土壤重金属污染评价模型.pdf

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1、中南大学硕士学位论文长株潭地区土壤重金属污染评价模型及分析姓名：王淖申请学位级别：硕士专业：构造地质学指导教师：吴堑虹20050401摘要随着社会经济的发展，人类在生产过程中排放出大量有害重金属物质进入土壤，使得土壤结构和功能恶化，质量下降，并且直接危害到人类的健康和发展。因此，研究土壤重金属污染状况及其分布规律并对土壤质量进行评价，具有重要的理论意义和实践意义。本文综述了土壤重金属污染研究现状，介绍了环境地球化学质量评价中常用的几种方法，并讨论了各种评价方法的适用范围与不足。对长株潭地区的土壤重金属污染现状给出了总体的描述，确定了几种主要的污染元素(C d、f i g、P b、C r、A s

2、、Z n、N i、C u)，根据其污染情况着重对长株潭地区土壤中重金属污染进行评价。本文通过聚类回归分析法，对长株潭地区的土壤中出现的几种复合异常的重金属元素行为之间可能存在的地球化学关系建模，求出其相关参数，从而找出多种金属元素浓度之间的相互关系，然后通过谱系图进行分类得出可将长株潭地区重金属污染元素分成二组：一组是C d，Z n，P b，另一组是N i，C r，C u。通过线性回归法建立上述元素之间回归模型，得出各元素在土壤中的浓度关系函数。在长株潭地区土壤重金属污染评价中，选用层次分析模糊决策法进行评价。首先对土壤中各个重金属污染元素的重要性进行评估，建立判断矩阵，求出各污染元素的权重并

3、对所得的权重进行检验；再将所得权值与B o r d a 评分法相结合求出赋值B o r d a 数，依此对土壤环境质量的优劣进行判断。通过层次分析模糊决策法，对长株潭地区3 5 9 7 个采样点数据进行了评价及判别。结果表明，长株潭地区土壤总体来说是好的，极少数区域污染较重，这与长株潭地区的实际情况也是相吻合的。关键词：重金属污染，土壤质量评价，长株潭地区，回归分析法，层次分析模糊决策A B S T R A C TW i t hd e v e l o p m e n to fe c n o m y,m u c hh e a v ym e t a lp o l l u t e ri n f l

4、o ws o i la n dp o l l u t ee n v i r o n m e n ta n ds o i l，a n de n d a n g e rh u m a nb e i n gh e a l t ha n dc o n t i n u a ld e v e l o p m e n t T h e r e f o r e，t h es i t u a t i o no fh e a v ym e t a lp o l l u t e ra n dd i s t r i b u t i n gr u l ei sw o r t h i n gt or e s e a r c

5、 h I nt h i sp a p e r,w em a i n l yf o c u so nt h ee n v i r o n m e n tq u a l i t ye v a l u a t i o na n df o r e c a s t I n gt oh e a v ym e t a le l e m e n ti nC h a n g-Z h u T a n gd i s t r i c t，a n ds u m m a r i z et h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e st oe v e r

6、 ym e t h o d T h ep a p e rs u m n 3 a r i z e st h en o w a d a y ss i t u a t i o na b o u th e a v ym e t a le l e m e n t sp o l l u t e d，a n di n t r o d u c es e v e r a la p p r o a c h e st h a tu s u a l l yb eu s e dt oe v a l u a t et h ee n v i r o n m e n tc h e m i c a lg e o g r a p

7、 h yq u a l i t y W eg i v ea ne n t i r e l yd e s c r i p t i o na b o u tt h eb i o s p h e r ee n v i r o n m e n to fC h a n g Z h u T a n gd i s t r i c t T h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e ro fb i o s p h e r eg e o g r a p h ya n dt h ei n t e r r e l a t e df a c t o rp r i n

8、 c i p l et h r o u g ht h eA n a l y s i so fR e g r e s s i o na n dC l u s t e r 限O，a n ds e tu pt h ec h e m i c a lg e o g r a p h ym o d e lf o ri n f l u e n c i n gf a c t o ra n de l e m e n ta c t i o n，t h e r e b yf i n dt h er e l a t i o no fm a n ye l e m e n t s W eC a ne s t i m a t

