数学建模大赛论文-城市表层土壤重金属污染分析.doc

城市表层土壤重金属污染分析摘要 首先，我们把题目中所给的数据进行了分类并将其运用颜色标记分析法，简明的把五个功能区及各个元素的超标程度表现出来。模糊分析数据粗略的判断污染源的大概位置，并假设出传播特征及重金属污染的原因。然后，利用MATLAB软件插值法将数据进行模拟，画出三维立体图，精确的对各个元素进行分析，寻找其相同点与不同点，并具体问题具体分析，最终得出8种主要重金属元素在该城区的空间分布图，并分析该城区内不同区域重金属的污染程度，清晰得知重金属的污染主要来源于工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。 根据建立的模型显示工业区污染最为严重，其次是交通区，生活区，而公园绿地区污染程度相对较少，山区受污染程度最小。发现与之前颜色标记法假设的结论一致，所以我们继续查阅资料并结合之前做好的数据，研究重金属污染的主要原因，并论述8中重金属元素在生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区各自产生的原因，分析重金属对土壤乃至人类的严重影响，并将模型求解，确定污染指数及各个污染的权重，利用模糊数学分析法，相关分析法，回归方程，表示变量间的相关程度，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，利用DOG空间极值点的检测及权重分析法，精确定位尺度空间及极值点。分析模型的优点及缺乏，为更好地研究城市地质环境的演变模式，积极的翻阅文献查阅资料，尽量完善我们的论文，为祖国的建设奉献出自己的微薄之力。关键词：MATLAB 插值法 颜色标记 模糊数学分析法 相关分析法 权重 回归方程等一、问题重述(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) 分析你所建立模型的优缺点，为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集什么信息？有了这些信息，如何建立模型解决问题？二、模型假设1、污染源的重金属浓度不再改变。2、取样点的数据较好的反映该地区的污染物浓度和受污染程度。3、每种重金属都是可以在外界因素下可以自由传播的，不存在重金属元素在一个地区堆积，只有传播能力的不同。4、假设由于海拔因素对其影响不大，故忽略海拔因素对其传播的影响三、符号说明Pi是第i种污染物的污染指数，P是总污染指数，Wi是第i种污染物的权重，第一个是直接平均，第二个是加权平均。Xi为该重金属含量的实测值；ai、b 、c 分别为该污染因子对应于一级、二级、三级土壤环境质量状况的标准值。Wi为第 i个因子的权重；Ci为该指标的实测值；Si 为该指标对应的各土壤重金属质量级别的标准值四、问题分析通过计算并用Excel表格作如以下图问题一 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。问题分析：8种主要重金属元素在该城区的空间分布由附件中数据运用MATLAB软件绘出三维图，然后通过均值法，算出不同区域内各种重金属元素的污染程度。有空间三维图可清晰得知重金属的污染主要来源于工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。 根据建立的模型显示工业区污染最为严重，其次是交通区，生活区，而公园绿地区污染程度相对较少，山区受污染程度最小。问题二 通过数据分析，说明重金属污染的主要原因。问题分析：该问题用模糊数学分析法可求解，详见模型求解。重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染，重金属污染主要表现在水污染中，还有一局部实在大气或固体废物中。 重金属污染与其他有机化合物污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的，化学的，生物的净化，使有害性降低或解除。而重金属具有富集性，很难在环境中降解。目前我国由于在重金属的开采，冶炼，加工过程中，造成不少重金属进入大气，水，土壤引起严重的环境污染。问题三 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。问题分析：该问题可用相关分析法进行求解，详见模型求解。根据前两问的结论分析重金属的传播特征，主要有从高海拔到低海拔，高浓度向低浓度扩散。建立相关分析法模型和扩散模型，求出函数极值，从而确定污染源位置。1.八种重金属的危害重金属污染与其他有机化合物污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的，化学的，生物的净化，使有害性降低或解除。而重金属具有富集性，很难在环境中降解。目前我国由于在重金属的开采，冶炼，加工过程中，造成不少重金属进入大气，水，土壤引起严重的环境污染。重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染，重金属污染主要表现在水污染中，还有一局部实在大气或固体废物中。重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使他们失去活性，也可能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急性中毒，对人体会造成很大的危害。