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
10组付董帅，贾晓明，吴丽娜
摘要：
该文采用采用散点插值法进行数据分析，利用MATLAB软件，通过编程画图，得到整个范围的城市功能分区的空间分布图和8种重金属元素的空间分布图。
接着在单因子指数评价基础上采用内梅罗综合污染指数评价土壤的综合污染，比较该城区的各个功能区重金属的污染程度。
考虑到各重金属污染源的多样性，通过所查文献资料为辅助，精确地分析了各个区域重金属污染的主要原因，明确了该城区的重金属污染主要原因在于工业释放及交通排放。
接着从自然环境因素和人类工农业生产活动因素两方面进行探讨研究，得出污染源的二维坐标，又通过差值法，求得污染源的三维坐标。
最终通过分析得出三个最合理坐标点（4742,7293,9），（8446,11200,4），（10690,8284,50）。
关键词：
城市表层土壤；重金属；污染；散点插值法；内梅罗综合污染指数
1引言
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。
调查活动范围内地质状况，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。
城区呢各区域按照功能划分，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，本题中分别记为1类区、2类区、……、5类区，不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。
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）进行取样、编号。
应用专门仪器测试分析，每个样点所含元素浓度，然后将偏离人群活动地区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）结合给出附表，利用作图软件，做出8种元素在城区内浓度分布图，并分析该城区内不同区域重金属的污染程度。
（2）用EXCEL等数据处理软件，整合数据，结合作图软件，作出各元素的浓度分布图。
（3）通过分析数据，结合重金属元素传播特性，整体分析该城区重金属分布情况，用数学方法建立模型，较准确找出污染源的位置。
（4）分析已建立模型的优缺点，对结果造成什么影响，研究城市地质环境的演变模式，收集相关信息，系统的对这些信息处理，根据处理后的信息，建立模型，近一步对上面的模型进行优化，更准确求出需要探究的结果。
2模型准备
2.1模型假设
2.1.1所有检测点位置在同一平面中；
2.1.2架设污染物在地表中扩散速度均相等；
2.1.3相邻检测点之间高度的变化是线性的，可以利用差值求取两点之间距离。
2.2符号说明
符号
说明
取样点的横坐标
取样点纵坐标
污染源横坐标
污染源纵坐标
污染源高度
3模型的建立与求解
3.1对于城区空间分布，首先采用散点插值法[1]进行数据分析，利用MATLAB软件[2]，通过编程画图，得到整个范围的城市功能分区的空间分布图和8种重金属元素的空间分布图，且各重金属元素的空间分布图以平面坐标散点图显示。
下面图1表示整个范围的城市功能分区的空间分布，图2至图9分别表示8种主要重金属元素在该城区的空间分布。
图1整个范围的城市功能分区的空间分布
图2As的空间分布图3Cd的空间分布
图4Cr的空间分布图5Cu的空间分布图6Hg的空间分布图7Ni的空间分布
图8Pb的空间分布图9Zn的空间分布
由重金属元素的空间分布图可以看出，不同重金属元素的空间分布有一定的相似性，也存在差异，这对分析不同区域的重金属污染程度和污染原因具有指导意义。
3.1.1单因子污染指数和综合指数的定义[3]
单因子污染指数：
，式中
为土壤中污染物i的环境污染指数：
为污染物
的实测值；
为污染物
的背景值。
综合污染指数：
，式中
为土壤污染中单因子污染指数最大值；
为土壤污染物中单因子污染指数是平均值。
3.1.2单因子污染指数结合污染等级
表1城区各金属污染指数图
单因子指数污染
生活区
工业区
山区
主干道路区
公园绿地区
As
1.741793
2.014275
1.123359
1.585568
1.739921
Cd
2.230472
3.023932
1.17169
2.769342
2.158022
Cr
2.2264
1.722876
1.256764
1.872707
1.407613
Cu
3.742665
9.661806
1.311915
4.713252
2.287251
Hg
2.658305
18.35301
1.170173
12.76636
3.285478
Ni
1.491242
1.610705
1.256406
1.432285
1.243066
Pb
2.229238
3.001317
1.179223
1.958341
1.958341
Zn
3.434908
4.027935
1.062235
3.519636
2.235395
根据上述数据，用Excel画出各城区污染指数的饼图
图10
图11
图12
图13
图14
由上述图表可得到各区的污染物排序为：