9、 et h ei n t e r r e l a t e de l e m e n ta m o u n ti fk n o wak i n do fr e p r e s e n t a t i v ee l e m e n ta m o u n tt h r o u g hc l a s s i f i c a t i o na n a l y s i s S ot h en u m b e r so fe x a m i n e de l e m e n t sa r er e d u c e d t h a tw i l ls a v el a r g em a n p o w e r

10、r e s o u r c ea n dm m e f i a lr e s o u r c e s I nt h i sP 叩e r，t h er e s u l t ss h o wt h a th e a v ym e t a lp o l l u t e rC a nb ec l a s s i f i e dt ot w og r o u p s，o n ei sC da n dZ na n dP b，a n da n o t h e ri SN ia n dC ra n dC u W es e tu pr e g r e s s i o nm o d e la n dg e tt

11、h ea m o u n to ff u n c t i o nt ot h o s ee l e m e n t si ns o i l I nt h ee n v i r o n m e n tc h e m i c a lg e o g r a p h yq u a l i t ye v a l u a t i o n，a c c o r d i n gt ot h ep o l l u t e df e a t u r ea n de v a l u a t i o nr e q u i r e m e n t si nC h a n g Z h u-T a n g，w es e l

12、e c tt h eA n a l y t i c a lH i e r a r c h yP r o c e s s(A H P)a n dF u s s yD e c i s i o n(F S)a p p r o a c h T h i sa p p r o a c hC a ns o l v et h ec o m p l i c a t e dp r o b l e mi nt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t ye v a l u a t i o n，s u c ha sm a n yo b j e c t sa n dr e g u

13、l a t i o n s W es e l e c tt h es p e c i m e np o i n t sa b o u tt h en u m b e ro f3 5 9 7t oa n a l y s i s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep o l l u t e ds i t u a t i o ni sv e r ys e r i o u sa n dn e e dt r e a ti np a r t i a lz o n e，a n dm e a n w h i l eo f f e rt h e o r yb a s i

14、st ot h ec o m p a t i b i l i t ye v a l u a t i o na n dg r a d eo f c i t yf u n c t i o n K E YW O R D SH e a v yM e t a lP o l l u t i o n，C h a n g-Z h u T a n gD i s t r i c t，A n a l y s i so f R e g r e s s i o na n dC l u s t e r，A n a l y t i c a lH i e r a r c h yP r o c e s sa n dF u s

15、s yD e c i s i o n原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：4日期：丛年上月乒日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部

16、门规定送交学位论文。作者签名：互_ 2，车一导师签名：墨扯日期：吐年业月粤日硕士学位论文第一章绪论第一章绪论土壤是自然环境系统中物质和能量交换的枢纽，是人类赖以生存的物质基础，当物质与能量不断由周围环境向土壤输入时，会引起土壤存在状态和自身特征的变化。随着现代化城镇、厂矿企业的不断发展，在生产过程中排放的大量有害物质，通过大气和污水灌溉进入土壤，致使土壤生态系统平衡遭到破坏，结构和功能恶化，土壤环境质量下降。而重金属污染则是破坏土壤环境的重要因素，更为重要的是土壤中有害重金属会通过食物链在人体内积累，直接危害人体的健康。因此，分析研究土壤重金属污染状况及其分布规律，具有重大的理论意义和实践意义

17、。1 1 土壤重金属污染来源随着经济的迅速发展，含有重金属元素的污染物质通过各种途径进入土壤，造成土壤污染严重。土壤重金属污染可影响农作物产量质量的下降，并通过食物链危害人类健康，也可导致大气和水环境质量的进一步恶化。所以，土壤重金属污染已经引起各国政府、研究人员的广泛重视。重金属是地球上最为普遍，具有潜在生态危害的一类污染物。与其它污染物相比，重金属不但不能被微生物分解，反而能够富集于生物体内，并可以将某些重金属转化为毒性更强的金属有机化合物。重金属的定义目前还没有严格统一的提法。但一般认为金属的比重大于5(或大于4)者为重金属。重金属元素很多，在环境污染研究中所说的重金属主要是指H g、c

