論文城市表層土壤污染分析

1、土壤表層污染分析摘要隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出，對(duì)城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證顯得尤為重要。本文在分析了所給采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立不同模型，得出了該地區(qū)的重金屬污染程度、土壤污染的原因和污染源的位置。針對(duì)問(wèn)題一，首先利用matlab程序繪制出該城區(qū)三維復(fù)原圖和各重金屬的污染濃度圖，對(duì)污染情況進(jìn)行了粗略的分析。然后建立內(nèi)梅羅污染指數(shù)和地址累積指數(shù)兩種模型，對(duì)城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)價(jià)，并比較了兩種模型的不同和適用類(lèi)型。針對(duì)問(wèn)題二，建立相關(guān)系數(shù)和主成分分析法兩種模型，利用spss程序求得不同功能區(qū)各個(gè)重金屬之間的相關(guān)系數(shù)及對(duì)環(huán)境污染貢獻(xiàn)率較大的幾種重金屬，結(jié)合兩種

2、模型，聯(lián)系生活及化工實(shí)際，對(duì)各個(gè)功能區(qū)的污染原因進(jìn)行了詳細(xì)的猜測(cè)和分析。針對(duì)問(wèn)題三，建立了遍歷搜索模型。首先找出空間極大值，即可能的污染源。然后結(jié)合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染源進(jìn)行篩選，從而確定了各種重金屬元素的主要污染源。此外，本文還對(duì)分析了各個(gè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況，并給出了還需要收集于大氣污染、降水量、周?chē)I(yè)污染源等資料，綜合考慮這些因素給出了新的建模及求解方法，并進(jìn)行了模型的推廣。關(guān)鍵詞：內(nèi)梅羅污染指數(shù) 地址累積指數(shù) 遍歷搜索 主成分分析 相關(guān)系數(shù)一問(wèn)題重述隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。對(duì)城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證，以及如何應(yīng)用查證

3、獲得的海量數(shù)據(jù)資料開(kāi)展城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，研究人類(lèi)活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)等，分別記為1類(lèi)區(qū)、2類(lèi)區(qū)、5類(lèi)區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境受人類(lèi)活動(dòng)影響的程度不同?，F(xiàn)對(duì)某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。附錄1為采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)等信息，附錄2為8種主要重金屬元素在采樣點(diǎn)處的濃度，附錄3為8種主要重金屬元素的背景值。現(xiàn)完成以下任務(wù)：(1) 給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，并分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度。(2) 說(shuō)明重金屬污染的主要原因。(3) 分析重金屬污染物的傳播特征，建

4、立模型確定污染源的位置。(4) 分析所建立模型的優(yōu)缺點(diǎn)，為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，還應(yīng)收集什么信息？有了這些信息，如何建立模型解決問(wèn)題？二模型假設(shè)和符號(hào)說(shuō)明2.1模型假設(shè)1. 不考慮該城區(qū)不同區(qū)域土質(zhì)的差別；2. 在查找污染源確切位置時(shí)，可以忽略濃度分布較小的地區(qū)的數(shù)據(jù)；3. 近似認(rèn)為不同重金屬造成的污染權(quán)重相同；4. 假設(shè)只考慮題設(shè)所給的8種重金屬，忽略其他；5. 重金屬的化合物之間發(fā)生的化學(xué)、生物及物理的反應(yīng)忽略不記。2.2符號(hào)說(shuō)明 第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第種污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第種污染物的實(shí)測(cè)濃度值第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第種污染物濃度背景的上限值內(nèi)梅羅污染指數(shù)綜合污染指數(shù)地質(zhì)累計(jì)指數(shù)地區(qū)處各

5、個(gè)重金屬的相關(guān)系數(shù)3 問(wèn)題分析問(wèn)題一要求給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布并評(píng)價(jià)污染程度。首先利用matlab程序繪制出城市三維復(fù)原圖，對(duì)各個(gè)城區(qū)進(jìn)行不同的處理，并標(biāo)注出各個(gè)取樣點(diǎn)的位置。再根據(jù)復(fù)原圖，結(jié)合城區(qū)，繪制出各種重金屬的濃度空間分布圖。然后，運(yùn)用單因子污染指數(shù)法與內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法結(jié)合和地質(zhì)累積指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)。問(wèn)題二通過(guò)主成分分析，題目要求說(shuō)明重金屬污染的主要原因，利用相關(guān)系數(shù)分析和主成分分析兩種模型相結(jié)合的方法。若重金屬含量的相關(guān)系數(shù)比較大，說(shuō)明他們的含量有顯著的相關(guān)性，他們有相同來(lái)源的可能性較大。并通過(guò)主成分分析，找出各個(gè)功能區(qū)中污染最重的若干種重金屬元素，忽略微量的重金屬

