A題城市表層土壤重金屬污染分析_圖文

1、A 題 城市表層土壤重金屬污染分析摘要 :本文主要討論研究了城市表層土壤重金屬污染的問(wèn)題。模型建立過(guò)程 中,考慮到重金屬粒子比重較大的問(wèn)題,忽略其遠(yuǎn)距離傳播所造成的影響且 假定采樣土層中的重金屬分布已經(jīng)穩(wěn)定海拔對(duì)重金屬分布的影響甚微。不考 慮生物降解、氣象等次要因素對(duì)重金屬污染傳播速度的影響。從題中所給數(shù) 據(jù)可得,采樣點(diǎn)不是均勻分布的,局部區(qū)域可能采樣較密或較稀甚或缺失。 若直接應(yīng)用原始樣品分析數(shù)據(jù)進(jìn)行元素含量頻率分布研究,則可能過(guò)分強(qiáng)調(diào) 采樣較密的局部區(qū)域而相對(duì)忽視采樣較稀的局部區(qū)域,不能真實(shí)地反映區(qū)域 內(nèi)元素含量值的分布特征,因此我們利用濃度面積法進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)對(duì)樣 本數(shù)據(jù)的嚴(yán)格計(jì)算與分析

2、發(fā)現(xiàn)每種重金屬濃度的對(duì)數(shù)分布都非常近似地符合 正態(tài)分布,由此切入,引入一個(gè)新的指標(biāo) P (某重金屬離子不同污染程度區(qū) 域的面積值 , 各種重金屬的濃度值的對(duì)數(shù)與對(duì)該指標(biāo)滿足正態(tài)分布關(guān)系, 進(jìn) 而討論了采樣城市表層土壤重金屬的污染情況,建立了重金屬污染模型。關(guān)鍵字 :濃度面積法 重金屬污染 正態(tài)分布 曲線擬合 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo) 重點(diǎn)分析法 主要因素 次要因素一 問(wèn)題的提出隨著城市經(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 獲得的海量數(shù)據(jù)資料開展城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),研究人類活動(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

3、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類區(qū)、 2類區(qū)、 5類區(qū),不同的區(qū)域環(huán)境受 人類活動(dòng)影響的程度不同。現(xiàn)對(duì)某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。為此,將所考察的城區(qū)劃分為 間距 1公里左右的網(wǎng)格子區(qū)域, 按照每平方公里 1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土 (010 厘 米深度進(jìn)行取樣、編號(hào),并用 GPS 記錄采樣點(diǎn)的位置。應(yīng)用專門儀器測(cè)試 分析,獲得了每個(gè)樣本所含的多種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)。另一方面,按照 2公里的間距在那些遠(yuǎn)離人群及工業(yè)活動(dòng)的自然區(qū)取樣,將其作為該城區(qū)表層 土壤中元素的背景值。本文需要解決的問(wèn)題是根據(jù)所給的數(shù)據(jù),確定 8種主要重金屬元素在

4、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以及污染原因。 另外需要根據(jù)重金屬污染物的傳播特征,由此建立數(shù)學(xué)模型,確定污染源的 位置,得出明確的有說(shuō)服力的結(jié)論。然后根據(jù)建模分析的結(jié)果,給有關(guān)部門 寫一份報(bào)告,提出具體的建議。二 問(wèn)題的分析隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快,工業(yè)、交通、生活等所產(chǎn)生的大 量污染物進(jìn)入土壤,使得城市土壤的各種性質(zhì)發(fā)生了變化。重金屬作為一種 持久性有毒污染物,進(jìn)入城市土壤環(huán)境后不能被生物降解,并能通過(guò)揚(yáng)塵和 手或口直接接觸等途徑進(jìn)入人體,在人體內(nèi)積累,危害人體健康。土壤中的 重金屬還可通過(guò)淋洗和徑流等作用污染地表水和地下水,對(duì)水環(huán)境造成潛在 危害。因此

5、,近年來(lái)城市土壤重金屬污染已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。為了探討污染源的位置,首先要分析影響土壤中重金屬分布的因素,根 據(jù)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)分析得出城市土壤重金屬的主要來(lái)源,認(rèn)識(shí)到城市土壤 中的重金屬一部分來(lái)源于成土母質(zhì),另一部分則為外源人為輸入。成土母質(zhì) 是城市土壤中重金屬含量的重要來(lái)源 , 是決定城市土壤中重金屬元素含量與 分布特征的重要因素之一。例如,在北京市,目前土壤中 Cr 、 Ni 的含量就主 要受成土母質(zhì)的影響, 只是個(gè)別地區(qū)存在明顯的 Cr 、 Ni 含量嚴(yán)重偏高的現(xiàn)象。 城市交通運(yùn)輸則是城市土壤重金屬污染的另一個(gè)重要來(lái)源,汽車尾氣排放、 輪胎添加劑中的重金屬元素均可影響到土壤中 Pb 、 Z