18、 d、P b、c r以及类金属A s 等生物毒性显著的元素。也包括具有一定毒性的一般重金属，如z n、C u、C o、N j、S n 等，目前，最引人注意的是H g、C d、P b、A s、C r 等。重金属在环境中的行为和影响主要有以下特征：(1)重金属是构成地壳的元素，在自然界具有非常广泛的分布，它遍布于土壤、大气、水体和生物体中。硕士学位论文第一章绪论(2)重金属作为有色金属，在人类的生产和生活中有着广泛的应用，各种各样的重金属污染源由此而存在于环境中。(3)重金属大多属于过渡性元素，在自然环境中具有不同的价态、活性和毒性效应。通过水解反应，重金届易生成沉淀物。重金属还可以与无机、有机配

19、位体反应，生成络合物和螯合物。(4)重金属对生物体和人体的危害特点在于：第一，毒性效应；第二，生物不能降解，却能将某些重金属转化为毒性更强的金属有机化合物；第三，食物链的生物富集放大作用；第四，通过多种途径进入人体，并积蓄在某些器官中，造成慢性中毒。土壤中重金属的来源是多途径的，土壤本身含有重金属元素，而人类工农业生产活动则是造成重金属对大气、水体和土壤污染的主要来源。下匝介绍土壤污染及土壤重金属污染物的来源和分布。土壤作为一种重要的自然资源，是人类赖以生存的基础，它不但为植物生长提供机械支撑能力，并能为植物生长发育提供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。所以，土壤作为作物载体，它的环境质量直接

20、维系着农产品安全，对人体健康影响深远。近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒，有害废水不断向土壤中渗透，大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中，导致了土壤污染。凡是妨碍了土壤正常功能，降低作物产量和质量，还通过粮食、蔬菜、水果等间接影响人体健康的物质，都叫做土壤污染物。土壤污染物来源广、种类多，大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物主要包括酸，碱，重金属(铜、汞、铬、镍、铅等)，盐类，放射性元素铯、锶的化合物，含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物主要包括有机农药，酚类，氰化物，石油，合成洗涤剂，3、4 一苯以及由城市污水、污泥及施肥带来的有害

21、微生物等。当土壤中含有害物质过多，超过土壤的自净能力，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累，通过“土壤一植物一人体”，或通过“土壤一水一人体”间接被人体吸收，达到危害人体健康的程度。土壤中的重金属的来源综述起来有以下几个途径：硕士学位论文第一章绪论(1)大气中重金属沉降大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大气中的大多数重金属是经自然沉降和雨淋沉降进入土壤的。(2)农药、化肥和塑料薄膜使用施用含有铅、汞、镉、砷等的农药和不合理地施用

22、化肥，都可以导致土壤中重金属的污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属H g、A s、C d、Z n、P b，磷肥次之，氮肥和钾肥含量较低，但氮肥中铅含量较高，其中A s 和C d 污染严重。(3)污水灌溉污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有的许多重金属离子，随着污水灌溉而进入土壤。在分布上，往往是靠近污染源头的城市工业区土壤污染严重，远离污染源头和城市工业区，土壤几乎不污染。(4)污泥施肥污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素，但同时污泥中也含有大量的重金属

23、，随着大量的市政污泥进入农田，使农田中的重金属的含量在不断增高。(5)含重金属废弃堆积含重金属废弃物种类繁多，不同种类其危害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般以废弃堆积物为中心向四周扩散。通过对武汉市垃圾堆放场、杭州某铬渣堆存区、城市生活垃圾场及车辆废弃场附近土壤的重金属污染的研究，这些区域的重金属H g、A s、C d、Z n、P b、C r、C u、N i、S b、C o、M o 的含量高于当地土壤背景值，重金属在土壤中的含量和形态分布特征受其垃圾中释放率的影响，且随距离的加大，重金属的含量降低。(6)金属矿山酸性废水污染硕士学位论文第一章绪论金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣

24、和矿渣堆放等，可以被各种酸溶浸出含有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。1 2 土壤重金属污染现状及当前所做的研究目前，世界各国土壤存在不同程度的重金属污染，全世界平均每年排放H g 约1 5 万吨、C u 为3 4 0 万吨、P b 为5 0 0 万吨、M n 为1 5 0 0 万吨、N i 为1 0 0 万吨”“。据报道，目前我国受镉、砷、铬、铅等污染的耕地面积近2 0 0 0 万公顷，约占总耕地面积的1 5，其中工业“三废”污染耕地1 0 0 0 公顷，污水灌溉的农田面积已达3 3 0 多万公顷”“。污

25、水灌溉等废弃物对农田已造成大面积的土壤污染。如沈阳张士灌区用污水灌溉2 0 多年后，污染耕地2 5 0 0 多公顷，造成了严重的镉污染，稻田含镉5-7 m g k g。天津近郊因污水灌溉导致2 3 万公顷的土壤被污染，污染面积占郊区耕地面积的4 6。8 0 年代中期对北京某污灌区进行的抽样调查表明，大约6 0 的土壤和3 6 的糙米存在污染问题。南京农业大学农业资源与生态环境研究所在2 0 0 2 年初做过个南京市各城区的土壤重金属污染调查，结果同样很严重i 超过7 0 的采样区域存在重金属污染，测出的最高铅含量超过9 0 0 p p m，超过国家标准3 倍以上。2 0 0 1 年在对北京的公

26、园土壤重金属污染做的一项调查中发现被公认为城市中环境质量优良的公园存在着不容忽视的土壤重金属污染，而且公园建成的年代与土壤重金属污染的程度成一个指数关系。关于土壤重金属污染的研究，国外开始于2 0 世纪6 0-7 0 年代，如澳大利亚、美国、德国等国家对土壤重金属的研究较深入，尤其澳大利亚，不少土壤学家已经开展了许多相关土壤及环境质量问题的研究，具体包括：土壤全球变化与环境；土壤圈与地球圈层的物质循环；土壤生态与环境质量；土地利用与土壤退化；农业土壤与环境质量；城市建设及土壤环境保护掣0 7 I 1 0 8 1 0 9】。由于土地资源是有限的，世界各国都非常重视土壤重金属污染治理方法的研究，如

27、现有：工程治理法、生物治理法、化学治理法、农业治理法等一系列方法。4硕士学位论文第一章绪论我国在1 9 8 3 年对主要类型的土壤环境容量作过初步研究，如提出研究土壤重金属的生态效应、临界含量地带性分异规律和分区等n o m l m。另外，在土壤数字化研究、“3 s”技术的研究、土壤智能化研究、土壤网络化研究等方面借助于国外的先进技术与经验，结合本国国情均取得了一定的成果3 1。研究区土壤重金属污染的现状分析我们将在第三章中给出。1 3 论文的研究意义及研究内容土壤是生态环境的重要组成部分，是人类赖以生存的主要资源之一，也是物质生物地球化学循环的储存库，对环境变化具有高度敏感性。城市土壤作为地

28、球土壤圈的一个组成部分，完成着一定的生态、环境和经济功能，关系到城市生态环境质量和人类健康，而城市土壤重金属污染是有效反映城市环境污染状况的重要指标之-1 1 7 l。湖南省有色金属资源丰富，有着“有色金属之乡”的美称。近几十年来，由于大量开采矿产，重金属污染问题日益突出。自上世纪7 0 年代开始，湘江流域开矿冶金企业不断增加，使湘江一些河段水质出现重金属超标现象，有关调查表明，凡湘江河段靠近重要厂矿的区域，重金属污染都很严重。如株洲渌口河段、株洲霞湾段、长沙暮云镇河段等。由于乱采滥挖，选锡洗砂过程中产生的砷、铅、铜、镉等重金属已污染了湘江，沿河2 0 万人受到污水的影响。长株潭地区位于湘江下