6、的影響，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可得出污染原因。問(wèn)題三要求確定污染源的位置，可以建立遍歷搜索模型。首先找出空間極大值，即可能的污染源。然后結(jié)合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染源進(jìn)行篩選，求出各種重金屬元素的主要污染源。對(duì)于問(wèn)題四，由于地質(zhì)環(huán)境是一個(gè)涉及到地球巖石圈表層的巖石、土壤、大氣、水和生物的復(fù)雜系統(tǒng)，因此可以收集不同子系統(tǒng)的資料，建立模型求解。4 模型的建立和求解4.1 問(wèn)題一4.1.1問(wèn)題分析（1）要求給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，首先利用matlab程序繪制出城市三維復(fù)原圖，對(duì)各個(gè)城區(qū)進(jìn)行不同的處理，并標(biāo)注出各個(gè)取樣點(diǎn)的位置。再根據(jù)復(fù)原圖，結(jié)合城區(qū)，利用matlab繪制出各種重金屬的濃度空

7、間分布圖。（2）要求分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度，可以運(yùn)用單因子污染指數(shù)法與內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)法結(jié)合和地質(zhì)累積指數(shù)法來(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)于方法一，首先利用單項(xiàng)污染指數(shù)法求出某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)各污染物的污染指數(shù), 然后由尼梅羅污染指數(shù)法得到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù), 再綜合各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算出該區(qū)域的污染指數(shù)。最后參照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)即可給出各區(qū)域的污染程度。對(duì)于地質(zhì)累積指數(shù)，利用公式求出地質(zhì)累積指數(shù)，再對(duì)比劃分標(biāo)準(zhǔn)得出個(gè)城區(qū)的污染程度。4.1.2模型的建立內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一，是一種兼顧極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。首先，

8、定義單項(xiàng)污染指數(shù)為： （4.1）其中，為第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第種污染物的污染指數(shù) 為第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第種污染物的實(shí)測(cè)濃度值 為第個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第種污染物濃度背景的上限值 ，.其次，計(jì)算內(nèi)梅羅污染指數(shù)，即 （4.2）其中，為內(nèi)梅羅污染指數(shù) 為最大單項(xiàng)污染指數(shù) 為單項(xiàng)污染指數(shù)平均值 然后，將區(qū)域內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)的平均值作為重金屬元素對(duì)該功能區(qū)的污染程度, 即 （4.3）最后，參照國(guó)家GB15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示), 就能得到重金屬元素對(duì)各功能區(qū)的污染程度。表1 GB15618- 1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分內(nèi)梅羅污染指數(shù)污染程度1P<0.7安全（清潔）20.7<P&l

9、t;1警戒級(jí)（尚清潔）31<P<2輕度污染42<P<3中度污染5P>3重度污染地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)重金屬的污染，除必須考慮人為污染因素、環(huán)境地質(zhì)化學(xué)背景值外，還應(yīng)考慮到由于自然成巖作用可能引起背景值的變動(dòng)因素。地質(zhì)累積指數(shù)法考慮到 了此因素，彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法的不足。 地質(zhì)累積指數(shù)通常稱(chēng)為 Muller指數(shù)，廣泛應(yīng)用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，尤其用于研究現(xiàn)代沉積物中重金屬污染，其計(jì)算公式為 （4.4）其中，為地質(zhì)累積指數(shù) 為樣品中元素 n的實(shí)測(cè)值(mgkg) 為地球化學(xué)背景值 (mgkg) 1.5為修正指數(shù)，是考慮到由于成巖作用可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)地

