高一项污染指数的作用。
在土壤中有很多重金属元素有相似的存在形式和传播途径，并且有相同的污染源，因此在进行通过数据分析，说明重金属污染的主要原因时，基于统计原理建立起来正态模型，不同的重金属有不同的传播方式，其大体分为大气传播、水体传播、固体传播，因金属元素在土壤中大部分以稳定形态存在，故忽略重金属元素在固体土壤中的传播。
根据收集的信息和题目中的有关资料对重金属污染物的传播特征的分析，可将8种重金属污染物分为两类。
一类是在大气中传播，而大气传播的污染物最终经空气沉降进入土壤;一类是在土壤中传播。
对于在大气中传播的重金属污染物，文章建立重金属污染物在气体中扩散模型，根据所在的空间任意位置土壤表面的重金属污染物浓度的多少来确立污染源的位置，函数的最大值即为污染源的位置;同理建立了重金属污染物在土壤中的传播模型。
2 模型建立及求解
2.1 土壤的环境质量评价与分级
2.1.1 单因子指数法
2.1.3 评价分级标准
该文采用GB15618-1995《土壤环境质量标准》。
土壤环境质量综合评价指数分级参考了《绿色食品产地环境质量现状评价纲要》中规定进行分级，等级划分为1等级属清洁水平适合发展有机食品;2级属尚清洁水平适合发展无公害食品生产;3级以后属于污染水平，不适宜无公害农产品的生产。
计算得到综合污染评价指标后，通过分析比较得出该城区的各个功能区重金属的污染程度由高至低排序为：工业区主干道区生活区公园绿地区山区。
2.2 重金属污染的原因分析
(2)计算标准化数据的相关系数阵，求出相关系数矩阵的特征值和特征向量。
(3)进行正交变换，使用方差最大法。
得到5个主因子提供了源资料的87.756%的信息，满足因子分析的原则，而且从上表可以看出旋转前后总的累计贡献率没有发生变化，即总的信息量没有损失，采用此标准下的分析结果。
(4)确定因子个数，计算因子得分，进行统计分析。
2.2.2 金属元素污染原因
根据该市空间立体分布图和各功能区的分布图，结合各个功能区的分布特点，由重金属元素空间分布图分析可知：(1)主因子1体现出的三个主要变量因子为Ni、Cu Cr三种重金属元素。
Ni元素广泛的分布在该城市各个功能区。
分析可能是易于传播的污染介质造成的，如煤的燃烧产生的粉尘、颗粒，以及含有Ni元素的岩石的风化等;Cu元素及Cr元素分布在城市的西南方，分布着工业区、生活区、公园绿地区、主干道区。
Cu、Cr两种金属元素是工业生产中所形成的废气、废水和固体排放物中均大量存在的污染物。
(2)主因子2体现出两个主要变量因子为Pb、Cd，其在来源上关联较密切，两种重金属元素的最大值均出现在工业区。
其在空间上近似可认为是一个带状的污染源，这主要因为Pb主要来自市中心交通汽车尾气的排放，而且在研究取得西北部有两个明显的富集中心，形成一个高值区。
该市表层土壤中的Cd含量市中心地带比西北城区高，东南城区又比市中心地带高，恰好与当地的主风向相一致，表明大气中含Cd污染物的干湿沉降也是造成土壤Cd污染的一个重要原因。
(3)主因子3体现出一个主要变量因子Hg。
该金属元素在生活区分布含量偏高，污染较为严重，其主要的污染原因可为人类活动造成水体汞污染，来自氯碱、塑料、电池、电子等工业排放的废水。
(4)主因子4体现出一个主要变量因子As，该金属元素在各个功能区的分布较平均，这是因为的污染源多样。
大气含砷污染除岩石风化、火山爆发等自然原因外，主要来自工业生产及含砷农药的使用、煤的燃烧。
含砷废水、农药及烟尘都会污染土壤。
(5)主因子5体现出一个主要变量因子，的分布具有明显的特点，在城市的西部富集，产生一高值区，该部靠近工业区，工业上的三废是其富集的主要原因。
2.3 重金属污染物传播模型
3 大气―平均风速的廓线模式
大气扩散主要是风的作用，平均风速的廓线模式是随高度变化的。
在大气扩散模型中平均风速的廓线模式定义为风速随高度变化的曲线。
风速的线性数学表达方式成为风速廓线模式。
根据我国《指定地方天气污染物排放标准的技术原则和方法》(GB/T 3840-1991)所制定的方法，采用米函数风速廓线模式。
幂函数分素廓线模式是在近地层、中性层、平坦下垫面的条件下推到出来的。
该模式应用高度较高，可达到300m或更高的高度，且随应用高度增加，精度下降。
4 水体
6 模型评价及推广
6.1 模型评价
6.1.1 优点：运用主成分分析方法将多维因子纳入同一系统进行定量化研究、理论成熟的多元统计分析方法。
通过分析变量之间的相关性，使得所反映信息重叠的变量被某一主成分替代，减少了变量数目，减少了变量数目，从而降低了系统评价的复杂性。
再以方差贡献率作为每个主成分的权重，由每个主成分的得分加权即可完成对水质的综合评价。
6.1.2 缺点：题目所给数据有限且单一，所建模型不足以全面反映该市土壤环境污染特征。
.对于模型三，仅考虑了金属元素传播的部分途径，具有局限性。
7 模型推广
模型一可推广用于投资风险评价;模型二可用于研究放射性物质的污染;模型三还可推广到研究病菌在空气中的传播;模型四可以推广到研究灰尘在空气中的扩散规律。
【地表层土壤重金属污染传播模型】相关文章：
表层土壤重金属污染源的分析方法10-05
有色金属矿区土壤重金属污染及其修复10-08
土壤重金属修复技术10-05
重金属污染与防治10-05
土壤污染防治工作总结10-08
环境中土壤污染情况以及检测手段分析的论文10-10
环境中土壤污染情况以及检测手段分析论文10-11
计算机病毒网络传播的模型稳定性控制论文10-08
新环保法视野下的土壤污染防治对策探析论文10-09