29、游，是重金属污染的主要区域。本文针对长株潭地区生态地球化学出现的重金属污染问题进行的研究，属于“湖南省洞庭湖区生态地球化学调查”总项目中专题研究的一部分，以长株潭地区为例，主要从以下几个方面对长株潭地区的土壤污染中的有害金属元素进行分析评价，通过分析研究土壤重金属污染状况及其分布规律，以便于进行城市功能适宜区评价及适宜级别划分，对于长株潭区域的生态、环境和经济功能及人们的健康具有重要的理论意义和实践意义。本文主要从以下几个方面对长株潭区域的重金属污染情况进行研究。(1)本文综述土壤重金属污染的现状，介绍在土壤环境质量评价中常用的几种硕士学位论文第一章绪论评价方法，如聚类分析、回归分析、层次分析

30、法、B P 神经网络分析法等，总结了各评价方法的适用范围与不足，并给出长株潭地区土壤环境总体的描述。(2)通过调查研究长株潭地质环境背景、地理环境背景及原有的城市布局规划，研究重金属本身在土壤污染中的特点及对人体的危害程度，从而确定几种主要的有毒有害的重金属元素，如：C d、P b、C r、A s、Z n 等。(3)通过聚类回归分析法，对土壤中主要重金属污染元素相关关系规律进行分析，建立元素行为之间可能存在的关系模型。(4)了解污染元素的特点及相互变化规律，选用合适的评价方法，建立符合研究区实际的评价指标。1 4 土壤环境质量评价方法概述土壤环境质量的定义为：综合表征土壤维持生产力、环境净化能

31、力以及保障动植物健康能力的量度。土壤环境质量与人类生活和健康息息相关，我们必须保持土壤在一种健康和洁净的状态，这样才能使其适用于农业生产，安全有效的使用废弃物和副产品作为土壤改良剂，同时土壤由于人为活动而受到污染时，进行及时预报和适当的修复，以减轻其自身以及对大气、水和植物等的污染。所以，必须从环境角度研究合适的方法来评价土壤环境质量。土壤环境质量评价是对土壤优劣的定量描述和评定，即按照一定的评价标准和评价方法对一定区域范围内的土壤环境质量进行说明、评定和预测，其目的是准确反映土壤环境质量和污染状况，找出当前的主要土壤问题，为有针对性地采取措施，制订土壤规划和有关管理防治对策提供科学依据。土壤

32、环境质量的评价方法大致可分为两种类型：一种是主要考虑土壤的自然属性信息；另一种评价方法是从社会经济的观点评价土壤环境质量，评价人类社会经济活动引起的土壤系统变化以及对人类自身的影响。土壤环境质量评价要明确回答特定区域内土壤是否受到污染和破坏，程度如何；区域内何处土壤环境质量最差，污染最严重；何处土壤环境质量最好、污染较轻；造成污染严重的原因何在，并定量说明土壤环境质量的现状和发展趋势1 2“。6硕士学位论文第一章绪论土壤环境质量评价的数学模型可概括为两大类【1 4】：一类是评价土壤环境质量模型，它包括土壤环境质量指数模型、环境功能评价模型等：另一类是根据反应动力学来描述的，又分为污染物输移模型

33、、反应模型、输移及反应模型和生态模型锌。在本论文中着重讲述评价土壤环境质量模型。，7近年来，国内外对土壤环境质量评价方法的研究正处于蓬勃发展的时期，新的方法还在不断出现，每一种方法都有它的适用范围，有时可以用几种方法来评价同一个对象，以提高精确度。按照方法本身的性质划分，可以将评价方法分为定性方法、定量方法和定性与定量相结合的方法三大类。定量分析包括：回归分析法、因子分析法、灰色关联分析、指数法与综合指数法、概率法等：定性分析包括：聚类分析法、定性模糊集等；定性与定量相结合的分析方法：层次分析法、模糊综合评判法、人工神经网络、主成份分析法、类比分析法、相关分析法、多元统计法、系统综合评价法等。

34、这些方法各有其适用范围，但不管采取什么方法，其可靠性最终取决于对土壤环境的全面认识和深刻理解。因此，获取可靠的资料数据，仔细分析土壤环境的特点、本质和各要素之间的内在联系，是评价成功的关键“5 1。随着2 l 世纪的到来，土壤环境和土壤环境质量的研究必将进一步深入开展，其主要研究内容可归结为以下五个方面：1、土壤环境质量的时空变化与发展；2、土壤环境质量的演变过程与形成机理：3、土壤环境质量的指标体系与调控原理：4、土壤环境质量与土壤物质循环及环境的交互作用；5、不同类型耕地土壤环境质量的持续重建与定向培育等。此外在现有土壤环境背景值校正、土壤有毒化学品分析测试方法的改进、土壤污染快速诊断技术