10、質(zhì)累積指數(shù)可以分為幾個(gè)級(jí)別，用來(lái)表示污染程度從無(wú)污染到極強(qiáng)污?，F(xiàn)選用較為主流和普遍的劃分方法如表2所示。表2.地質(zhì)累積指數(shù)的劃分方法等級(jí)劃分地質(zhì)累積指數(shù)污染程度1<0無(wú)污染201輕污染到中度污染312中度污染423中度污染到強(qiáng)度污染534強(qiáng)度污染645強(qiáng)度污染到極強(qiáng)污染7>5極強(qiáng)污染 最后，通過(guò)將地址累積指數(shù)值與表2 對(duì)比，即可得到各個(gè)功能區(qū)內(nèi)重金屬的污染程度。4.1.3 模型的求解 (1) 繪制重金屬元素的空間分布首先，利用matlab程序（源碼見(jiàn)附錄4）繪制出城市三維復(fù)原圖，對(duì)各個(gè)城區(qū)進(jìn)行不同的處理，并標(biāo)注出各個(gè)取樣點(diǎn)的位置，如圖1所示。圖一.城市三維復(fù)原圖由圖1可知，各功能區(qū)

11、采樣點(diǎn)地理位置與海拔有密切關(guān)系，因而在分析污染時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮海拔因素。其次，地理位置分布比較集中的有山區(qū)工業(yè)區(qū)，其次為公園綠地區(qū)，而生活區(qū)相對(duì)分散; 交通區(qū)穿插于其余各區(qū)之間。利用matlab繪制出各種重金屬的濃度空間分布圖（源碼如附錄5所示） 圖2.As元素濃度分布圖由圖可知元素As主要集中在工業(yè)區(qū)和交通區(qū)這兩個(gè)區(qū)域。圖3.Cd元素濃度分布圖元素Cd主要集中在生活區(qū)、工業(yè)區(qū)及交通區(qū)，且污染嚴(yán)重。圖4.Cr元素濃度分布圖 可見(jiàn)，元素Cr主要集中在生活區(qū)、交通區(qū)及工業(yè)區(qū)的周邊地區(qū)。圖5.Cu元素濃度分布圖Cu濃度較高的區(qū)域集中在工業(yè)區(qū)及其周邊，交通區(qū)也收到了工業(yè)區(qū)的影響。圖6.Hg元素濃度分布圖顯而

12、易見(jiàn)，元素Hg是所有重金屬中污染最大的，在工業(yè)區(qū)、道路區(qū)濃度都很大，可見(jiàn)工業(yè)區(qū)的重金屬排放尤為嚴(yán)重。圖7.Ni元素濃度分布圖元素Ni是這8種重金屬元素中污染最輕的，只是在工業(yè)區(qū)濃度稍微高。圖8.Pb元素濃度分布圖元素Pb也主要集中工業(yè)區(qū)周邊。圖9.Zn元素濃度分布圖元素Zn的污染區(qū)域主要集中在中西部，工業(yè)區(qū)、交通區(qū)尤為嚴(yán)重。（2）分析城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)借助Excel計(jì)算，利用（4.1）式得到單因子污染指數(shù). 通過(guò)分析，剔除編號(hào)8，20，21，142，251，109，182這些明顯錯(cuò)誤的值，然后將剩下的值代入（4.2）式即可求得各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù) ，再代入（

13、4.3）式求出污染指數(shù)，對(duì)比表1得到各功能區(qū)重金屬元素對(duì)該功能區(qū)的污染程度，結(jié)果如表3所示。表3 重金屬污染內(nèi)梅羅指數(shù)及程度分級(jí)功能區(qū)內(nèi)梅羅污染指數(shù)污染等級(jí)生活區(qū)2.664 中度污染工業(yè)區(qū)5.095 重度污染山區(qū)1.123 輕度污染交通區(qū)4.955 重度污染公園綠地1.963 輕度污染 可以看出，污染的程度從重到輕分別是工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>生活區(qū)>公園綠化區(qū)>山區(qū)。地質(zhì)累積指數(shù)法 借助Excel程序，利用（4.4）式得出不同區(qū)域的重金屬地址累積指數(shù)，對(duì)比表2得到污染結(jié)果如表4所示。表4.重金屬污染地質(zhì)累積指數(shù)及程度分級(jí)功能區(qū)污染指數(shù)重金屬As (g/g)Cd (ng/g)C

14、r (g/g)Cu (g/g)Hg (ng/g) Ni (g/g)Pb (g/g)Zn (g/g)生活區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)0.22 0.57 0.57 1.32 0.83 -0.01 0.57 1.19 污染等級(jí)22232123工業(yè)區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)0.43 1.01 0.20 2.69 3.61 0.10 1.00 1.43 污染等級(jí)23245223山區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)-0.42 -0.36 -0.26 -0.19 -0.36 -0.26 -0.35 -0.50 污染等級(jí)11111111交通區(qū)地質(zhì)累積指數(shù)0.08 0.88 0.32 1.65 3.09 -0.07 0.45 1.23 污染等級(jí)222351