6、n 、 Cu 的含量, 且這些元 素的積累量都與交通流量有關(guān)。另外城市生活垃圾與工業(yè)廢棄物的堆放及填埋對(duì)其附近城市土壤中重金 屬的含量與形態(tài)特征有著明顯的影響,其附近土壤中重金屬元素的含量與形 態(tài)分布特征與垃圾中的重金屬含量及其有效態(tài)含量呈明顯的正相關(guān)。在不同工礦企業(yè)周圍, 土壤重金屬含量還表現(xiàn)出明顯的特異性, 如 Zn 礦冶煉廠廢棄 物的排放即可導(dǎo)致其周邊城市土壤 Zn 含量特異。 同時(shí)公園與花園綠化過(guò)程中 污水、污泥堆肥的廣泛使用也明顯影響到城市土壤中的重金屬組成與含量。 城市土壤重金屬污染的來(lái)源可用下圖表示為:工業(yè)廢渣工業(yè)污染 企業(yè)搬遷后的殘留物 城市重金屬 交通污染(汽車尾氣污染的主要

7、來(lái)源 城市垃圾堆放場(chǎng)和填埋場(chǎng) 城市堆放的廢棄物污染 工業(yè)及生活用污水圖 1 城市土壤重金屬污染來(lái)源知道了城市土壤重金屬的主要來(lái)源,然后按功能區(qū)進(jìn)行分類處理,對(duì)各 功能區(qū)里每種元素濃度的空間分布單獨(dú)進(jìn)行處理,按照所給的數(shù)據(jù)畫出每種 元素濃度布規(guī)律,為后面的模型建立做好準(zhǔn)備。從整體來(lái)看,我們可以按以下流程圖來(lái)進(jìn)行分析處理: 圖 2 整體解題步驟建立模型的過(guò)程中需要考慮的因素還有很多,在這里不做更多的解 釋,在后面的建模過(guò)程中會(huì)做出詳細(xì)解析。三 模型的假設(shè)1、 模型建立過(guò)程中, 考慮到重金屬粒子比重較大的問(wèn)題, 忽略其遠(yuǎn)距離傳播 所造成的影響。2、采樣土層中的重金屬分布已經(jīng)穩(wěn)定。3、海拔對(duì)重金屬分布

8、的影響甚微。4、不考慮生物降解、氣象等因素對(duì)重金屬污染傳播速度的影響。四 符號(hào)的說(shuō)明 五 模型的建立與求解5.1 問(wèn)題一的求解 :分析問(wèn)題一得知,要想求得 8種重金屬元素在該城區(qū)的空間分布,需要先畫 出各元素濃度與坐標(biāo)的三維圖。 因?yàn)楹０螌?duì)重金屬元素的空間分布影響較小, 屬于次要因素, 所以先考慮對(duì)重金屬元素空間分布影響較大的主要因素 x, y 。各元素的濃度與 x, y關(guān)系的三維圖如下所示: 圖 5.11 As濃度分布圖圖 5.12 Cr濃度分布圖 圖 5.13 Zn濃度分布圖 圖 5.14 Pb濃度分布圖 圖 5.15 Ni濃度分布圖 圖 5.16 Hg濃度分布圖 圖 5.17 Cu濃度分

9、布圖 圖 5.18 Cd濃度分布圖再考慮海拔時(shí),畫出海拔等高線與功能區(qū)分布的關(guān)系圖如下: 圖 5.19 海拔等高線與功能區(qū)關(guān)系分布圖由以上各元素的三維圖只能得出 8種重金屬元素在整個(gè)城區(qū)內(nèi)的空間分布特點(diǎn)及傳播特征,并不能得出不同區(qū)域重金屬的污染程度。所以需要對(duì)附 件一中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,分區(qū)討論污染程度。我們利用篩選完的數(shù)據(jù), 分別算出 5個(gè)區(qū)域各種元素濃度的平均值,用如下柱形圖表示出各區(qū)域重金 屬的污染程度。 圖三 各功能區(qū)重金屬濃度分布由上圖分析可得在城市不同的功能區(qū),重金屬分布呈現(xiàn)出一定的規(guī) 律性。一般來(lái)說(shuō),工業(yè)區(qū)和交通區(qū)重金屬污染最為嚴(yán)重,其次為生活區(qū),公 園綠地區(qū)和山區(qū)重金屬含量一