重金属的污染主要来源于工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。 根据建立的模型显示工业污染最为严重。工业污染大多通过废渣，废水，废气排入环境。交通污染主要是汽车尾气的排放，为此国家制定了一系列的管理方法。生活污染主要是一些生活垃圾的污染，例如：废旧电池，破碎的照明灯，没有用完的化装品等等。对于重金属污染只要我们就此来源加以控制，就多多少少可以减少重金属污染。根据给出的八种重金属元素，我们查阅了相关资料，对局部元素有了更多的了解。铅，它是可在人体或动物组织中积的有毒金属。主要来源于各种油漆，涂料，蓄电池，冶炼，机械，电镀，化装品，染发剂，燃煤，餐具，膨化食品，自来水管等。镉，它不是人体的必要元素，它主要来源于电镀，采矿，冶炼，燃料，电池和化学工业中所排放的废水，镉能够取代骨中钙使骨骼严重软化汞，及其化合物属于剧毒物质可在人体内蓄积。主要来源于仪表厂，食盐电解，冶炼，燃煤，化装品等。砷，它是人体的非必须元素。元素砷的毒性极低，而砷的化合物需由剧毒，主要来源于采矿，冶金，化学制药，化肥，农药等。 铬，它来源于皮革制剂，工业颜料以及橡胶。 土壤中重金属污染的来源于分布：来源是多途径的，有可能是成土母质本身有重金属，不同的母质，成土过程所形成的土壤中含有重金属的差异很大。2.土壤重金属污染的危害重金属中特别是Hg、Sn、Pb、Cr等具有显著的生物毒性，众多研究说明其危害性是空前的Bryan，G.W.，1976。当大量的有毒金属进入土壤后，在物质循环和能量交换过程中分解，很难从土壤中迁出。重金属污染具有长期累积效应和交互作用，尽管土壤对重金属污染有重要的缓冲作用，但因重金属具有可迁移性差，不能降解等特点，使其逐渐对土壤的理化性质、土壤生产力产生明显不良影响，进而影响土壤生态结构和功能的稳定Kandeler E，1997。表现在重金属对植物的危害：当土壤受到重金属污染后，首先是对土壤微生物的生理、生化性能及土壤理化性质产生影响，从而影响土壤微生物多样性，进而影响农作物产量和质量。重金属元素在土壤中总是不断地发生时空迁移和价态、形态转化Aksoy A.，1999。这不仅影响了土壤养分的转化等生化过程，同时影响着植物的生长质量Ustyak S.and V.petrikova. 1996。一些学者认为重金属离子能够改变生物大分子的构象结构，进而在分子水平上造成DNA的构象改变或损伤；另外一些重金属离子与硝酸复原酶中巯基具有较高的亲和性，能够与酶结合位点结合从而破坏酶正常的生理活性(陈愚等，1998)。植物体内的自由基能损伤生物大分子(如蛋白质和核酸)而引起膜脂过氧化，另一些学者认为重金属离子能够抑制植物体内某些保护酶的活性，产生的大量活性氧自由基，造成植物重金属伤害(Luna C M,et al，1994；赵海泉等，1998；罗立新等，1998)。当土壤中Cu、Zn分别到达100 mg/kg200 mg/kg和100 mgkg-1以上时，可造成植物中毒。研究发现Cu、Zn、Pb、Cd污染对白菜根部的生长具有明显抑制作用，使其根际微生物数量明显减少、群落结构发生变化宋玉芳，2002。表现在重金属对人类健康的危害：大多数重金属具有可迁移性差，不能降解等特点，会在生态系统中不断积累，毒性不断增强，从而导致生态系统的退化，并通过食物链影响人体健康黄铭洪，2003。铅可以抑致血红蛋白合成，导致溶血性贫血。对神经系统有较强的亲和力，尤其儿童脑组织对铅敏感，受害尤其严重。铅通过血液循环分布到人体各组织器官，90%以不溶性的磷酸铅沉淀于骨骼，造成机体的铅中毒。有些重金属元素是人体代谢所必须的，一般不致造成对机体的危害，但过量摄入，便会对人体产生明显的毒害作用。例如锌，锌是参与免疫功能的一种重要元素，但是大量的锌能抑制吞噬细胞的活性和杀菌力，从而降低人体的免疫功能，使抵抗力减弱进而危害人类健康。大多数有毒重金属会在机体的肝脏等器官内累积，且半衰期长，很难排出体外，长期少量摄入可以产生慢性毒性反响，也可能有致畸、致变、致癌的潜在危害。日本在二十世纪五六十年代出现的“水俣病、“骨痛病等奇怪病症是由于Hg和Cd污染而引起的重金属中毒。因此，重金属是土壤污染中最重要的污染物质之一。经分析析数据得知：工业区污染最为严重，工业三废其实可以直接影响土壤重金属污染，近年来，由于局部矿产开发中选矿、冶炼工艺水平落后，个别矿区没有环保治理设备，废水、废气排放而带来的大量废弃物的产生未经处理直接投放环境，而其中的重金属随着自然的沉降、雨水的淋溶等途径进入土壤，进入正常循环的生态系统，造成重金属污染，以致土壤中含有大量的重金属元素，严重危害人们的生产生活。山区主要的经济开源就是自家有地种些农作物，这就防止不了使用化肥原料但是人们可知，化肥农药的过度使用 ，重金属元素是肥料中报道最多的污染物质，化肥中品位较差的过磷酸钙和磷矿粉中含有微量的As、Cd重金属元素WILLIAMS C H，1973。含铅及有机汞的农药发挥作用的同时也为土壤重金属污染埋下了祸根，造成土壤的胶质结构改变，营养流失，对农作物的产量及品质都造成极大的不良影响。目前的饲料添加剂中也常含有高含量的Cu和Zn夏家淇，1996，这使得有机肥料中的Cu、Zn含量也明显增加并随着肥料施入农田。这就引起了土壤中的重金属增多，导致了不良的影响。生活区，主干道路区，它们以公路、铁路为中心成条带状分布的重金属污染土壤主要是由于汽车尾气的排放、汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘的沉降所引起的，污染元素中主要为Pb、Cu、Zn等元素李波，2005。这些物质随风飘落，进入土壤中引起重金属污 染。