15、23公園綠地地質(zhì)累積指數(shù)0.2140590.524747-0.091710.6086521.131141-0.271060.384670.575568污染等級(jí)22123122 從橫向上來(lái)比較，污染的程度從重到輕分別是工業(yè)區(qū)>交通區(qū)>生活區(qū)>公園綠化區(qū)>山區(qū)。這與經(jīng)采樣分析所得的數(shù)據(jù)是一致的。從縱向上來(lái)看，生活區(qū)中Ni元素沒(méi)有造成污染，而As、Cd、Cr、Hg、Pb這五種元素都達(dá)到輕度一中等污染，而Cu和zIl達(dá)到了中等污染。工業(yè)區(qū)中，As、Cr、Ni、Pb四種元素達(dá)到了輕度一中等污染，Cd、Zn達(dá)到了中等污染，Cu達(dá)到了中等一強(qiáng)污染，Hg元素造成了強(qiáng)污染。山區(qū)中，8種元

16、素都沒(méi)有造成污染。交通區(qū)中，Ni元素沒(méi)有造成污染，As、Cd、Cr、Pb四種元素造成了輕度一中等污染，Cu、Zn元素達(dá)到了中等污染，Hg元素造成了強(qiáng)污染。公園綠化區(qū)中，Cr、Ni元素沒(méi)有造成污染，As、Cd、Cu、Pb、Zn五種元素造成了輕度一中等污染，Hg元素造成了中等污染。對(duì)比以上兩種模型可知，污染程度高低排序相同，與繪制的濃度圖互相對(duì)應(yīng)。各功能區(qū)污染指數(shù)基本相似，只有山區(qū)的污染指數(shù)相差稍大，這與取樣點(diǎn)有關(guān)。綜上可見(jiàn)，內(nèi)梅羅指數(shù)適合評(píng)價(jià)一個(gè)功能區(qū)內(nèi)所有重金屬的綜合污染，而地質(zhì)累積指數(shù)適合評(píng)價(jià)單個(gè)重金屬的污染。4.2問(wèn)題二4.2.1問(wèn)題分析題目要求說(shuō)明重金屬污染的主要原因，利用相關(guān)系數(shù)分析，

17、若某兩種重金屬的含量的相關(guān)系數(shù)比較大，說(shuō)明他們的含量有顯著的相關(guān)性，他們有相同來(lái)源的可能性較大，否則來(lái)源可能不止一個(gè)。并通過(guò)主成分分析，找出各個(gè)功能區(qū)中污染最重的若干種重金屬元素，忽略微量的重金屬的影響，使分析結(jié)果更具有普遍性，避免了偶然結(jié)果的影響。4.2.2模型的建立假設(shè)x,y代表兩種重金屬元素，則可以定義兩者的相關(guān)系數(shù)為：其中， 表示的協(xié)方差 表示的標(biāo)準(zhǔn)差 表示y的標(biāo)準(zhǔn)差代入數(shù)據(jù)即可求得地區(qū)處的相關(guān)系數(shù)，利用SPSS可求得各個(gè)功能區(qū)任意兩個(gè)元素的相關(guān)性。4.2.3模型的求解由相關(guān)性系數(shù)模型得到地區(qū)處各個(gè)重金屬的相關(guān)系數(shù) （4.5） 其中，表示重金屬在地區(qū)處的取樣值 表示重金屬的平均值 表示

18、重金屬在地區(qū)處的取樣值 表示重金屬的平均值利用SPSS程序求得各個(gè)功能區(qū)任意兩種重金屬的相關(guān)性如下表所示。表5.生活區(qū)各種重金屬的相關(guān)性及主成分分析相關(guān)矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關(guān)As1.000.381.238.531.293.605.450-.017Cd.3811.000.349.499.397.283.802.346Cr.238.3491.000.376.150.527.416.412Cu.531.499.3761.000.198.434.502.238Hg.293.397.150.1981.000.211.340.242Ni.605.283.527.434.2111.000.

