2022年3组,城市表层土壤重金属污染分析.docx

精品学习资源城市表层土壤重金属污染分析摘要随着城市经济的快速进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；为此通过获得的海量数据资料，应用数学软件对数据进行处理，开展了城市土壤环境质量的评判，就得到城市地质环境的演化模式已成为明白决此问题的关键；基于问题一：利用附件 1 和附件 2 给出的调查数据，做出相应的统计分类处理；然后用 MATLAB绘制出该城区各重金属元素的三维曲面模型，这些模型表示了8 种主要重金属在该城区的空间分布情形；然后运用单因子分析和内梅罗污染指数综合评判法对该城区土壤表层重金属元素污染进行评判，从而确定出该城区内不同区域金属元素的污染程度；针对问题二：通过问题一的分析，我们可以判定出了工业区，交通区，生活区污 染程度比较严峻，再依据各重金属在各功能区的含量平均值、标准差求出变异系数， 依据变异系数的大小可初步判定该城区的污染受到人为因素的影响，为了找出各重金 属的主要污染缘由，我们又运用了相关系数来进行相关分析，从而综合判定了各功能 区污染的主要来源；如：生活区的污染主要来自于生活垃圾的排放，工业区和交通区 污染的主要缘由是工业 / 三废的大量排放，汽车含铅汽油的大量使用，轮胎老化磨损自造出含锌粉尘等等；对于问题三要求分析重金属污染物的传播特点，并由此建立模型，确定污染的位置，我们通过数据对其进行了空间传播分析，运用扩散通量，菲克定律推出了传播特点，然后将已知的坐标数据和重金属含量数据进行了拟合，找出了各重金属元素的污染源的相对坐标位置；问题四中我们评判了模型的优缺点，为更好的讨论城市地质环境的演化模式，提出相关的信息以及模型来解决问题；关键字：内梅罗综合污染指数单项污染指数 统计分析 变异系数 相关系数 扩散通量菲克定理 拟合函数1 / 22欢迎下载精品学习资源目录1.问题重述22.问题分析23.模型假设34.符号说明35.模型建立与模型求解46.模型的评判197.模型的改进与推广218. 参考文献211. 问题重述随着城市经济的快速进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；如在城市进展中的一些不合理过程致使重金属如：As，Cd， Cr，Cu 等元素过量进入土壤而造成了环境的污染；调查中按功能区不同，将城市划分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区五个部分，并列出了每个采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息，然后对其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，依据每平方公里 1 个采样点对表层土 <010 厘 M深度）进行取样、编号，并用 GPS 记录采样点的位置，由此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，依据 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；对此现在我们所关怀的问题就是：对调查后供应的大量数据，怎样进行合理，有效的分析，进而建立数学模型，从而可以分析主要重金属元素在该城区的空间分布和该城区内不同区域重金属的污染程度，同时说明重金属污染的主要缘由；再依据重金属污染物的传播特点，怎样建立合理的数学模型，确定污染源的位置；最终分析模型的优缺点；2. 问题分析附件 1 列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息，附件 2 列出了 8种主要重金属元素在采样点处的浓度，附件 3 列出了 8 种主要重金属元素的背景值；由此我们从题目明白分析到：问题一：数据较多，可以用统计和 MATLAB程序来求出 8 种主要重金属在该城区的空间分布；以此来说明各重金属元素在不同区域的分布，再用 EXCEL来统计出各个不同区域中各重金属含量所占比例，从而分析出该城区内不同区域重金属的污染程度；问题二：通过统计和 SPSS方法，通过分析不同区域内土壤中各重金属所含数量的均值，标准差，从而得出不同区域内各种重金属的变异系数，再依据附件四给出的背2 / 22欢迎下载精品学习资源景值来说明重金属污染的主要缘由；问题三：从问题二中得出了重金属污染的主要缘由，依据重金属元素在不同区域的污染指数高低建立相应的模型，通过扩散通量和菲克定律得出了重金属元素的空间传播特性，再依据传播特性对附件中给的坐标点向对应的各元素含量值进行拟合，最终得出了各重金属元素的污染源的坐标；问题四：第一分析前三问中我们通过 MATLA、B SPSS、单项污染指数 、内梅罗综合污染指数法以及扩散定律建立的模型的优缺点，然后收集一些信息以及使用更多模型来更好的讨论城市地质环境的演化模式；3. 模型假设（1） ） 保证 GPS记录采样点的位置精确无误（2） ） 采点随机性，排除有方案的支配采点位置（3） ） 排除相同区域内每平方公里内污染程度差异极大的位置（4） ） 数据的统计精确无误（5） ） 排除不同功能区土壤的差异性（6） ） 取样点的数据较好的反映了该地区的污染物浓度（7） ） 污染严峻金属浓度不再增加4. 符号说明i i=1,2,3,4,5,6,7,8分别对应重金属元素As 砷>， Cd镉>， Cr<铬）， Cu<铜）， Hg<汞）， Ni< 镍）， Pb<铅）， Zn<锌）j j=1,2,3,4,5分别对应生活区、工业区、山区、交通区、公园绿地区n 重金属种类 <n=8） Pij j 功能区综合污染指数Sij各元素的环境背景值 Ci 重金属实测浓度Ri 各元素综合平均值Rij 各元素在各功能区的平均值Di 各元素综合标准差Dij 各元素在各功能区的标准差Wi 各元素的综合变异系数Wij 各元素在各功能区的变异系数Xi 重金属元素积存起始值Qi 重金属元素污染起始值Ei 重金属元素重污染起始值其中D：扩散系数J: 扩散通量C1、C2：取样点的浓度F：重金属离子平均跳动频率V：动量扩散系数：热扩散系数t：测量时间3 / 22欢迎下载精品学习资源x：测量相距距离5. 模型的建立与求解1）问题一5.1 从整体数据着手，运用 MATLA【B1】和统计方法，对该城市五大功能区的8 种主要金属的含量进行空间分布，其结果如下：<图 1）此图为调查区域的三维空间模型，从中我们可以直观看出调查区的三维形状，对于重金属元素含量的探究起到肯定的作用；为了更好的表达重金属元素在各分区的含量和空间分布的成效，我们又对每种元素做了如下的图像；注： <右图中: * 代表生活区， x代表交通区， +代表山区，菱形 代表工业区，正五边形代表公园绿地区）：<图 2）4 / 22欢迎下载精品学习资源此左边的三维图表示的是重金属元素As<砷）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我 们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位As<ug*10/g ）<图 3）此左边的三维图表示的是重金属元素Cd<镉）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位Cdng/10*g>><图 4）此左边的三维图表示的是重金属元素Cr<铬）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位Crug/g>5 / 22欢迎下载精品学习资源<图 5）此左边的三维图表示的是重金属元素Cu<铜）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位Cuug/kg><图 6）此左边的三维图表示的是重金属元素Hg<汞）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位Hg<ng/kg）6 / 22欢迎下载精品学习资源<图 7）此左边的三维图表示的是重金属元素Ni<镍）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位Ni<ug/g ）<图 8）此左边的三维图表示的是重金属元素Pb<铝）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位Pb<ug/g）7 / 22欢迎下载精品学习资源<图 9）此左边的三维图表示的是重金属元素Zn<锌）的含量，峰值的高低代表元素含量的多少，可以很直观的看出该元素在此地区的分布情形，为了显示出在功能区的分布我们又做了右图，等高线代表元素含量的高低，各种标注点代表不一样的功能区；从中我们可以看出元素在各分区的分布情形，增强了图像的可读性；注：含量单位Zn<ug/kg）从图中我们可以比较直观的看到区域的立体三维形状，为了能使元素分布及含量更好的呈现在三维形状图上，我们对含量极少的元素进行了扩大化处理，由此可以从中比较出各重金属元素的含量相对大小；为了能更好的探究重金属元素区域的分布详细情形和在各个功能区分布的详细含量，我们又单独对每个区域进行了分析：5.2 运用 EXCEL和统计方法统计出不同功能区各重金属元素的平均含量以及建立条形统计图；<表 1）不同功能区各重金属元素的平均含量欢迎下载精品学习资源生活区 g/g>6.27ng/g>289.96 g/g>69.02 g/g>49.40ng/g>93.04 g/g>18.34 g/g>69.11 g/g>237.01工业区7.25393.1153.41127.54642.3619.8193.04277.93山区4.04152.3238.9617.3240.9615.4536.5673.29交通区5.71360.0158.0562.21446.8217.6263.53242.85公园绿地区6.26280.5443.6430.19114.9915.2960.71154.24功能区AsCdCrCuHgNiPbZn欢迎下载精品学习资源8 / 22欢迎下载精品学习资源某城市不同区域各种重金属含量柱状图通过对该柱状图以及表 1 的分析，可得到 Zn 元素含量最多，其次是 Cr，Cu 和 Pb元素；在工业区内土壤污染最为严峻，污染其次严峻的是交通区，生活区，第三严峻的是山区，公园绿地区；为了进一步讨论各功能区各重金属的污染程度，我们实行如下方法：5.3 进行综合评判确定土壤污染程度；土壤污染评判是土壤环境质量现状评判的核心部分，主要包括单项 <单因子）污染评判和多项 <多因子）污染综合评判；5.3.1 先对土壤重金属的单项污染指数进行评判，此单因子指数法是目前国内普遍采纳的方法之一，运算公式为Pi =Ci /S i ，此式中的 Pi 为污染物 i的土壤重金属污染指标,Ci 为污染物 i 的实测值 <g/g> ， S i 为污染物 i 的背景值 <g/g> ；土壤单项污染指数评判标准为： Pi >1 表示污染， Pi =1 或 Pi <1 表示未污染，且 Pi 值越大，污染越严9 / 22欢迎下载精品学习资源重；由于单个因子分析的方法我们考虑到不够全面，只能分别明白每种重金属在该城市表层土壤的污染状况；无法精确的评判出各功能区的污染程度，于是，我们在单因子的分析的基础上进行了多因子的污染综合评判，即内梅罗综合污染指数法；5.3.2 内梅罗综合污染指数法评判该城市土壤重金属污染状况可以明白这 8 种重金属在该城市表层土壤的综合污染状况；为了定量刻画城市土壤污染程度，我们令城市功能区号为 j ，重金属污染物为 i ， 就依据内梅罗公式 【2-3 】：欢迎下载精品学习资源、P220.5欢迎下载精品学习资源ij =MaxC i /S ij > +1/n Ci /S ij > ×0.5Pij 为 j 功能区综合污染指数， Ci 为 i 重金属实测浓度， Sij 为环境背景值， n 为重金属种类 <n=8） ，运算城市不同功能区的土壤重金属污染指数；其中土壤污染评判标准见表 2.<表 2）土壤内梅罗综合污染指数评判标准等级内梅罗综合污染指数污染等级P综 0.7清洁0.7 P综1.0戒备线1.0 P综2.0轻度污染2.0 P综3.0重度污染P综 3.0重污染5.3.3 土壤重金属污染评判评判方法采纳单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法；内梅罗综合污染指数全面反映了各污染物对土壤污染的不同程度，同时又突出高浓度对土壤环境质量的影响，因此来评定和划分土壤质量等级更为客观；评判结果见表4；其中 A 平，B 平， C平， D平，E 平分别表示 A、B、C、D、E 功能区各个样本编号的平均值；功能区生活区工业区山区交通区Ci /g/g6.277.254.045.71pi1.742.011.121.59Ci/ng/g289.96 393.11152.32 360.01公园绿地区As6.261.74pi2.233.021.172.772.16Ci /g/g69.0253.4138.9658.0543.64pi2.231.721.261.871.41Ci /g/g49.40 127.54 17.3262.2130.19pi3.749.661.314.712.29Ci/ng/g93.04 642.3640.96 446.82114.99pi2.6618.351.1712.773.29Ci /g/g18.3419.8115.4517.6215.29pi1.491.611.261.431.24Ci /g/g69.1193.0436.5663.5360.71pi2.233.001.182.051.96Ci /g/g237.01277.9373.29242.85154.24pi3.434.031.063.522.24Cd280.54Cr Cu Hg Ni PbZnP 综3.177.841.689.432.74污染水平重污染重污染轻度污染重污染重度污染10 / 22欢迎下载精品学习资源表<3）从表 3 中的综合污染分级指数可以看出，功能区A、B、D 的土壤度受到了重污染，功能区 C受到了轻度污染，功能 E 区受到了重度污染；如山区不进行适当的治理也会像其他功能区一样受到重污染；因此该城市需建立合理的环境爱护措施来改善该 城市的环境；对各功能区重金属单项污染指数平均值进行比较，As单项污染的大小次序为工业区 >生活区=公园绿地区 >交通区>山区；Cd单项污染的大小次序为工业区 >交通区>生活区 >公园绿地区 >山区；Cr 单项污染的大小次序为生活区 >交通区>工业区 >公园绿地区 >山区；Cu单项污染的大小次序为工业区 >交通区>生活区 >公园绿地区 >山区；Hg单项污染的大小次序为工业区 >交通区>公园绿地区 >生活区>山区；Ni 单项污染的大小次序为工业区 >生活区>交通区 >山区>公园绿地区；Pb单项污染的大小次序为工业区 >生活区>交通区 >公园绿地区 >山区；Zn单项污染的大小次序为工业区 >交通区>生活区 >公园绿地区 >山区；2）问题二针对第一题的分析结果，确立了不同功能区的重金属元素的污染程度，为分析各功能区土壤重金属元素污染的缘由，我们进行如下探究：该城区 8 种主要重金属统计数据见表2. ；土壤中As， Cd ， Cr ， Cu ， Hg ，Ni ，Pb ， Zn 含量均值分别是城区土壤环境背景值的1.64， 1.99 ， 1.70，4.34，7.64， 1.41，2.08，2.86 倍，可见重金属污染的严峻性；其中Cu 和 Hg的含量都超过土壤环境背景值的 4 倍以上，说明土壤中Cu 和 Hg 污染严峻，缘由可能是含铜矿的开采，冶炼厂三废的排放或者高硫煤的过量燃烧等；对此我们仍不确定人为因素是否对其检测结果产生较大影响，于是我们通过运算变异系数来判定其污染的来源是否与人为因素有关；11 / 22生活区表层重金属的全量分布重金属均值标准差变异系数 %土壤环境背景值As g/g>6.272.1333.973.6Cdng/g>289.96181.5862.62130Cr g/g>69.02106.66154.5331Cug/g>49.446.6294.3713.2Hgng/g>93.04101.73109.3435Ni g/g>18.342.6014.1812.3Pbg/g>69.1171.50103.4631Zn g/g>237.01438.57185.0469工业区表层重金属的全量分布重金属均值标准差变异系数 %土壤环境背景值As g/g>7.254.1857.663.6Cdng/g>393.11234.2559.59130Cr g/g>53.4143.3981.2431Cug/g>127.54409.14320.7913.2Hgng/g>642.362212.69344.4635欢迎下载精品学习资源Ni g/g>19.818.2541.6512.3Pbg/g>93.0484.1790.4731Zn g/g>277.93345.92124.4669山区表层重金属的全量分布重金属均值标准差变异系数 %土壤环境背景值As g/g>4.041.7944.313.6Cdng/g>152.3277.7851.06130Cr g/g>38.9624.4162.6531Cu g/g>17.3210.6561.4913.2Hgng/g>40.9627.6467.4835Ni g/g>15.4510.3566.9912.3Pb g/g>36.5617.6048.1431Zn g/g>73.2930.7141.9069交通区表层重金属的全量分布重金属均值标准差变异系数 %土壤环境背景值As g/g>5.713.2356.573.6Cdng/g>360.01242.5167.36130Cr g/g>58.0581.31140.0731Cug/g>62.21119.79192.5613.2Hgng/g>446.822172.36486.1835Ni g/g>17.6211.7466.6312Pbg/g>63.5332.4151.0231Zn g/g>242.85383.39157.8769公园绿地区表层重金属的全量分布重金属均值标准差变异系数 %土壤环境背景值As g/g>6.261.9931.793.6Cd ng/g>280.54232.4582.86130Cr g/g>43.6414.6333.5231Cug/g>30.1922.3674.0613.2Hgng/g>114.99221.0519.2235Ni g/g>15.294.9032.0512.3Pbg/g>60.7145.1874.4231Zn g/g>154.24227.6014.76691/2变异系数 =平均值 /标准差标准差： Di = i->2/n由上表不同功能区的各元素变异系数可知：一方面，山区和公园绿地区所受到污染的人为因素相对较低，而生活区，工业区和交通区受到重金属污染人为因素的影响较大，说明人为活动的干扰作用越剧烈相对污染越严峻；另一方面，除了As 和 Ni 变异系数较低外，其余重金属元素的变异系数都相对较高【4-5 】；变异系数最大的重金属是Hg，其次是 Cu，Zn，Cr，Pb， Cd；可以看出除 As 和 Ni 之外的重金属元素，人为对它12 / 22欢迎下载精品学习资源们的排放占有主要的责任，为了更好的说明现象我们又做了下图：欢迎下载精品学习资源生活区工业区欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源3500.003000.002500.002000.001500.001000.00500.000.001 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43As g/g Cd ng/g Cr g/gCu g/gHg ng/gNi g/g Pb g/g Zn g/g16000.0014000.0012000.0010000.008000.006000.004000.002000.000.001 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34As g/g Cd ng/g Cr g/g Cu g/gHg ng/gNi g/g Pb g/g Zn g/g欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源工业区交通区欢迎下载精品学习资源16000.0014000.0012000.0010000.008000.006000.004000.002000.000.001 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34As g/g Cd ng/g Cr g/g18000.0016000.0014000.00Cu g/g10000.00Hg ng/g8000.00Ni g/g6000.00Pb g/gZn g/g4000.0012000.002000.000.0011427 40 5366 79 92 105 118 131As g/g Cd ng/gCr g/g Cu g/g Hg ng/gNi g/g Pb g/g Zn g/g欢迎下载精品学习资源山区欢迎下载精品学习资源450.00400.00350.00300.00250.00200.00150.00100.0050.000.001591317212529333741454953576165As g/g Cd ng/gCr g/gCu g/g Hg ng/gNi g/gPb g/gZn g/g欢迎下载精品学习资源从上图可以看出公园绿地和山区的图像中峰值较多且随机分布，而在生活区，交通区和工业区中可以明显看出有两三处有别于其他地点的突出的峰值，由此可以推断这些功能区受到了人为因素的影响，如有可能为工厂的排放，生活垃圾等造成这些区域含量值偏高，为了进一步找出各个功能区重金属污染的主要缘由，我们又做了如下的模型分析：重金属元素的相关分析：生活区各元素相关矩阵元素AsCdCrCuHgNiPbZnAs10.3810.2380.5310.2930.6050.450-0.017Cd0.38110.3490.4990.3970.2830.8020.346Cr0.2380.34910.3760.1500.5270.4160.412Cu0.5310.4990.37610.1980.4340.5020.23813 / 22欢迎下载精品学习资源Hg0.2930.3970.1500.19810.2110.3400.242Ni0.6050.2830.5270.4340.21110.3000.334Pb0.4500.8020.4160.5020.3400.30010.328Zn-0.0170.3460.4120.2380.2420.3340.3281工业区各元素相关矩阵元素AsCdCrCuHgNiPbZnAs10.3290.3800.1530.1810.6900.3950.518Cd0.32910.5410.5660.5330.4890.8290.754Cr0.3800.54110.9200.9020.6980.6750.695Cu0.1530.5660.92010.6120.4790.6120.590Hg0.1810.5330.9020.61210.4790.6120.590Ni0.6900.4890.6980.4790.47910.5780.634Pb0.3950.8290.6750.6120.6120.57810.739Zn0.5180.7540.6950.5900.5900.6340.7391山区各元素相关矩阵元素AsCdCrCuHgNiPbZnAs1-0.2910.1130.5270.0750.078-0.205-0.176Cd-0.29110.0660.0900.2460.0490.7660.606Cr0.1130.06610.364-0.0060.9450.1070.627Cu0.5270.0900.36410.5050.3580.1220.252Hg0.0750.246-0.0060.5051-0.0450.2260.170Ni0.0780.0490.9450.358-0.04510.0280.6290.7660.1070.1220.2260.02810.5900.6060.6270.2520.1700.6290.5901交通区各元素相关矩阵Pb-0.205Zn-0.176元素AsCdCrCuHgNiPbZnAs10.1210.1390.092-0.0040.2280.0600.188Cd0.12110.3730.4240.2110.3510.6150.294Cr0.1390.37310.8940.0120.8690.4280.395Cu0.0920.4240.89410.0320.8860.5060.432Hg-0.0040.2110.0120.03210.0400.2660.118Ni0.2280.3510.8690.8860.04010.3960.503Pb0.0600.6150.4280.5060.2660.39610.482Zn0.1880.2940.3950.4320.1180.5030.4821公园绿地区各元素相关矩阵14 / 22欢迎下载精品学习资源元素AsCdCrCuHgNiPbZnAs10.3580.6890.1070.1760.6910.2650.285Cd0.35810.5640.5000.0540.4330.5980.712Cr0.6890.56410.357