实验证明，道路两旁土壤中重金属的污染比拟严重，并随着离公路距离的由近到远，土壤的污染程度渐轻。严重危害了人类的生活水平。公园绿地区的土壤重金属污染较小，说明了种植植被有助于减少土壤中的重金属浓度的增加，绿地区的重金属含量较少，但是还是存在着重金属对土壤的危害3.土壤重金属污染的特点重金属作为自然界组成的根本元素，不能通过降解，降低浓度等作用从土壤中彻底的去除。它只能通过生物富集、转移、沉淀等方式处理回收。土壤重金属污染的特点如下：1具有突出的隐蔽性和滞后性，大局部重金属的毒害是隐藏的，只有通过对土壤样品进行分析化验和对农作物的残留进行检测等方式才能发现。2具有生物积累性，土壤中的重金属具有显著的地域性限制，同时有食物链累积的特点。3不可逆性，重金属对土壤的污染根本上是一个不可逆转的污染过程。4难治理性，土壤重金属污染很难通过稀释和土壤自净化作用来消除，有时需要通过换土、淋洗土壤等方法才能解决，因此所耗的本钱较高、治理的周期较长。染物的传播特征，由此建立模型，确定污染源的位置。 五数据的颜色标记分析 首先对数据进行粗略的分析，用颜色标记法将整个污染区域的各个元素超标程度表示出来，并固定功能区，调节海拔，x,y等变量模糊的寻找可能出现的规律及答案，大概确定污染源的位置，并推测出传播特征及重金属污染的原因。超标含量：在10以内用黄色标记，在50以内用绿色标记，100以内用蓝色标记。20以内用红色标记，500以内用粉红色标记，1000以内用紫色标记，2000以内用灰色标记，10000以内用兰绿色标记附件2. 8种主要重金属元素的浓度编号As (g/g)Cd (ng/g)Cr (g/g)Cu (g/g)Hg (ng/g)Ni (g/g)Pb (g/g)Zn (g/g)功能区海拔(m)x(m)y(m)135.72 193.70 80.35 26.57 111.00 19.80 57.64 89.08 1224273971215.51 257.20 54.64 29.01 104.00 13.20 87.68 223.27 1224865999239.39 325.80 172.29 104.89 82.00 31.50 90.90 429.29 1535736213187.84 347.90 57.65 97.14 213.00 19.60 70.82 307.24 1665345641208.50 614.00 744.46 130.55 156.00 32.80 228.64 1013.47 16459246031565.41 178.90 29.54 23.73 52.00 9.89 49.84 118.88 16550311271585.62 134.60 25.33 19.10 45.00 11.66 40.50 87.14 1666053741611.45 1044.50 94.78 136.97 202.00 22.30 472.48 602.04 18477748971864.58 129.00 31.09 18.93 38.00 15.10 29.76 69.80 18153877291875.41 204.90 40.16 25.86 41.00 16.24 33.28 80.00 181581023072435.20 334.30 47.05 40.37 76.00 18.40 61.03 211.47 1810395112032697.12 367.80 92.02 49.80 97.00 16.30 41.26 321.12 191080013282336.35 532.00 57.51 83.76 191.00 19.50 73.46 297.14 110730452301062.34 87.60 18.46 9.73 13.93 8.89 24.43 43.37 1112645355771528.23 756.40 42.73 87.52 63.00 19.26 88.74 184.69 113510140802686.47 86.80 41.12 15.46 23.00 15.90 37.53 70.18 1131195813313129.17 287.00 43.94 45.77 168.00 19.70 62.74 223.16 114404318951076.56 245.60 36.73 61.30 55.71 14.18 47.24 114.29 114264166508254.09 90.50 35.02 11.82 16.00 10.40 29.09 46.84 115537586432678.67 245.70 47.79 27.55 35.00 18.40 53.42 98.81 1161215312336632.91 265.00 35.66 29.39 24.64 9.23 60.54 122.96 1171546786581577.78 315.50 49.76 28.03 550.00 18.95 45.73 109.29 117563613327210.97 248.50 40.61 61.52 81.00 17.20 76.19 168.05 1189277161481804.17 310.70 40.70 42.64 58.00 14.99 115.59 177.76 1181259110632584.38 246.30 29.90 21.84 84.00 14.10 59.00 95.17 1201642890692545.20 113.70 41.85 20.73 12.00 