19、300.334Pb.450.802.416.502.340.3001.000.328Zn-.017.346.412.238.242.334.3281.000主成份123As.669-.646-.010Cd.784.171-.417Cr.643.234.493Cu.729-.246.024Hg.492.130-.437Ni.686-.253.523Pb.803.112-.348Zn.501.691.267 由表看出Cd、Cu、Pb重金屬兩兩相關(guān)，且相關(guān)性比較大，說(shuō)明這幾種元素來(lái)自同一種污染源的概率較大。其中Pb與Cd的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到了0801 82。表明這兩種元素所造成的污染及有可能是同一原

20、因造成的。其次是Ni和Cr，它們的相關(guān)系數(shù)為0527 05，說(shuō)明Ni和Cr也有一定的聯(lián)系。 聯(lián)系生活實(shí)際，我們認(rèn)為，生活區(qū)是人口密集區(qū)。人類(lèi)所帶來(lái)的生活垃圾、煤燃燒產(chǎn)生的粉塵、煙塵、房屋的拆遷過(guò)程中許多毀損的家具設(shè)施以及建筑垃圾等對(duì)周邊環(huán)境會(huì)造成一定的污染。另外，生活區(qū)的交通流量非常大。交通工具中尾氣排放、行駛中所擊起的塵埃及汽車(chē)輪胎磨損產(chǎn)生大量的有害氣體，其中含有Pb、Zn，Cu等多種重金屬元素，這些重金屬元素隨揚(yáng)塵進(jìn)入周?chē)耐寥溃苍斐闪松顓^(qū)土壤重金屬污染。表6.工業(yè)區(qū)兩種重金屬的相關(guān)性及主成分分析相關(guān)矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關(guān)As1.000.329.380.153.181

21、.690.395.518Cd.3291.000.541.566.533.489.829.754Cr.380.5411.000.920.902.698.675.695Cu.153.566.9201.000.983.503.670.622Hg.181.533.902.9831.000.479.612.590Ni.690.489.698.503.4791.000.578.634Pb.395.829.675.670.612.5781.000.739Zn.518.754.695.622.590.634.7391.000成份12As.518.758Cd.786.074Cr.916-.206Cu.868-.

22、463Hg.845-.459Ni.767.421Pb.858.049Zn.859.188 可見(jiàn)工業(yè)區(qū)的污染程度相當(dāng)高，其中Cr、Cu、Zn三種元素的相關(guān)系數(shù)較大。結(jié)合化學(xué)知識(shí)分析出工業(yè)區(qū)重金屬污染的主要原因是銅鋅礦的開(kāi)采和冶煉電鍍、染料、電池和化學(xué)工業(yè)等排放的廢水和廢氣金屬加工、機(jī)械制造、鋼鐵生產(chǎn)、塑料、電池、電子等工業(yè)排放的廢水；汽車(chē)排出的含鉛廢氣、汽車(chē)輪胎磨損以及煤燃燒產(chǎn)生的粉塵、煙塵中均含有鋅及化合物。表7.山區(qū)兩種重金屬的相關(guān)性及主成分分析相關(guān)矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關(guān)As1.000-.291.113.527.075.078-.205-.176Cd-.2911.000.0

23、66.090.246.049.766.606Cr.113.0661.000.364-.006.945.107.627Cu.527.090.3641.000.505.358.122.252Hg.075.246-.006.5051.000-.045.226.170Ni.078.049.945.358-.0451.000.028.629Pb-.205.766.107.122.226.0281.000.590Zn-.176.606.627.252.170.629.5901.000成份12As.518.758Cd.786.074Cr.916-.206Cu.868-.463Hg.845-.459Ni.76

24、7.421Pb.858.049Zn.859.188 可見(jiàn)山區(qū)的Cr、Ni元素的相關(guān)系數(shù)較大，說(shuō)明這里可能富含Cr和Ni的礦藏，從而造成了些許污染。表8.交通區(qū)兩種重金屬的相關(guān)性及主成分分析相關(guān)矩陣AsCdCrCuHgNiPbZn相關(guān)As1.000.121.139.092-.004.228.060.188Cd.1211.000.373.424.211.351.615.294Cr.139.3731.000.894.012.869.428.395Cu.092.424.8941.000.032.886.506.432Hg-.004.211.012.0321.000.040.266.118Ni.228.