生活区：
Cu>Zn>Hg>Pb>Cd>Cr>As>Ni
工业区：
Hg>Cu>Zn>Pb>Cr>Cd>As>Ni
山区：
Zn>Cu>Ni>Hg>Cr>Pb>Cd>As
主干道区：
Hg>Cu>Zn>Cr>Cd>Ni>As>Pb
公园绿地去：
Hg>Zn>Cu>Cd>Pb>As>Cr>Ni
3.1.3综合污染指数
图15
由图15可以看出，总体来说，五个城区的综合污染程度依次为：
工业区>主干道路区>生活区>公园绿地区>山区。
3.2结合问题一中的图表，可以分析出重金属污染的原因：
生活区中，Cu、Zn的污染比重最大，Hg、Pb其次，根据查阅到的文献资料，Hg、Cu、Pb、Zn来源主要为工业废水的排放和农药的使用，由于是生活区，故可判断其污染的主要原因可能为生产活动中化肥施用过量，或是城市垃圾的焚烧，燃煤等。
工业区中，Hg、Cu、Zn、Pb的污染比重最大，Hg、Cu、Zn、Pb的主要来源于工业废水，污泥，农药等，由于是工业区，可基本判断为工业污染，主要原因可能为颜料厂，冶金厂，电镀厂等工业废水、废渣处理不合格，乱排乱放。
山区中，8种重金属元素污染较为平均，且其含量很低，与背景值最为接近，鉴于是山区，人为污染和过度开采等情况较少，所以环境相对乐观。
主干道路区中，Hg、Cu、Zn、Cr的污染比重普遍很大，由于四类区为主干道路区，其污染原因最为可能是汽车尾气的排放，以及汽车轮胎的磨损。
公园绿地区中，Hg、Zn、Cu的污染比重大，五类区为公园绿地区，其污染原因最为可能是通过气流运动，降水等沉降积累。
综合以上分析，该城区的重金属污染主要原因在于工业释放及交通排放。
3.3对金属传播特性的分析
土壤中重金属污染物来源与分布土壤中重金属的来源是多途径的，首先是成土母质本身含有重金属，不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大。
此外，人类工农业生产活动，也造成重金属对大气、水体和土壤的污染。
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。
公路、铁路两侧土壤中的重金属污染，主要是Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Cu的污染为主。
它们来自于含铅汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含锌粉尘等。
它们成条带状分布，以公路、铁路为轴向两侧重金属污染强度逐渐减弱；随着时间的推移，公路、铁路土壤重金属污染具有很强的叠加性。
如铅除了分布在公路两侧以外，还受阶地地貌和盛行风的影响，高铅出现在低地，公路顺风一侧铅含量较高。
经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染，主要以工矿烟囱、废物堆和公路为中心，向四周及两侧扩散；由城市—郊区—农区，随距城市的距离加大而降低，特别是城市的郊区污染较为严重。
此外，还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关；重工业越发达，污染相对就越严重。
此外，大气汞的干湿沉降也可以引起土壤中汞的含量增高。
大气汞通过干湿沉降进入土壤后，被土壤中的粘土矿物和有机物的吸附或固定，富集于土壤表层，或为植物吸收而转入土壤，造成土壤汞的浓度的升高。
表2城市土壤重金属的主要来源单位：
mg/kg
元素
地壳中的丰度
人为来源
Cu
55
冶炼、铜制品生产等废水、废渣和污泥，含铜农药
Zn
70
冶炼、镀锌、纺织等工业废水和污泥、废渣、含锌农药
Ni
80
冶炼、电镀、炼油、染料等工业废水和污泥
Pb
12.5
颜料、冶炼等工业废水、汽油防爆燃烧排气、农药
Cr
110
冶炼、电镀、制革、印染等工业废水和污泥
Cd
0.2
冶炼、电镀、燃料等工业废水、污泥和废气、肥料杂质
Hg
0.08
制烧碱、Hg化物生产等工业废水和污泥、含Hg农药、Hg蒸
As
1.7
硫酸、化肥、农药、医药、玻璃等工业废水、废气、农药
调查研究的土壤中重金属含量的平均值均超过当地土壤自然背景值，其中Hg、Cu的平均含量达到了背景平均含量的8.563143倍和4.168182倍，说明当地的重金属污染很严重，Hg、Cu的污染尤为突出。
分析所给附录各种金属的除As以外最大测量值都达到了当地背景平均含量的10倍以上；其中，Cu、Zn和Hg金属的最大测量值都达到了当地背景平均含量的100倍以上，Cu达到了191.5515倍出现在工业区，其次是交通区：
Hg达到了457.1429倍，出现在交通区，其次工业区、公园绿地区：
说明，当地的金属富集程度非高，金属污染主要是人为活动造成的。
工业区的污染以Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zu为主，可能与重金属的冶炼及电镀厂的排污有关：
交通区的污染以Cd、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn为主，可能与汽车尾气排放和轮胎磨损破碎、粉尘使公路两侧的土壤受到Pb、Zn等重金属的污染有关：