35、的研制、以及制定我国土壤污染控制的立法等方面都有待提高和完善【l6 1。1 4 1 土壤环境质量评价中常用的几种方法介绍由于土壤重金属污染物来源广、种类多、污染途径多样。因此，调查土壤环境现状，评价土壤环境质量可有效地反映环境污染物质迁移扩散与转化规律。在本硕士学位论文第一章绪论节中，我们将介绍环境质量评价中常用到的聚类分析、回归分析等几种方法，并对这几种环境质量评价方法作简要的概述。1 4 1 1 聚类分析聚类分析是研究“物以类聚”的一种方法。国内有人称它为群分析、点群分析等。顾名思义，“物以类聚”就是把性质相似的东西归为一类，以便于人们对事物进行利用和管理。聚类分析是在已知q 个总体和P

36、个指标的情况下，将其分为若干个类型。聚类一般包括以下两种：对样品的q 型聚类，对变量的P 型聚类。目前聚类方法有多种，其中包括：系统聚类法、分解聚类法、灰色聚类法、模糊聚类法、加入聚类法、动态聚类法、有序样品聚类法、有重叠聚类法等。下面主要介绍系统聚类法。系统聚类分析法系统聚类法是目前应用较为广泛的一种聚类方法。系统聚类法就是根据分类越小，则共同的特征就越多的思想，在开始时把每个个体分成一类，然后把晟相似的个体首先聚为小类，再将小类按其相似性再聚合，随着相似性的减弱，最后把所有子类聚合成一个大类，从而得到一个按相似性大小连接起来的谱系图。下面介绍系统聚类分析法的具体计算过程2“。(1)H 个个

37、体在开始时就当作n 个类阵D=(d i d)。，其对角线元素全为1，显然计算两两之间的相似参数构成一个矩此时=，将矩阵D 记为D(0)o(2)选择D(o)中最大元素，设这个最大元素为p 阳，则将昂和R q 所合并成一个新类，R r=昂，岛，在D 倒中消去绵，R q 所对应的行和列，并加入有新类R，=昂，R。)与剩下的其他为聚合的类的相关参数所组成的一行和一列，得N-个新的距离矩阵D(o。显然D c o,是(n 1)(n 1)阶矩阵(注：在D 俐中如果还有另外一个最大相关参数可作类似的处理，此时的D 为(n 一2)(n 一2)阶矩阵)。(3)由D 出发重复(2)的做法得到D 倒，再由D 例出发重

38、复，直到 个个体聚合为一大类为止。硕士学位论文第一章绪论1 4 1 2 回归分析简单线性回归模型是描述相应变量y 与一个自变量z 线性关系的统计模型。然后利用最小二乘估计法推导回归参数的估计公式，在获得回归模型参数的估计值以后，可进一步对回归参数作统计推断“。最简单的回归分析是一元线性回归分析，为了弄清它解决什么问题，我们先打个比方：土壤中重金属元素Z n(J，)的浓度与C d(|=r)的浓度有关，为了得到z n的浓度常常通过已知的C d 的浓度来求得，反之亦然，为此需要了解J，与X 之间的关系。由于种种因素的影响，即使土壤中Z n 的浓度相同，C d 的浓度也不会完全相同，因而它们之间的关系

39、是一种非确定性的关系。首先，我们根据收集到的Z n(J，)浓度和C d(z)浓度的数据组，看成是平面直角坐标系中的点(如n)，并画出“散点图”；接着，我们可以观察散点图上点的分布规律，一般说来，这些点散布在一直线附近，但又不全在一条直线上，那么我们可以认为J，与z 之间的关系由两部分组成，一部分是由于X 的变化引起的J，线性变化部分，记为成+p,x，另一部分是由其它一切随机因素引起的，记为占：Y=B、七8L X 七c在上式中，我们总假定X 是一般变量，它的值是可以精确测量或严格控制的，成和届为未知参数，s 是不可观测的随机误差，通常假定E(占)=O，D()=仃2，为了对参数作区间估计与假设检验