10、般較低,污染也相對(duì)較輕。5.2 問(wèn)題二的求解 :分析所給數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),該城市不同功能區(qū)土壤重金屬污染程度表現(xiàn)為工業(yè) 區(qū) >交通區(qū) >生活區(qū) >公園綠地區(qū) >山區(qū)。工業(yè)區(qū)的污染最嚴(yán)重,是因?yàn)?隨著 城市化發(fā)展和舊城區(qū)改造,大量的污染企業(yè)搬出城區(qū),原有的土地使用性質(zhì) 發(fā)生改變。城市中已搬遷的污染企業(yè)用地成為城市土壤重金屬污染的突出問(wèn) 題,如一些冶金行業(yè)、電鍍行業(yè)及大型企業(yè)中的電鍍工藝等,可以造成較為 嚴(yán)重的土壤重金屬污染。城市土壤重金屬污染的另一特征是沿交通干道兩側(cè) 呈現(xiàn)出較嚴(yán)重的帶狀污染,公路兩側(cè)一般為城市土壤重金屬污染最嚴(yán)重的地 帶。 距交通干道距離不同, 重金屬含量也存在

11、差異。 生活區(qū)污染也比較嚴(yán)重, 是因?yàn)槌鞘惺侨丝诘闹饕奂瘏^(qū),同時(shí)也集中了大量的工礦企業(yè),其產(chǎn)生的 大量廢棄物經(jīng)常未經(jīng)處理隨意堆放,其中的重金屬元素向四周環(huán)境擴(kuò)散,對(duì) 城市土壤環(huán)境造成了污染。同時(shí),這些堆放的廢棄物在雨水的淋洗下會(huì)向土壤釋放其有效態(tài)部分,使得重金屬元素的遷移能力增強(qiáng),增加了對(duì)地下水的 危害。5.3 問(wèn)題三的求解 :不同于其他一些氣體或者液體物質(zhì)離子具有較輕的粒子質(zhì)量, 重金屬離子 的粒子重量非常大,這一物理性質(zhì)決定了重金屬離子的擴(kuò)散方式有限,擴(kuò)散 速度緩慢。某位置的重金屬的分布主要由污染源決定,重金屬的擴(kuò)散對(duì)某第 該重金屬的濃度影響并不顯著。簡(jiǎn)單地說(shuō),如果某地為污染源,那么該地

12、的 重金屬離子濃度會(huì)非常高;如果某地并非污染源,則該地不會(huì)顯著受到某污 染源重金屬污染物擴(kuò)散的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的嚴(yán)格分析我們發(fā)現(xiàn), 采樣重金屬濃度值的對(duì)數(shù)值分布呈 現(xiàn)正態(tài)分布的特征。 我們?cè)O(shè)定 P 為反映不同污染程度區(qū)域的面積值的指標(biāo), c 為重金屬濃度,則: 22( exp 2c uP c-=-根據(jù)采樣點(diǎn)分別算出 8種重金屬分布的方程常數(shù): 2 2( 1.6326 (exp 2*0.445C AsP C As-=- 2 2 ( 0.45 (exp 2*5.4849 C CdP C Cd-=- 22( 0.2576 (exp 2*3.7828 C CrP C Cr-=-(C(Cu 0.68

13、272 1 PC(Cu = exp 2 2*3.4729 2 *3.4729 (C(Hg 1.40322 1 exp PC(Hg = 2 2*4.1506 2 *4.1506 (C(Ni 0.16232 1 PC(Ni = exp 2 2*2.7582 2 *2.7582 (C(Zn 0.62252 1 PC(Zn = exp 2 2*4.8661 2 *4.8661 可以根據(jù)采樣點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到 P 的值然后推算重金屬的濃度值， 濃度最 高的點(diǎn)即可能為潛在的污染源。 用 matlab 軟件繪出圖形如下： 11 圖四 P 與各元素濃度對(duì)數(shù)的關(guān)系圖 5.4 問(wèn)題四的求解: （3）問(wèn)中的模型建立充

14、分利用了所給的采樣樣本數(shù)據(jù)，可靠性強(qiáng)；各重 金屬濃度值的對(duì)數(shù)值與正態(tài)分布擬合非常好，除此之外該模型簡(jiǎn)練、實(shí)用性 強(qiáng)。當(dāng)然該模型也有其自身的缺點(diǎn)，該模型對(duì)采樣數(shù)據(jù)依賴度過(guò)高，當(dāng)采樣 數(shù)據(jù)較少時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)果誤差過(guò)大的問(wèn)題。 前文已經(jīng)提到，重金屬離子由于粒子比重大，所以其傳播速度有限，段時(shí) 間內(nèi)我們可以忽略遠(yuǎn)距離傳播所帶來(lái)的重金屬污染，但從長(zhