城市表层土壤重金属污染分析.docx

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城市表层土壤重金属污染分析

城市表层土壤重金属污染分析

摘要

本文通过319个数据，采用地质累积指数来描述各功能区的受污染程度，得出受污染最为严重的是工业区，交通区次之，然后是生活区，公园绿地区，而山区受污染程度最轻。

求解结果符合日常生活实际。

问题二，根据各区的地质累积指数和重金属元素浓度的平均值确定各功能区受污染严重的重金属。

根据此重金属推出各个污染的主要来源。

一、问题重述

在城市经济快速发展和人口不断增加的今天，城市环境质量问题也越来越受到人们的关注。

对某城市城区土壤地质环境进行调查，将城区按照功能划分，分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，分别记为1类区、2类区、……、5类区。

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。

应用专门仪器测试分析，获得了每个样本所含的多种化学元素的浓度数据。

此外，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。

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。

（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、问题分析

1．对问题

（1）的分析

由于重金属元素在不同深度的浓度不同，所以将附件所给的数据用等高线图来直观的表示出8种重金属元素的空间分布。

地质累积指数不仅考虑了沉积成岩作用等自然地质过程造成的背景值的影响，而且也充分注意了人为活动对重金属污染的影响，因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。

因此，用地质累积指数来分析该城区内不同区域重金属的污染程度。

2.对问题

（2）的分析

将各个功能区的8种元素与其背景值作差。

一方面将各个功能区8种不同元素浓度与背景值浓度的差的值进行横向比较；另一方面将不同生活区的同一元素浓度进行纵向比较，进而得出结论。

3.对问题（3）的分析

4.对问题（4）的分析

三、模型假设

（1）污染源的受污染程度较周围地区严重；

（2）污染物从高浓度区域向低浓度区域传播；

（3）不同的重金属元素在各个功能区均匀分布；

四、模型的建立与求解

1.对问题

（1）的求解

1.1各种重金属元素的空间分布

将附件所给数据绘制成等高线图，通过等高线图直观的反映出各种重金属的空间分布，分布图a如下：

图a1图a2

图a3图a4

图a5图a6

图a7图a8

图a1~a8分别表示As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的空间浓度分布图。

2.该区域不同重金属元素的污染程度的分析

地质累积指数（GeoaccumulationIndex）通常称为Muller指数，是20世纪六十年代晚期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物及其它物质中重金属污染程度的定量指标，其表达公式如下：

其中，

----样品中元素n的浓度；

----背景浓度；1.5为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其它影响。

地质累积指数可分为几个级别，如Forstner等（1990）分为7个级别，0—6级表示污染程度由无到极强，最高级（6级）的元素含量可能是背景值的几百倍，不同的级别也代表着不同的重金属污染程度具体见表1：

表1污染级别表

取值范围

污染级别

含义

1级

无污染

2级

从无污染到中度污染

3级

中度污染

4级

从中度污染到强度污染

5级

强度污染

6级

从强度污染到极强污染

7级

极强污染

由所给的数据，可以根据地质累积指数公式算得各点的

值，见表2。

表2各元素各区

值的平均值

功能区

As

Cd

Cr

Cu

Hg

Ni

Pb

Zn

生活区

0.13

0.92

0.15

0.88

0.20

-0.08

0.24

0.47

工业区

0.21

1.38

-0.03

1.38

1.32

-0.03

0.67

0.86

山区

-0.53

0.06

-0.45

-0.39

0.60

-0.46

-0.46

-0.56

交通区

-0.06

1.18

0.03

1.07

0.46

-0.18

0.28

0.65

公园绿地区

0.14

0.77

-0.17

0.40

0.20

0.34

0.13

0.05

由题目附件所提供的数据，用MATLAB的曲面插值可得到各重金属元素在该城区的分布，见图b:

：

图b1图b2

图b3图b4

图b5

图b1~b5分别表示8种元素在该城区的分布

由图a、b和表2可以分析得到：

生活区：

As浓度值分布不高且大致相同，受污染并不明显，也说明生活区产生的As污染小，属于1级污染；受到Cd的污染为1级，但靠近工业区的生活区受到了较严重的Cd污染，距离远的污染小；Cr的浓度分布较均匀，且属于1级污染；Cu的浓度分布较均匀且属于1级污染；受到Hg的污染为1级，小部分的地势较高的地方有大量的Hg分布，但大部分均匀；Ni分布相对均匀，属于0级污染；Pb分布相对均匀，属于1级污染；Zn浓度个别点高，但相对均匀，总体来讲属于1级污染。