25、351.869.886.0401.000.396.503Pb.060.615.428.506.266.3961.000.482Zn.188.294.395.432.118.503.4821.000成份12As.235-.131Cd.621.458Cr.874-.319Cu.906-.250Hg.170.743Ni.888-.320Pb.703.477Zn.643.115 可見(jiàn)Ni,Cr,Cu,Pb相關(guān)系數(shù)較大，同時(shí)觀察交通區(qū)的分布圖可知其與工業(yè)區(qū)、生活區(qū)緊密相連，可以猜想，運(yùn)輸工業(yè)廢料及生活垃圾時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵也是該區(qū)域遭到污染的主要原因之一。表9.公園綠地兩種重金屬的相關(guān)性及主成分分析相關(guān)矩陣A

26、sCdCrCuHgNiPbZn相關(guān)As1.000.358.689.107.176.691.265.285Cd.3581.000.564.500.054.433.598.712Cr.689.5641.000.357.023.739.397.509Cu.107.500.3571.000.136.267.756.521Hg.176.054.023.1361.000-.048.389.063Ni.691.433.739.267-.0481.000.168.298Pb.265.598.397.756.389.1681.000.748Zn.285.712.509.521.063.298.7481.000成

27、份123As.636-.569.349Cd.811.103-.232Cr.809-.426-.003Cu.679.457-.151Hg.203.354.889Ni.663-.622.012Pb.782.544.097Zn.798.286-.242可見(jiàn)Cr,Pb,Zn元素的相關(guān)系數(shù)較大，同時(shí)公園綠化區(qū)與工業(yè)區(qū)和生活區(qū)相鄰由此可見(jiàn)該區(qū)受工業(yè)區(qū)的影響相當(dāng)大，極有可能是工業(yè)廢水(氣)排放不當(dāng)、生活垃圾的隨意堆放造成的污染。其次，公園綠化區(qū)的落葉、凋落花果的腐爛及的活動(dòng)也有一定的影響。4.3問(wèn)題三4.3.1問(wèn)題分析由問(wèn)題一的分析我們得知重金屬的分布是連續(xù)的，同時(shí)我們還可以知道物質(zhì)的擴(kuò)散是從高濃度向低濃度

28、進(jìn)行的，在擴(kuò)散模型中某區(qū)域濃度最高的點(diǎn)可能就是擴(kuò)散源，所以重金屬空間分布中的極值點(diǎn)就可能是重金屬的傳播模型中污染源。因此問(wèn)題三的求解就轉(zhuǎn)化為在模型一所擬合出的重金屬空間分布曲面上搜索極值的問(wèn)題。搜索極值的現(xiàn)代算法有模擬退火，遺傳算法，魚(yú)群算法等多種。考慮的模型中所搜索的域有限，且目標(biāo)解數(shù)目不確定，遍歷搜索是較好的方法。得出極值點(diǎn)后再結(jié)合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)篩選出污染源。4.3.2模型的建立依據(jù)問(wèn)題一得出的各重金屬元素在該城區(qū)的空間分布，得到濃度分布矩陣Z（Z是100×100的矩陣），進(jìn)而結(jié)合MATLAB軟件建立搜索模型。Z是100×100的矩陣，借鑒元胞的思想建立一個(gè)100

29、×100規(guī)模的二維網(wǎng)格，將元素濃度分布矩陣對(duì)應(yīng)放入，其中每一個(gè)元素占據(jù)其中一個(gè)格子。根據(jù)問(wèn)題分析可知：污染源存在于二維網(wǎng)格中的某些格子中。并且污染源所在格子元素濃度大于周?chē)褡拥脑貪舛?。二維元胞自動(dòng)機(jī)(規(guī)則四方網(wǎng)格劃分)的鄰居通常有以幾種形式如圖2所示：黑色元胞為中心元胞，灰色元胞為該元胞的鄰居。 圖10.元胞鄰居模型分析三種鄰居模型發(fā)現(xiàn)第二種模型最適合。第二種鄰居模型中污染源存在的格子應(yīng)滿(mǎn)足：對(duì)于與外界不相鄰的格子 為了簡(jiǎn)化模型在此不予考慮邊界和頂角，即認(rèn)為對(duì)于邊界和頂角處不存在污染源。通過(guò)搜索模型可以求出重金屬空間分布中的極值點(diǎn)即可能的污染源，再結(jié)合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（如表1

