城市表层土壤重金属污染评价与分析模型

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§4 名词解释与符号说明
一、名词解释 1、地质环境[1]：自然环境的一种，指由岩石圈、水圈和大气圈组成的环境系统。在 长期的地质历史演化的过程中，岩石圈和水圈之间、岩石圈和大气圈之间、大气 圈和水圈之间进行物质迁移和能量转换，组成了一个相对平衡的开放系统。 2、重金属[1]：重金属是指比重大于 5 的金属，包括金、银、铜、铁、铅等。 3、重金属污染 [1]： 指由重金属及其化合物造成的环境污染。主要由采矿、废气排放、 污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。 4、内梅罗指数 [1]： 内梅罗指数是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质 量指数。 5、地质累积指数[1]： 通常称为 Muller 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。 二、符号说明 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 符号 Pi Ci C0
城市表层土壤重金属污染评价与分析模型
摘 要
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关注 日益增加。本文针对城市表层土壤重金属污染问题，由浅入深，大胆假设，灵活运用 MAPGIS ， MATLAB ， EXCEL 多种软件，以内梅罗指数和地质累积指数为评价标准， 运用主成分分析和模糊聚类思想，分析了不同区域的重金属污染程度及原因，并利用数 据分析方法，确定出污染源的位置。最后模拟搜集更多有效信息，对地质环境的演变模 式进行进一步研究。 针对问题一，我们首先采用 Kriging 最优内插法，利用 MAPGIS 软件分别做出 5 个 功能区在城区的位置分布图及 8 种重金属元素空间分布图，以颜色深浅对重金属污染程 度进行直观表现， 并将两种分布图进行对比， 得到 8 种重金属的具体分布区域 （见表 3） 。 其次建立模型Ⅰ—污染指数评价模型，分别利用内梅罗和地质累积指数对重金属污染进 行多因子评价，并结合两种指数的评价标准，对 8 种重金属污染程度进行等级划分，得 出山区 8 种重金属污染指数均为负值， 几乎无污染。 其他区域重金属的污染程度各不同， 其中工业区重金属污染程度顺序为： Hg Cu Zn Cd Pb As Cr Ni ，其他区域 的顺序详见模型Ⅰ的结果。 针对问题二，根据附件 2 中的数据，运用数据分析方法和模糊数学理论，分别建立 模型Ⅱ—主成分分析模型和模型Ⅲ—模糊聚类分析模型，找出主要的重金属污染元素， 并对 8 种重金属进行分类：第一类为 Cr 、 Ni 、 Cu ，第二类为 Cd 、 Pb 、 Zn ，第三、 四类分别为 As ， Hg 。再结合问题一分析出在不同区域内重金属污染的元素及其主要原 因。 针对问题三，我们借助自然地理知识，对各类重金属的传播特征进行了定性与定量 分析， 结合问题一及问题二的结论， 利用数据分析方法， 建立模型Ⅳ—单因素均值模型， 并利用马氏距离，计算出各采样点到均值点的距离，取距离最小点为污染源近似中心， 再结合重金属传播特征以及超标的重金属浓度值，分析并确定污染源的位置。如：砷元 素的污染源中心有三个，其坐标分别为 (6423,8831) ， (12734,4015) ，(14000,8970) ，详细 结果见表 15。 针对问题四，首先对模型Ⅳ进行了评价，为研究城市地质环境的演变模式，至少需 要收集1990-2010年城市土壤表层的8种重金属元素的浓度以及对应的背景值，有了这些 数据后可以采用时间序列方法，对2011-2015年的8种重金属元素浓度进行灰色预测，确 定出2011-2015年城市地质环境的污染程度，并利用 EXCEL 软件做出2011-2015城市的 地质环境污染程度趋势图，分析城市地质环境的演变模式，为综合治理城市重金属污染 提出合理化建议。 本文的特色有：1、综合利用 MAPGIS ， MATLAB ， EXCEL 多种软件进行绘图，直 观准确；2、将定性与定量分析相结合，图表相呼应，使得结果更加清晰；3、模型Ⅴ具 有普适性，可以广泛应用于其他城市土壤重金属污染的分析与研究。 关键词：重金属污染；主成分分析；模糊聚类；灰色预测； MAPGIS ； MATLAB
P Pij max
符号说明 第 i 种参数的单项污染指数 第 P 监测点的实测值 (mg / kg ) 第 i 种污染物的标准值 (mg / kg ) 内梅罗综合污染指数 最大单项污染指数 单项污染指数平均值 地质累积指数 样品中化学元素 n 的实测值 (mg / kg ) 地球化学背景值 (mg / kg ) 无量纲矩阵 协方差矩阵 i 1,2, ,8 ,依次代表 As (砷), Cd （镉）, Cr (铬), Cu (铜), Hg (汞), Ni (镍), Pb (铅), Zn (锌) 第 i 主成分 均值点坐标 马氏距离
1 2 3 4 5
P 0.7 0.7 P 1.0 1.0 P 2.0 2. 0 P 3. 0 P 3. 0
图 1 采样点位置散点图
图 2 城区三维地形图
§3 模型的假设
1、假设采样的土壤均为非饱和土壤，即不饱含水的土壤，重金属元素可以在土壤 中随水分进行迁移； 2、假设由于土壤中各类胶体的作用，使得各类重金属元素只沉积在表层土壤中； 3、假设在采样时，没有大型降水或大风等天气变化，在近几年也没有发生大型地 质灾害，不会影响到各元素浓度值的变化； 4、每个样本点的土质状况可以代表以该样本点为中心，半径为五百米的圆形区域 的土质状况； 5、 计算单项污染指数时， 所有功能区每种重金属的实测值( C i、BEn )可以用该区的 均值来表示、标准值( C 0 )可以用背景值的均值来表示； 6、问题 3 中对工业区、交通图进行分块时，每个小区域块的重心可以用该区域中 所有点的均值点代替； 7、附件中给出的数据均是原始数据，来源真实可靠，不考虑调查取样过程中带来 的误差；
Pijave
I geo
Cn
BEn
Y R
xi Fi (x, y) d ( x, y )
§5 模型的建立与求解
一、问题一的求解 1、问题的分析： 为了给出 8 种主要重金属元素在该城区的空间分布， 我们利用 MAPGIS 软件先画 出 5 个不同功能区在整个城区的空间位置分布图，再以附件 1 中给出的每个编号区域相 对应的坐标 ( x, y ) 为自变量， 以附件 2 中 8 种重金属元素浓度值作为因变量， 利用 Kriging 最优内插法，做出这 8 种重金属元素在该城区的空间分布图，并通过颜色深浅判断各功
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能区重金属污染程度。最后将功能区分布图与重金属元素空间分布图进行对比，得到 8 种重金属在该城区的空间分布。 为了分析得出该城区内不同区域重金属的污染程度，分别利用内梅罗指数和地质累 积指数对重金属污染进行多因子评价，根据建立的内梅罗指数评价标准和地质累积指数 评价标准，对污染程度进行等级划分，最终判断出该城区不同区域重金属的污染程度。 2、问题的准备： ⑴内梅罗指数[4] 内梅罗指数是当前国内外进行综合污染指数计算最常用的方法之一，是一种兼顾极 值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数。一批监测数据来自 m 个监测点（或 m 个 样品） ，每个监测点有 k 种参数，当给定环境标准和监测点（或样品）的加权系数，则 由内梅罗指数可计算出相应污染指数。计算公式为： Pi C i / C 0 (i 1, 2, , k , k种参数, P 1, 2, , m, m个监测点) (1) (1)式中： Pi ——第 i 种参数的单项污染指数； Ci ——第 P 监测点的实测值 (mg / kg ) ； C 0 ——第 i 种污染物的标准值 (mg / kg ) ；
P
2 Pij2max Pijave
2
(2)
(2)式中： P ——内梅罗综合污染指数；
Pij max ——最大单项污染指数； Pijavቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ——单项污染指数平均值。
按照内梅罗综合污染指数，划定污染等级如表 1 所示
表1 等级 内梅罗指数土壤污染评价等级 污染等级 清洁(安全) 尚清洁(警戒限) 轻度污染 中度污染 重污染 内梅罗污染指数
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§2 问题的求解思路及数据的预处理
1、问题的求解思路 由于重金属污染的空间分布及原因受多种因素的影响，我们必须综合利用数据及专 业软件，判断出重金属污染区域和不同功能区的关系，结合多种评价指数，找出重金属 污染的主要原因。然后在分析污染物的传播特征的基础上，运用数据分析方法，建立单 因素均值模型确定污染源的位置。最后对建立的模型进行评价与改进，在模拟搜集更多 信息之后，进一步研究城市地质环境的演变模式。 2、数据的预处理 为了更好的分析和解决问题，我们根据附件 1 给出的采样点位置的数据，利用 MATLAB 软件做出散点图，并描绘出其轮廓线。同时利用 MAPGIS 软件做出该城区的三 维地形图， 直观的反映出该地区的地形与地貌， 便于分析每个功能区各元素污染的范围。
§1 问题的提出
一、背景知识 1、我国土壤重金属污染现状 土壤与大气和水并列为人类环境的三大要素，而几乎所有的污染都会进入土壤。我 国土壤污染状况已经影响到耕地质量、食品安全甚至人体健康，其中最严重的就是重金 属污染。从环境污染方面所讲的重金属一般是指汞，镉，铅，铬，砷等有毒有害物质。 全国受污染的耕地约有 1.5 亿亩， 污水灌溉污染耕地 3250 万亩， 固体废弃物堆存占地和 毁田 200 万亩，合计约占耕地总面积的 1/10 以上，其中多数集中在经济较发达的地区。 二是土壤污染危害巨大。据估算，全国每年因重金属污染的粮食达 1200 万吨，造成的 直接经济损失超过 200 亿元。土壤污染造成有害物质在农作物中积累，并通过食物链进 入人体，引发各种疾病，最终危害人体健康。 2、主要重金属污染的来源 重金属的污染主要来源工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。工业污染大多 通过废渣、废水、废气排入环境，在人和动物、植物中富集，从而对环境和人的健康造 成很大的危害，工业污染的治理可以通过一些技术方法、管理措施来降低它的污染，最 终达到国家的污染物排放标准，交通污染主要是汽车尾气的排放。 3、国家对治理重金属污染的政策 国务院于 2011 年 2 月正式批复《重金属污染综合防治“十二五”规划》 ，这是我国第 一个“十二五”专项规划。此次国家总量控制的重金属主要有五种，即汞、铬、镉、铅和 类金属砷。由于重金属污染排放的区域性非常明显，所以在总量控制指标上，区分为重 点区域与非重点区域。未来 5 年，中央财政将以百亿元为单位增加对重金属污染防治的 投资。 二、原始数据来源（见附录一） 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（即交通区） 及公园绿地区等，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。 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。 三、要解决的问题 1、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； 2、问题二：通过数据分析，说明重金属污染的主要原因； 3、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； 4、问题四：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？