全国数学建模大赛A题获奖论文

全国数学建模大赛A题

获奖论文

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城市表层土壤重金属污染分析

摘要

本文旨在对城市土壤地质环境的重金属污染状况进行分析，建立模型对金属污染物的分布特点、污染程度、传播特征以及污染源的确定进行有效的描述、评价和定位。

对于重金属空间分布问题，首先基于克里金插值法，应用Surfer 8软件对各数据点的分布情况进行模拟，得到了直观的重金属污染空间分布图形；随后，分别用内梅罗综合污染指数以及模糊评价标准和模型对城区内不同区域重金属的污染程度进行了评判。

对于金属污染的主要原因分析问题，基于因子分析法、问题一的结果和对各个金属污染物的来源分析等因素，判断出金属污染的主要原因有：工业生产、汽车尾气排放、石油加工并推测该区域是镍矿富集区。随后讨论了污染源之间的相互关系和不同金属的污染贡献率。

针对污染源位置确定问题，我们建立了两个模型：模型一以流程图的形式出现，基于污染传播的一般规律建立模型，求取污染源范围，模型作用更倾向于确定污染源的位置；模型二基于最小二乘法原理，建立了拟合二次曲面方程，在有效确定污染源的同时也反映了其传播特征，模型更加清楚，理论性也更强。

在研究城市地质环境的演变模式问题中，我们对针对污染源位置确定问题所建模型的优缺点进行了评价，同时建立了考虑了时间，地域环境和传播媒介的污染物传播模型，从而反映了地质的演变。

综上所述，本文模型的特点是从简单的模型建立起，强更准确的数学模型发展，逐步达到目标期望。

关键词：重金属污染，克里金插值最小二乘法因子分析流程图

一、问题重述

问题背景

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。对城市土壤地质环境异常的查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价，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。评价和研究城市土壤重金属污染程度，讨论土壤中重金属的空间分布，研究城市土壤重金属污染特征、污染来源以及在环境中迁移、转化机理，并对城市环境污染治理和城市进一步的发展规划提出科学建议，不仅有利于城市生态环境良性发展，有利于人类与自然和谐，也有利于人类社会健康和城市可持续发展[1]。按照功能划分，城区一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，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。另一方面，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。

目标任务

(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，分析还应收集的信息，并进一步探索怎样利用收集的信息建立模型及解决问题。

二、 模型假设

1）忽略地下矿源对污染物浓度的影响；

2）认为海拔对污染物的分布较小，故只在少数模型中讨论其作用；

3）认为题目中的采样方式是科学的，能够客观反映污染源的分布。

三、 符号说明

第一问中的符号说明

i p ——污染物i 的环境污染指数

i C ——污染物i 的实测值

i S ——污染物i 的背景值

max (/)i i C S ——土壤污染指数的最大值

(/)i i avg C S ——土壤污染指数的平均值

i x —— i 区域土壤的平均值

max()i x ——i 区域土壤评价因素上限

min()i x ——i 区域土壤评价因素下限

问题三中模型一的符号说明

,,x y z ——采样点空间坐标值

q ——所在功能区

L ——污染源

C ——浓度

R ——基准半径

rr ——污染源范围半径

问题三中模型二的符号说明

,x y ——采样点坐标值

Z ——浓度

C ——模型系数

Q ——总误差

问题四符号说明

t ——城市历史时间统计值

()i

t Y ——第i 种元素在t 时刻的污染浓度；（i=1,2,…,8,依次代表As 、Cd 、Cr 、Cu 、Hg 、Ni 、Pb 、Zn ）

il V

→ ——第i 种元素在液态载体中的迁移矢量； ig V →

——第i 种元素在气态载体中的迁移矢量；

is V →

——第i 种元素在固态载体中的迁移矢量；

()ig t ω、()il t ω、()is

t ω—— 第i 种元素在气、液、固三种状态下在t 时刻的加权值

()N t ——其他因素

四、 模型的建立与求解

问题一

4.1.1 金属元素在该城区的空间分布

针对题目中对于地理坐标的要求，我们选用Surfer 8软件对各数据点的分布情况进行直观的图形求解。首先将数据采集进该软件，接下来对数据点进行网格化处理。在这里我们采用的是克里金（Kriging ）插值法。该插值法是一种地质统计网格化方法。它首先考虑的是空间属性在空间位置上的变异分布，确定对一个待插值点有影响的距离范围，然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值。由于它考虑了采样点的形状、大小及与待估计地段相互间的空间位置等集合特征以及品位的空间结构之后，为达到线性、无偏和最小估计方差的估计，而对每个采样点赋予一定的系数，最后加权平均来估计块段品位的方法。[2]同时由于克里金插值法是一种光滑插值法，相对于多元回归插值法以及最小曲率插值法等其他插值法在解决像本题这一类数据点较多的问题内插的结果可信度较高，且在空间问题上具有合理的解决方式，所以采用该插值法。最后进行制图和统计，具体方法如下：（1）利用该软件的[地图]中的[等值线图]和[线框图]功能制作出金属浓度地理分布图；（2）综合等值线图及线框图对重金属高浓度区域进行标注，分别求出其二维坐标范围；（3）从统计数据中分理处该范围内的取样点数据，得到该城区8种主要重金属元素在该城市的空间分布。 图1 各取样点的As 含量分布图

以上为各取样点的As 含量分布图（其余元素分布图见附件1），通过分析可得该元素主要分布在如下三个区域：（1）3703

11335

以上组合图形，一方面弥补了文中略去的统计数据，另一方面也更为直观的显示出了重金属元素高浓度范围区域。为接下来高浓度划分区域提供了直接的依据。

表1 8种重金属元素高浓度区域