30、0所示），通過(guò)MATLAB軟件對(duì)極值點(diǎn)進(jìn)行篩選出，求出重金屬的主要污染源。表10：國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別一級(jí)1520090351504035100二級(jí)2530030010050050300250三級(jí)30100040040015002005005004.3.3模型的求解（1） 根據(jù)問(wèn)題一中得出的元素在城區(qū)的空間分布得到濃度分布矩陣Z，結(jié)合matlab軟件建立搜索模型進(jìn)行搜索得出該元素在空間分布極大值61個(gè)。用同樣方法得出其他7種重金屬在空間分布極大值個(gè)數(shù)如表11所示.表11.八種金屬元素空間分布極大值個(gè)數(shù)元素 個(gè)數(shù)6160576263605358（2） 運(yùn)用函數(shù)畫(huà)出各重金屬元素空間分布極大值點(diǎn)

31、的散點(diǎn)圖使數(shù)據(jù)可視化。得到各種重金屬元素空間分布極大值點(diǎn)的散點(diǎn)圖如下：圖11：砷、鎘、鉻、銅的空間分布極大值散點(diǎn)圖圖12：汞、鎳、鉛、鋅的空間分布極大值散點(diǎn)圖（3）結(jié)合國(guó)家土壤環(huán)境三個(gè)等級(jí)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)MATLAB軟件對(duì)極值點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)篩選：首先用國(guó)家土壤環(huán)境一級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，得出篩選結(jié)果，再用國(guó)家土壤環(huán)境二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一級(jí)指標(biāo)得出的點(diǎn)進(jìn)行篩選，依次類(lèi)推，最終得到篩選結(jié)果如表12所示。表12.不同國(guó)標(biāo)等級(jí)下的極大值個(gè)數(shù)元素AsCdCrCuHgNiPbZn一級(jí)個(gè)數(shù)65713453965357二級(jí)個(gè)數(shù)152320173325三級(jí)個(gè)數(shù)11125110118從篩選的結(jié)果中選出適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)作為重金屬的主要

32、污染源，所選點(diǎn)個(gè)數(shù)和點(diǎn)和坐標(biāo)如下列各表：表13.重金屬主要污染源個(gè)數(shù)元素AsCdCrCuHgNiPbZn個(gè)數(shù)61135116318表14：砷污染源二維坐標(biāo)及其濃度值A(chǔ)s (g/g)15.06123.64116.12123.17530.03218.971X/m1890012900720045001830027600Y/m22003200740078001020012200表15.鎘污染源二維坐標(biāo)及其濃度值Cd (ng/g)1068.81458.61401.91321.91121.41054.9X/m45002400240017700177005100Y/m26003400360040004200

33、5200Cd (ng/g)1054.91264.410241267.81263.81578.6X/m5100360060004800480021600Y/m520060008600112001140011600表16.鉻污染源二維坐標(biāo)及其濃度值Cr (g/g)747.81304.81976.76X/m4800108003600Y/m480056006000表17.銅污染源二維坐標(biāo)及其濃度值Cu (g/g)2759.42609.82622.32565.21391.9X/m24002700240027003600Y/m36003600380038006000表18.汞污染源二維坐標(biāo)及其濃度值Hg

34、(ng/g)163851448715460154271839233313434134111143216921723X/m3000138002700270072003300153001530015600225008700Y/m2600260034003600740082009200940094001060012200表19.鎳污染源二維坐標(biāo)及其濃度值Ni (g/g)146.0870.58769.355X/m36002220027600Y/m60001220012200表20.鉛污染源二維坐標(biāo)及其濃度值Pb (g/g)527.92485.07354.06X/m210051003600Y/m3400

35、520010600表21.鋅污染源二維坐標(biāo)及其濃度值Zn (g/g)1485.6550.91631.514571749.23092.12801.41965.31961.9X/m45008100129001290024009600960036003600Y/m260032003200340036004600480058006000Zn (g/g)1111.91064.753205859526553793664.52985.5552.1X/m540054001290081006000960013800138006000Y/m7200740078008400860086009800100001100

36、04.3.4模型可行性分析通過(guò)對(duì)整個(gè)城區(qū)里八種重金屬元素的相關(guān)性分析，可以推出其中有些元素可能具有相同的污染源，這樣可以驗(yàn)證問(wèn)題三的模型是否可行。這里通過(guò)spss軟件得到其相關(guān)性矩陣:相關(guān)矩陣相關(guān)As1.0000.2550.1890.1600.0640.3170.2900.247Cd0.2551.0000.3520.3970.2650.3290.6600.431Cr0.1890.3521.0000.5320.1030.7160.3830.424Cu0.1600.3970.5321.0000.4170.4950.5200.387Hg0.0640.2650.1030.4171.0000.1030.