19.00 31.87 57.27 12315467120802739.81 171.80 75.38 163.20 30.00 26.30 45.27 125.16 1231112116432363.50 396.30 138.37 58.97 170.00 24.20 91.76 2893.47 124932843111985.41 250.10 34.32 16.25 15.00 18.53 41.29 90.20 1241630182991995.83 89.20 54.90 23.28 19.00 21.76 24.95 53.57 1251790482871766.05 365.00 35.92 30.91 110.00 17.91 44.75 147.35 1271164935151845.00 196.50 50.03 18.56 29.00 25.82 33.90 84.80 128148622524394.29 449.10 67.22 51.64 315.00 15.70 106.97 294.69 12980776401944.69 132.80 36.11 17.28 20.36 15.53 37.03 82.76 1352141810721728.06 113.10 52.40 20.81 65.36 19.69 29.56 62.24 136142987418427.41 337.30 77.27 248.85 90.00 20.10 99.58 210.00 137705683481957.56 206.60 55.79 24.44 22.00 28.63 29.73 81.73 1401720362182595.41 158.00 46.86 24.02 31.00 19.30 36.27 79.24 14316289100721548.90 307.30 54.39 57.21 326.00 25.72 131.93 256.94 15053823012673.30 488.00 51.18 34.55 37.50 10.80 54.62 125.92 1621484455192762.77 236.20 42.67 16.35 62.00 9.40 41.88 149.52 1661262516259686.14 227.00 42.15 67.04 49.29 16.31 34.28 82.96 1781656960551836.26 387.20 38.03 30.06 85.00 21.97 54.98 142.55 1791385533453066.47 282.90 52.68 20.34 25.00 22.90 32.53 103.50 193179811844946.56 223.90 40.08 25.17 950.00 15.40 32.28 117.35 2401787614.08 1092.90 67.96 308.61 1040.00 28.20 434.80 966.73 261647272889.62 1066.20 285.58 2528.48 13500.00 41.70 381.64 1417.86 27238336922921.87 424.50 73.40 59.72 1520.00 27.80 83.70 175.71 29474272933018.38 630.00 96.68 114.81 645.00 34.80 130.36 1626.02 26494872933110.53 635.30 64.03 101.35 190.00 28.30 162.64 615.10 27556767821032.34 353.00 24.53 12.70 11.79 9.00 58.80 89.08 25222674121731539.35 407.50 55.54 61.83 112.00 24.05 66.82 208.27 210543839941774.79 289.70 42.12 41.10 57.00 17.49 76.80 237.45 2431273440151851.61 295.80 15.40 18.35 19.00 4.27 40.42 106.53 241489616031974.79 178.60 32.31 29.01 45.00 14.26 47.98 104.90 2411694774872218.67 423.30 61.41 117.83 216.00 30.30 178.88 293.16 26500688462237.12 967.70 36.41 70.71 66.00 16.87 119.35 457.96 246395104432244.58 445.70 28.32 132.05 139.00 12.91 87.44 303.06 267405109812258.23 420.60 35.81 73.86 561.00 22.49 60.91 241.63 248446112002264.58 257.40 42.25 44.84 260.00 19.58 46.90 192.65 227612119382288.23 350.30 59.07 36.58 177.00 24.57 52.56 170.00 238866131432303.97 306.20 38.30 36.22 115.00 13.54 60.63 145.51 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