40、的需要，通常还假定其服从正态分布，从而在上述假定下J，一一N(P o+f l l x，盯2)。对我们所获得的观测数据(丑，月)(其中i=l，2，n)来说，通常还假定各Y。，Y：，Y。是相互独立的，从而可得到一元线性回归的数学模型：I Y，=P o+届+s，i=1,2，疗l 各毛独立同分布，其分布为(o，仃2)我们称：E(y)=风+屈x 为J，关于x 的回归函数，它在乎均意义上表明了y 与X 之间的一种统计规律性。9硕士学位论文第一章绪论1 4 1 3 层次分析法层次分析法(A H P)是在决策中把相关问题条理化、层次化，构造出一个有层次结构的模型，如把问题分解成目标、准则、方案等层次，在此基础

41、之上进行定性和定量分析的决策方法。该方法是美国匹茨堡大学运筹学家萨蒂教授在本世纪7 0 年代初，为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重决策分析方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合【2 4】。层次分析法为长株潭土壤环境质量评价所使用的方法，本文在第四章有详细的陈述。1 4 1 4B o r d a 评

42、价法B o r d a 评价法是一种综合评价法，是以个评价指标对，个备择方案进行评价，其目的在于根据某种原则或方法评选出最优方案或确定方案间优序排列，优与次这一概念之间不存在绝对分明的界限，就使评价带有模糊性；同时，选优和排序是在(胗)个方案中进行的，优或次是相对于方案之间比较而言，又使评价具有相对性。模糊B o r d a 数分析法是适应这种模糊性和相对性评价的较好方法之一1 2 5 1 1 2 6 1oB o r d a 评价法为长株潭土壤环境质量评价所使用的方法，本文在第四章有详细的陈述。1 4 1 5B P 神经网络分析法B P 网络是模拟人脑的思维方式和组织形式而建立起来的数学模型，

43、是由大量的简单神经元，通过极其丰富和完善的连接而构成的自适应非线性动态系统，并O硕士学位论文第一章绪论具有并行处理、联想记忆、抗干扰能力强等特点。网络能够模拟人类大脑的结构和功能，采用某种学习算法从训练样本中学习，并将获取的知识存储于网络各单元之间的连接权中。目前，已出现了许多网络模型和学习算法，主要用于分类、优化、模式识别、预测和控制等领域。用于环境评价的B P 网络模型可选用三层非循环网络(图1 1)1 2 8】。输出模式y ly 2y“权可调权可调+X I图1 1ff输入模式一个三层的B P 网络输出层隐层输入层在B Pf 网络中需要的算法是对简单的万准则的推广和发展。假设B P 网络每

44、层有N 个处理单元，作用函数为非线性的S i g m o i d 型函数，一般采用f(x)=1(1+e 1)，训练集包括M 个样本模式(X K，Y r)。对第P 个训练样本伊=l，2，M 土单f f i j 的输入总和记为口。、输出记为，则T l p j=一0 j-o12 厂(O t p j)2 矗i如果任意设置网络初始权值，那么对每个输入模式P，网络输出与期望输出一般总有误差，定义网络误差E=E，P硕士学位论文第一章绪论q：去0。一O p j)2式中：d。为对第P 个输入模式输出单元J 的期望输出。B P 网络的权值修正公式为：(，+1)=，(t)+r l S p j O。f f(a，)(d

45、。一O p j)对于输出单元厶31 厂b。)莩w。对于输入单元在实际应用中，为加快网络收敛速度，玎应取值足够大又不致产生振荡，通常在权值修正公式中再加一个势态项得：W j,(t+I)=W j，(f)+叩占。0。+n 帆，(，)一j(f 一1)式中：d 为一常数项称势态因子，它决定上一次的权值变化对本次权值的影响程度。总之，B P 算法步骤为：(1)初始化网络参数；(2)提供模式、网络，直到满足要求。1 4 2 评价方法综述聚类分析法比较适合于所选标准值是区间界限值的情况，属于定性分析。本文主要通过聚类分析与回归分析相结合，对长株潭地区主要重金属污染元素的相关关系规律进行分析，建立各元素行为之间