生活区的污染以Cr、Pb、Zn为主，其中Pb、的最大测量值不在交通区取得而在生活区取得，并且公园率地区的227.40>181.48交通区、公交通区、公交道路上如果使用含汽油是Pb的含量并不低于交通区的Pb的主要用途，Pb应该集中分布在交通附近的壤中，而当地的其他区域的Pb的含量并不低于交通区的Pb的含量，说明当地的Pb可能主要不是用在汽油上，认为影响导致的任何异常都是有可能的。
重金属污染物吸附在土壤表层微粒上进行传播。
通过观察分析各重金属元素的等浓度线图，发现6种重金属元素在浓度较高的点的附近扩散呈呈现明显的同心圆趋势，说明其扩散主要受到污染物本身浓度的影响；而在重金属污染物浓度很低的地方，其扩散没有明显规律，说明浓度不再是扩散的主要影响因素。
3.4污染源位置的模型建立与求解[4]
根据表3中所给的检测数据，在污染物浓度最大的前五十组数据中提炼出两个污染浓度相近或者相等的坐标位置如A和B,C和D，即可初步确定为污染源分别离这两个位置的距离基本一致，则可知污染源位置在AB所在位置的中垂面和CD的中垂面的交线上，根据投影原理将污染源投影到检测点平面上，则有震中位置的坐标为AB的中垂线和CD的中垂线的交点，进而可求得污染源位置O
，再假设污染物在土质中直线蔓延，根据模型假设污染物蔓延沿各个方向在各种介质中的速度保持不变，可以得出污染源的二维坐标，再根据差值法，即可求得污染源的三维坐标。
表3各元素最高值基本数据表
元素
As
Cd
Cr
Cu
Hg
Ni
Pb
Zn
最高值
30.13
1619.80
920.84
2528.48
16000
142.50
472.48
3760.82
最高值区域
4
3
4
4
4
4
2
4
最高值位置编号
84
128
15
17
57
15
8
181
A
231
178
5
31
165
19
167
67
B
309
13
8
99
99
23
68
146
C
12
191
4
46
134
57
145
203
D
138
74
12
11
135
21
222
69
表4各元素等值采样点坐标位置表
元素
As
Cd
Cr
Cu
Hg
Ni
Pb
Zn
9212
12696
1049
5567
8403
5481
9663
14844
11305
3024
2127
6782
1075
6004
1288
5519
5
27
12
7
6
0
3
62
10352
2427
2383
20215
20215
3573
16569
5495
17133
3971
3692
9951
9951
6213
6055
1205
31
2
7
31
31
5
78
9
4043
16872
0
9062
21684
11902
4684
18954
1895
2798
1787
7639
13101
7709
1364
4874
14
10
4
45
114
30
37
4
15007
15092
4043
4233
22193
2486
5734
16569
5535
6936
1895
895
12185
5999
9659
6055
70
32
14
6
79
2
3
78
根据表3和表4中的数据，将A,B和C,D这两组数据的污染物浓度认定为相同浓度，这样可以较为简单的将污染源位置放置在AB的中垂线和CD的中垂面的交线上。
由表中A、B、C、D四个位置坐标可以得出位置模型如下：
由公式
求得
，再联立方程组
将各金属元素对应的A、B、C、D点数据分别带入，可求得分别对应的污染源二维坐标
，再利用方差公式
，
结合附表中数据运用EXCEL计算出与污染源之间方差最小的两个采样点E、F，
表4各元素对应的E、F点编号
元素
As
Cd
Cr
Cu
Hg
Ni
Pb
Zn
E
192
69
199
281
98
187
317
168
F
317
98
168
48
194
225
175
187
再运用差值法进行优化得出公式：
结合附表所给E、F坐标值，将已求得污染源的横纵坐标值代入可求得污染源的竖坐标
。
通过对求得结果进行整合分析，得出三个最合理坐标点（4742,7293,9），（8446,11200,4），（10690,8284,50）。
4结语
对污染程度的评价采用单项指数法和内梅罗指数法，从不同角度得出一致的结论，起到了相互论证补充的作用。
分析重金属污染的原因采用相关系数分析和系统聚类分析，两者也相互论证和补充，结论更加可靠。
模型使用的数据量不够大，建立模型和实际有所差异，而且因为EXCEL对数据处理的自动舍入，使得最终结果与实际有差距。
为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集以下信息：
更深层土壤的重金属含量；不同时间的数据；风向、水系；土壤的性质，如疏松程度；降雨量。
参考文献
[1]姜启源，谢金星，叶俊，数学模型，北京：
高等教育出版社，2003。
[2]黄忠霖，黄京，基本科学计算的MATLAB实现，北京：
国防工业出版社，2011。
[3]XX文库，
[4]XX文库，地震震源确定和三维地图数学建模论文，2013.9.6。
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