工业区：

重金属As的污染为1级污染；重金属Cd的污染为2级污染，在地势低的区域浓度较高；重金属Cr污染为0级污染；重金属Cu污染为2级污染；重金属Hg污染为2级污染；重金属Ni污染为0级污染；重金属Pb污染为1级污染；重金属Zn污染为1级污染。

山区：

重金属As污染为0级污染；重金属Cd污染为1级污染；重金属Cr污染为0级污染；重金属Cu污染为0级污染；重金属Hg污染为0级污染；重金属Ni污染为0级污染；重金属Pb污染为0级污染；重金属Zn污染为0级污染。

主干道路区：

重金属As污染为0级污染；重金属Cd污染为2级污染；重金属Cr污染为1级污染；重金属Cu污染为2级污染；重金属Hg污染为1级污染；重金属Ni污染为0级污染；重金属Pb污染为1级污染；重金属Zn污染为1级污染。

公园绿地区：

重金属As污染为1级污染；重金属Cd污染为1级污染；重金属Cr污染为0级污染；重金属Cu污染为1级污染；重金属Hg污染为1级污染；重金属Ni污染为0级污染；重金属Pb污染为1级污染；重金属Zn污染为1级污染。

根据图像和数据，分析发现有3个特别的区域，受到重金属污染相当严重。

这3个区域大致是，

运用MATLAB的曲面插值发现，这3个区域的相对周围地势较低，可以猜测这3个区域为湖泊。

2.对问题

（2）的求解

首先计算出各功能区不同元素的平均值，用平均值来近似代替各功能区各种元素的含量，然后将各功能区各种元素含量和其背景值进行比较，得到结果如表3，最后将表中数据分别进行纵向和横向对比，结果如下：

表3各个功能区各种元素均值与背景值的差值表

As

Cd

Cr

Cu

Hg

Ni

Pb

Zn

生活区

2.76

159.96

38.02

36.2

58.04

6.04

38.11

168.01

工业区

3.65

263.11

22.41

114.34

607.36

7.51

62.04

208.93

山区

1.02

65.66

9.58

13.16

54.98

3.93

13.9

27.72

交通区

2.11

230.01

27.05

49.01

411.82

5.32

32.53

173.85

公园区

2.66

150.54

12.64

16.99

79.99

2.99

29.71

85.24

2.1纵向比较

从表中可以看出，生活区和工业区As的含量最高。

而生活区的绿化面积比较大，一些树木的树龄也比较大，为了更好的保护树木花草的健康成长，就会常

年的施一些含有As的化肥。

因此，生活区As污染主要来源于As化肥的使用。

工业区，工厂较多，各种采矿、化学制药等均会造成不同程度的As污染。

因此，工业区As污染主要来源于采矿、冶金、化化学制药、玻璃工业中的脱色剂、各种杀虫剂、杀鼠剂、砷酸盐药物、化肥、硬质合金、皮革、农药等。

工业区和交通区Cd的含量最高。

工业区的各种工厂较多。

所以工业区Cd污染主要来源于农药、化肥电镀、采矿、冶炼、燃料、电池和化学工业等排放的废水等；而在交通区，公园与花园绿化过程中污水、污泥堆肥的广泛使用也明显影响到城市土壤中的重金属Cd含量。

生活区和交通区Cr的含量较高。

生活区绿化面积比较大，所以生活区Cr的污染可能与成土母质有关。

而交通区，各种花草树木以及过往车辆较多，故交通区Cr污染主要来源于金属部件镀铬部分、以及废气的排放和橡胶等。

工业区Cu的含量最高。

Cu矿冶炼厂废弃物的排放即可导致其周边城市土壤Cu含量特异；铜锌矿的开采和冶炼、金属加工、机械制造、钢铁生产等以及冶炼排放的烟尘等是都可以造成铜污染。

工业区和交通区Hg的含量最高。

由此可以得出，废气、废水排放是污染的主要来源。

如：

火力发电、钢铁冶炼、水泥制造、垃圾焚烧、燃煤锅炉及汽车尾气等都可能成为Hg的排放源

生活区和工业区镍的含量最高。

在工业区，冶炼镍矿石及冶炼钢铁时，部分矿粉会随气流进入大气。

在焙烧过程中也有镍及其化合物排出，成为大气中的颗粒物。

燃烧生成的镍粉尘遇到热的一氧化碳，会生成易挥发的、剧毒的致癌物羰基镍［Ni（CO）4］。

镀镍工业、机器制造业、金属加工业的废水中常含有镍。

镍可在土壤中富集。

而生活区绿化面积较大，含镍的大气颗粒物沉降、含镍废水灌溉、动植物残体腐烂、岩石风化等都是土壤中镍的来源。

工业区Pb的含量最高。

可能来源于工业“三废”排放、污水灌溉和交通运输。

燃煤和交通运输可能是其重要的来源。

交通运输所用各种工具，如汽车、飞机等使用的汽油燃烧后可把含Pb的化合物排入大气，使得机场附近和交通道路两侧的土壤严重污染。

各种油漆、涂料、蓄电池、冶炼、五金、机械、电镀、化妆品、染发剂、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自来水管等均能造成Pb污染。

工业区和生活区Zn的含量较高。

工业区主要有锌矿开采、冶炼加工、机械制造以及镀锌、仪器仪表、有机会合成和造纸等工业的排放，汽车轮胎磨损均含有锌及化合物，工业废水中锌常以锌的羟基络合物存在。

而在生活区，煤燃烧产生的粉尘以及烟尘均会造成锌污染。

2.2横向比较

生活区:

Cd和Zn的含量最高。

工业区:

Cd和Hg的含量最高。

山区：

Cd和Hg的含量最高。

公园绿地区：

Cd和Hg含量最高。

交通区：

Cd和Hg的含量最高。

通过分析发现各区的Cd、Hg含量均较高。

资料表明，20世纪初发现镉以来，镉的产量逐年增加。

镉广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域。

镉是炼锌业的副产品，主要用在电池污染或塑胶稳定剂，它比其它重金属更容易被农作物所吸附。

由此可判断，镉污染主要来源于工厂和生活的废气、废水、废渣。

而对各个功能区来说，节能灯是必须品。

节能灯的发光原理就是汞蒸气受激发而发光，所以每支节能灯都含汞。

即便按欧洲最新环保标准，一支节能灯的汞含量也约为3--5毫克。

一旦破碎，仅3毫克就会污染约1000吨水、300立方米的空气！

由此可知，各区Hg污染程度必定会很大。

参考文献：

MiguelDE,JimenezDGM,LlamasJF,etal1TheoverlookedcontributionofcompostapplicationtothetraceelementloadintheurbansoilofMadrid（Spain）[J]1TheScienceoftheTotalEnvironment,1998,215（1-2）:

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王应刚,辛晓云,郭翠花,太原市土壤中汞污染及成因研究[J].生态学杂志,2003,22（5）∶40—42.

　雒昆利,王斗虎,谭见安等,西安市燃煤中铅的排放量及其环境效应[J].环境科学,2002,23

（1）∶123—125

GallegoJLR,OrdóňezA,LoredoJ1InvestigationoftraceelementsourcesfromanIndustrializedarea（Avilés,northernSpain）usingmultivariatestatisticalmethods[J]1EnvironmentInternational,2002,27（7）:

589-5961

附图1

附图2

附图3

附图4

附图5

附图6

附图7

附图8

附表1各点各元素的

值表

编号

As

Cd

Cr

Cu

Hg

Ni

Pb

Zn

功能区

12

0.76

1.14

-0.08

1.21

1.68

0.09

0.43

1.11

1

13

0.08

0.58

0.79

0.42

1.08

0.10

0.31

-0.22

1

16

1.08

3.01

1.03

2.79

1.94

0.27

3.35

2.54

1

18

0.54

1.42

0.31

2.29

2.02

0.09

0.61

1.57

1

20

0.65

2.24

4.00

2.72

1.57

0.83

2.30

3.29

1

21

0.03

0.98

0.23

0.55

0.99

-0.48

0.92

1.11

1

23

0.80

1.33

1.89

2.41

0.64

0.77

0.97

2.05

1

25

-0.40

-0.52

-0.41

-0.74

-1.71

-0.83

-0.68

-1.14

1

33

0.23

2.03

0.31

2.08

1.86

0.08

0.66

1.52

1

36

-0.63

1.61

1.57

1.57

1.70

0.39

0.98

4.81

1

39

-0.33

1.79

0.53

1.38

2.59

-0.23

1.20

1.51

1

42

0.46

1.38

0.73

3.65

0.78

0.12

1.10

1.02

1

63

-0.89

1.03

-0.38

0.57

-1.09

-1.00

0.38

0.25

1

67

-0.71

1.91

0.14

0.80

-0.49

-0.77

0.23

0.28

1

68

0.19

0.80

-0.14

1.76

-0.09

-0.18

-0.44

-0.32

1

72

0.58

-0.20

0.17

0.07

0.32

0.09

-0.65

-0.73

1

94

-0.20

0.03

-0.36

-0.20

-1.37

-0.25

-0.33

-0.32

1

106

-1.21

-0.57

-1.33

-1.03

-1.91

-1.05

-0.93

-1.25

1

107

0.28

0.92

-0.34

1.63

0.09

-0.38

0.02

0.14

1

152

0.61

2.54

-0.12

2.14

0.26

0.06

0.93

0.84

1

154

0.72

1.24

0.23

1.53

2.63

0.48

1.50

1.31

1

156

0.00

0.46

-0.65

0.26

-0.01

-0.90

0.10

0.20

1

157

0.53

1.28

0.10

0.50

3.39

0.04

-0.02

0.08

1

158

0.06

0.05

-0.88

-0.05

-0.22

-0.66

-0.20

-0.25

1

176

0.16

1.49

-0.37

0.64

1.07

-0.04

-0.06

0.51

1

180

-0.37

1.26

-0.19

1.11

0.14

-0.30

1.31

0.78

1

183

0.21

1.57

-0.29

0.60

0.70

0.25

0.24

0.46

1

184

-0.11

0.60

0.11

-0.09

-0.86

0.48

-0.46

-0.29

1

186

-0.24

-0.01

-0.58

-0.06

-0.47

-0.29

-0.64

-0.57

1

187

0.00

0.66

-0.21

0.39

-0.36

-0.18

-0.48

-0.37

1

195

0.49

0.67

0.26

0.30

-1.25

0.63

-0.65

-0.34

1

198

0.00

0.94

-0.44

-0.29

-1.81

0.01

-0.17

-0.20

1

199

0.11

-0.54

0.24

0.23

-1.47

0.24

-0.90

-0.95

1

243

-0.05

1.36

0.02

1.03

0.53

0.00

0.39

1.03

1

254

-0.05

-0.19

-0.15

0.07

-2.13

0.04

-0.55

-0.85

1

258

-0.30

0.92

-0.64

0.14

0.68

-0.39

0.34

-0.12

1

259

0.00

0.28

0.01

0.28

-0.76

0.07

-0.36

-0.39

1

267

0.68

0.92

0.04

0.48

-0.59

0.00

0.20

-0.07

1

268

0.26

-0.58

-0.18

-0.36

-1.19

-0.21

-0.31

-0.56

1

269

0.40

1.50

0.98

1.33

0.89

-0.18

-0.17

1.63

1

272

1.02

0.93

-0.20

1.64

0.63

-0.10

0.71

0.70

1

273

0.86

0.40

0.70

3.04

-0.81

0.51

-0.04

0.27

1

276

-0.96

0.86

-0.12

-0.28

0.24

-0.97

-0.15

0.53

1

306

0.26

1.12

0.18

0.04

-1.07

0.31

-0.52

0.00

1

4

0.28

0.78

-0.21

0.35

4.18

-0.26

-0.53

0.18

2

6

1.38

3.07

0.55

3.96

4.31

0.61

3.23

3.22

2

8

0.83

3.04

2.62

7.00

8.01

1.18

3.04

3.78

2

29

2.02

1.71

0.66

1.59

4.86

0.59

0.85

0.76

2

30

1.77

2.28

1.06

2.54

3.62

0.92

1.49

3.97

2

31

0.96

2.29

0.46

2.36

1.86

0.62

1.81

2.57

2

103

-1.21

1.44

-0.92

-0.64

-2.15

-1.04

0.34

-0.22

2

153

0.79

1.65

0.26

1.64

1.09

0.38

0.52

1.01

2

177

-0.17

1.16

-0.14

1.05

0.12

-0.08

0.72

1.20

2

185

-1.75

1.19

-1.59

-0.11

-1.47

-2.11

-0.20

0.04

2

197

-0.17

0.46

-0.53

0.55

-0.22

-0.37

0.05

0.02

2

221

0.68

1.70

0.40

2.57

2.04

0.72

1.94

1.50

2

223

0.40

2.90

-0.35

1.84

0.33

-0.13

1.36

2.15

2

224

-0.24

1.78

-0.72

2.74

1.40

-0.52

0.91

1.55

2

225

0.61

1.69

-0.38

1.90

3.42

0.29

0.39

1.22

2

226

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0.5