46、可能存在的关系模型。回归分析是科学预测方法之一，是寻求事物随机变化量之间所存在的某种必然的、特殊的约束性即规律性的一种数学处理方法与技术。聚类分析中的系统聚类分析法能找出哪些元素是有定相关性的，然后进行分组后，再用回归分析对它们之间关系的进一步检验或进一步细化。硕士学位论文第一章绪论B P 神经网络模拟了人的形象直觉思维，但在其规则的提取上还存在许多问题：(1)人们难以理解网络的决策过程；(2)其算法过于复杂。所以提高所提取规则的可理解性及算法的适用性，以及及时修正神经网络并提高神经网络性能等，都是进一步研究的力向。层次分析法作为一种十分有效的系统分析方法，广泛地应用在经济管理规划、能源开发利

47、用与资源分析、城市产业规划、人才预测、交通运输、水资源分析利用等方面。与目前国内外流行的指数法、灰色系统分析法、模糊数学法等方法相比，层次分析法适用于尚无统一度量标尺的复杂问题的分析，解决用纯参数数学模型方法难以解决的决策分析问题和多目标任务的分析。层次分析法的整个过程体现了人的决策思维的基本特征，即分解、判断与综合，易学易用，而且定性与定量相结合，便于决策者之间彼此沟通。但层次分析法也有其局限性，主要表现在：(1)它在很大程度上依赖于人们的经验，主观因素的影响很大，它至多只能排除思维过程中的严重非一致性，却无法排除决策者个人可能存在的严重片面性：(2)比较、判断过程较为粗糙，不能用于精度要求

48、较高的决策问题。层次分析法至多只能算是一种半定量(或定性与定量结合)的方法。因此，将层次分析与模糊决策理论相结合，从而提出层次分析模糊决策评价方法成为必然。在本文中，我们先通过层次分析法对评价因素相对重要性进行比较，建立判断矩阵，通过运算和一致性检验得出较客观的权值，再将所得权值与B o r d a评分法相结合求出赋值B o r d a 数，并按赋值B o r d a 数的大小排成最优线性序，依此对环境的优劣进行判断。本文参考相关的研究工作，运用层次分析模糊决策法对长株潭地区环境地球化学质量评价工作中的土壤重金属元素的污染情况进行研究，得出各不同采样点的污染等级，在对长株潭地区的城市功能适宜区

49、评价及适宜级别划分中起到重要的参考作用。硕士学位论文第二章长株潭地区基本概况第二章长株潭地区基本概况2 1-r 作区范围及自然地理条件2 1 1 工作区范围长株潭位于东经1 1 0。5 3 至1 1 4。1 5、北纬2 6。3 至2 8。4 0 范围，研究区主要包括长沙市区、株洲市区、湘潭市区3 0 0 平方公里的三个人口密集区，另包括其周边发育C d、A s 等异常和长株潭一体化规划范围内的区域，合计1 5 7 0平方公里。经国务院批准的长株潭一体化发展规划使研究区在湖南省的政治、经济地位处于更为重要的战略性位置，并面临城市及经济发展的极好机遇，长沙是全国省会城市中惟一生态市试点城市，表明研

50、究区政府和人民有实现城市与人类协调发展的强烈愿望，城市的发展将使研究区生态地球化学环境体系面临更为重大挑战1。2 1 2 自然地理条件研究区自然条件好，人口密度大；长沙是湖南省省会，是湖南省政治、经济、科技、文化中心和交通枢纽，株洲、湘潭均为湖南省的重要工业城市，区内工农业生产水平高于全省其它地区，人民生活水平及受教育程度相对较高，是湖南省经济发展相对较快的一个区域。湘潭、株洲、长沙由南向北依次沿湘江分布，山水相依，一江相连，两两相距约4 5 公里，3 个主要地区属于相同的自然地理系统，属于湘江下游河谷及丘陵带。研究区属东亚季风湿润气候，气候温和，雨量充沛，光、热、水资源充足、光、热、水基本同