表层土壤重金属污染源的分析方法

时间：2022-10-05 22:07:15 本科毕业论文我要投稿

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表层土壤重金属污染源的分析方法

　　表层土壤重金属污染源的分析方法【1】

　　【摘要】随着我国工业、农业的迅猛发展，人民生活水平的极大提高，人类活动对环境质量的影响日显突出，环境污染已经成为人们不可忽视的重大课题。

　　其中土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加到土壤中，致使土壤中的重金属含量明显高于原生含量，并造成一系列生态环境恶化的现象。

　　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，从而找出污染源头的问题，越来越引人关注。

　　本文要解决的就是如何确定土壤重金属污染源的问题。

　　【关键词】土壤;重金属;污染源;等标污染负荷

　　一、问题的说明

　　现对A城市为例对土壤地质环境进行调查。

　　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)进行取样和编号，并用GPS记录采样点的位置。

　　应用专门仪器测试分析，获得每个样本所含的多种(8种)重金属元素的浓度数据。

　　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。

　　列出采样点的位置、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。

　　我们引用2011年全国数学建模大赛附录中的A城市城区土壤重金属的调查数据，建立数学模型，研究地区重金属污染源的确定方法。

　　二、问题的求解方法

　　由于土壤重金属污染呈扩散传播，既污染源附近重金属富集程度最高，距污染源越远，元素浓度越低，所以，污染最严重的地点既是污染源,运用等标污染负荷法，通过对污染物和污染源进行标化计算，得出一个量化指标，使指标的值在0~1之间，采用这个共同的指标能够来衡量各个重金属污染源或污染物污染能力的大小。

　　等标污染负荷法模型的建立与求解：

　　(1)处理数据。

　　每相邻五个取样点通过求取平均值，合并成一个较大取样点(即每五平方公里一个取样点)，求得64个合并取样点，用于分析数据。

　　(2)建立模型。

　　1)进行符号说明：

　　(将As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn分别记为元素一至元素八)

　　1、Aij―样本点i的第j种元素的污染物浓度

　　2、Bj―第j种元素的自然值;

　　3、aij―区域内第i个取样点第j种重金属元素的等标污染负荷量aij (即污染物浓度与背景值之比：aij=Aij/Bj)

　　4、bi―样本点i的等标污染负荷量(即该取样点所有的重金属污染物等标污染负荷量之和：bi=(i=1,2,3,…64)

　　5、c―城区内的等标污染负荷量(即区域内所有取样点的等标污染负荷量bi之和：c=)。

　　6、ai―城区内样本点i等标污染负荷量的比值(即每个取样点等标污染负荷量bi与区域内的总等标污染负荷量c之比：ai=(i=1,2,3…64)

　　7、di―i个等标污染负荷量的比值a按从小到大依次叠加

　　8、x―取样点横坐标

　　9、y―取样点纵坐标

　　10、h―取样点海拔

　　补充：将bi和c带入公式ai=可得

　　ai=(i=1,2,3…64)

　　2)整理数据带入相应公式可得每个样本点等标污染负荷量的比值a

　　3)将城区内的等标污染负荷之比值ai由大到小依次排列，并将比值从小到大依次叠加得到di

　　4)将di从小到大排列，我们将最高的8个di列入下表得到表5-1：

　　样本号i 8 4 6 9 5 52 37 2

　　di值 0.607 0.635 0.662 0.691 0.719 0.777 0.84 1

　　表5-1等标污染负荷量的比值a按从小到大依次叠加

　　由表可知，取样点2的叠加值di超过90%。

　　5)于是从附录中找到2号取样点的5个原始样本的数据。

　　分别为i=6、7、8、9、10号样本。

　　再在这5个点中找出污染最重的区域。

　　上面的研究是对64个点的分析，下面的研究只对这五个点进行研究即可，研究方法和原理与上面的相同。

　　6)通过计算可得：

　　第八点污染最为严重，可将第八点作为污染源。

　　所以，该城区污染源为点x=2383m,y=3692m,h=7.及其附近区域。

　　7)在样本点较少或者用计算机进行计算时，不必进行第一步的样本点合并，直接求出di超过90%的原始样本点，作为重点污染源。

　　三、方法模型的总结和扩展

　　伴随《环境影响评价法》、《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》等法律的出台，国家对环境污染的防治力度大大增强。

　　确定污染企业的位置，

　　对环境污染的治理，有着关键性的作用，等标污染负荷法计算简便，原理清晰易懂，能够准确地确定污染源的位置，为有关部门寻找重点污染企业，提供了简便有效的方法。

　　参考文献

　　[1]杨苏才,曾静静,王胜利,南忠仁.兰州市表层土壤 Cu、 Zn、 Pb 污染评价及成因分析.市场周刊・理论研究第,2004,11.

　　[2]吴邵华,周生路,潘贤章,赵其国.城市扩建过程对土壤重金属积累影响的定量分析.土壤学报,2011.5.

　　[3]刘丽琼,魏世江,江韬.三峡库区消落带土壤重金属分析特征及潜在风险评价.中国环境科学,2011,31(17):1204-1211.

　　[4]彭胜,陈家军,王红旗.挥发性有机污染物在土壤中的运移机制与模型.土壤学报,第38 卷第3 期2001 年 8 月.

　　[5]王雄军,赖健青等.基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源.2008.17(2):671-676.

　　[6]姜启源,谢金星,叶俊.数学模型(第三版).高等教育出版社,2003,1-12.

　　[7]教育部高教司.中国工业与应用数学学会.大学生数学建模竞赛附录,2011.9

　　城市表层土壤重金属污染【2】

　　摘要本文以某城区为例，建立了分析土壤重金属的空间分布及各种重金属污染的主要原因的数学模型，并求出了地质环境演变模式。

　　首先，运用Surfer8.0软件中的克里格(Kriging)插值模块对土壤重金属浓度进行空间数据插值并应用单项污染指数法对各重金属元素的污染情况进行估计，得到了各元素在不同功能区的分布特征及各功能区的污染程度。

　　然后，利用多元统计分析中的因子分析法对8种元素进行相关性分析及主成分提取，得到该区域内重金属污染的主要原因是工业污染、交通污染和生活污染。

　　最后，在前面分析结果的基础上，通过收集该地区历年来土壤中重金属的分布数据，建立土壤重金属含量的动态变化模型：QT=Q0K?T+QK-Z，运用该模型可以描述该城区地质环境的演变模式。

　　关键词土壤重金属;空间分布;污染源位置;克里格插值;因子分析;地质演变模式

　　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。

　　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-Z

　　1 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。

　　步骤2：土壤重金属元素的描述性统计

　　根据已知各重金属的浓度数据求出土壤重金属元素浓度的数字特征，通过与该地区重金属元素的背景值比较，我们得出，该城市土壤中重金属的含量均超过了背景值。

　　步骤3：土壤重金属元素的空间分布

　　1)克里格(Kriging)插值模型原理。

　　克里格(Kriging)插值法是地统计学中应用广泛的一种空间插值方法，也是精确度最高的一种方法。

　　Kriging插值方法是在考虑了信息样品的形状、大小及其与待估块段相互间的空间分布位置等几何特征及品位的空间结构之后，为了达到线性、无偏和最小方差的估计，而对每一样品值分别赋予一定的权系数，最后进行加权平均来估计块段品位的方法。

　　2)运用Surfer8.0软件建立Kriging模型并绘制重金属空间分布图。

　　我们在确定了克里格插值模型后，利用Surfer8.0软件绘制出土壤重金属元素的空间区域分布等值线图(见图1)(按顺序依次为As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)：

　　通过观察各等值线图可以得出，As、Cd及Pb元素分布较为广泛，其中，As和Cd元素主要分布在主干道区， Pb元素主要分布在工业区和主干道区，较为集中;Cr元素主要分布在工业区和主干道区，Cu元素主要分布在工业区，Hg元素主要分布在工业区，Ni和Pb元素在工业区的浓度值较高，Zn元素主要分布在工业区和主干道区。

　　步骤4：不同区域重金属元素的污染程度

　　利用单项污染指数法公式Pi=Ci/Si分析各区域的污染程度。

　　其中，Pi为区域重金属i的单项污染指数;Ci为重金属i含量的实测值;Si为重金属i含量的评价起始值，以重金属i的背景值加上2倍标准偏差的结果表示。

　　若Pi>1，则表示该区域受到污染。

　　Pi>1的样点数在样点总数中所占的比例称为超标率，以超标率作为衡量污染程度的评价指标，并规定，超标率小于30%为轻微污染，大于30%且小于80%为中等污染，大于80%为重度污染。

　　2 重金属污染的主要原因分析

　　首先，对8种重金属元素进行相关分析，找到各因子间的相互关系，相关程度比较大的元素可能来自同一污染源;其次，要说明重金属污染的主要原因，需要找到影响8种重金属浓度的主要因素，可以应用多元地统计中的主成分分析法对各重金属元素进行主成分分析，选取前三个最主要的因子进行因子分析，从而得到影响各重金属元素浓度分布的主要因子，即重金属污染的主要原因。

　　2.1 相关分析

　　各重金属元素的浓度分布是互相影响、关系复杂的，且各浓度单位不同，通过相关性分析可以找到元素间的分布规律，利用R软件得到元素的相关系数矩阵，相关程度比较大的元素可能来自同一污染源。

　　表层土壤重金属污染分析的数学模型【3】

　　摘要：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，而且土壤重金属污染可能导致大气和地下水质量的进一步恶化。

　　针对城市表层土壤重金属污染问题的研究，分析出重金属污染物的空间分布特征，并结合其传播特征建立数学模型，运用MATLAB等软件进行求解。

　　通过模型可以对城市土壤地质环境异常查证，并根据查证得到的数据资料进行城市环境质量评价，测定各区域重金属含量等，具有较强的实际应用价值。

　　关键词：主成分分析内梅罗指数 Muller指数 spss

　　1 引言

　　近些年，人类活动对城市环境影响越来越严重。

　　对由人类活动影响造成的城市地质环境的演变模式进行研究，逐渐成为人们关注的焦点。

　　通过文献[1]提供的某城市城区土壤地质环境进行调查，根据测的的数据，假设样品采集在充分考虑污染源前提下，兼顾空间分布均匀性，同时考虑地形、气候因素影响;数据的处理计算时均采用四舍五入法保留小数点后两位，与原数据保持一致;污染源的重金属浓度不再增加;取样点的数据较好的反映了该地区的污染物浓度，对城市表层土壤重金属的污染进行分析研究。

　　2 8种主要重金属元素的空间分布

　　根据测得数据，采用8种元素在五个地区各自的作用单独考虑，采用excel软件绘制标准曲线，对原始数据进行标准化处理，并带入标准曲线求得各采样点的重金属浓度，然后求出平均浓度，再用Muller指数进行各项计算与分析。

　　除此外还采用了地积累指数法和内梅罗综合指数法进行全面的分析。

　　Muller指数法是对各重金属元素因子的单独作用在各地区进行分析，目前国内外普遍采用单因子指数法和内梅罗综合指数法等进行土壤重金属污染评价，这两种方法都能对被研究区域的土壤重金属污染程度进行较为全面的评价，但不能从自然异常中分离人为异常，判断表生过程中重金属元素的人为污染情况，但地累积指数法弥补了其他评价方法的不足。

　　2.1 重金属元素在该城区的空间分布图

　　用双调和样条内插进行插值计算，得出重金属空间分布图。

　　双调和技术在二维或多维空格键中的导数与一维空间中的导数的作用相似。

　　在m维空间中，利用N个数据点的曲面求解问题：;其中，是双调和算子，x是m维空间中的一个位置。

　　其通解为，求解线性系统，可以得到。

　　在EXCEL中分别筛选出每一区的8种重金属浓度情况，由于给出的重金属量纲不统一，用归一化方法统一量纲。

　　然后分别在每一区内对不同重金属求平均值主要重金属元素关于该城市五个区的分布。

　　Sij表示规划后某种金属浓度在某个采样点的值，xij某种重金属在某个采样点的值。

　　由归一化后，运用富集系数模型：Di=d实测值 / b背景值定量描述城市重金属污染的空间分布情况。

　　2.2 三种评价不同区域重金属的污染程度的方法

　　2.2.1 地积累指数法

　　国内外很多专家将地积累指数法用于对人类活动造成的重金属对土壤污染的评价。