37、2980.196Ni0.3170.3290.7160.4950.1031.0000.3070.436Pb0.2900.6600.3830.5200.2980.3071.0000.494Zn0.2470.4310.4240.3870.1960.4360.4941.000 由相關(guān)矩陣可知與相關(guān)性系數(shù)為0.716，與的相關(guān)性系數(shù)為0.66，理論上可以判為有同一污染源。在問(wèn)題三的求解結(jié)果中的一個(gè)污染點(diǎn)（3600,6000）與的一個(gè)污染點(diǎn)（3600,6000）相同，的一個(gè)污染點(diǎn)（5100,5200）與的一個(gè)污染點(diǎn)（5100,5200）相同，符合相關(guān)性的判斷規(guī)律，這證明了模型的可行性與可靠性。4.4.問(wèn)題

38、四4.4.1模型優(yōu)缺點(diǎn)分析(1)問(wèn)題一模型 內(nèi)梅羅指數(shù)污染指數(shù)內(nèi)梅羅指數(shù)污染指數(shù)不僅考慮到各種影響參數(shù)的平均污染狀況，而且特別強(qiáng)調(diào)了污染最嚴(yán)重的因子，同時(shí)在加權(quán)過(guò)程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，克服了平均值法各種污染物分擔(dān)的缺陷，用來(lái)表征環(huán)境質(zhì)量指數(shù)更加科學(xué)。地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)重金屬的污染，除必須考慮人為污染因素、環(huán)境地質(zhì)化學(xué)背景值外，還應(yīng)考慮到由于自然成巖作用可能引起背景值的變動(dòng)因素。地質(zhì)累積指數(shù)法考慮到 了此因素，彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法的不足。模型比較以上兩種模型得出的污染指數(shù)基本相似，內(nèi)梅羅指數(shù)適合評(píng)價(jià)一個(gè)功能區(qū)內(nèi)所有重金屬的綜合污染，而地質(zhì)累積指數(shù)適合評(píng)價(jià)單個(gè)重金屬的污染。但是兩個(gè)模型都

39、忽略了不同元素對(duì)人及環(huán)境影響的不同權(quán)重值，有稍許不合理之處。（2） 問(wèn)題二模型主成分分析通過(guò)主成分分析，找出各個(gè)功能區(qū)中污染最重的若干種重金屬元素，忽略微量的重金屬的影響，使分析結(jié)果更具有普遍性，避免了偶然結(jié)果的影響。相關(guān)性分析利用相關(guān)性分析及主成分分析方法，計(jì)算出相關(guān)系數(shù)比較大的兩種元素，進(jìn)而說(shuō)明他們的含量有顯著的相關(guān)性，分析他們的共同來(lái)源。（3） 問(wèn)題三模型遍歷搜索模型該模型能夠有效且快速的找出空間極大值，即可能的污染源。其次，該模型可以根據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)的高低，方便的區(qū)分不同污染源的污染程度的高低，有利于相關(guān)人員根據(jù)污染程度的高低采取不同的治理措施。但在研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式時(shí)，僅對(duì)城市海拔進(jìn)行了分析，忽略了其他巖石、大氣等因素的影響。4.4.2其他因素地質(zhì)環(huán)境是一個(gè)涉及到地球巖石圈表層的巖石、土壤、大氣、水和生物的復(fù)雜系統(tǒng)，所以為了更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，還應(yīng)收集的資料有：1.該地區(qū)的每年生活、工業(yè)等重要污染源的垃圾排放量。2.降雨量以及地下水含量。隨著時(shí)間的推移，已進(jìn)入土壤中的重金屬污染物在氣流或者水流作用下產(chǎn)生空間位置上的轉(zhuǎn)移，致使不同土層中污染物的濃度發(fā)生變化。通過(guò)降雨量以及地下水含量推算每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)土壤含水率。3.城區(qū)的空氣污染等。有了以上信息和數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步通過(guò)高斯煙雨擴(kuò)散模型，水體傳播模型等方法求解。5 模型的推廣 該問(wèn)題的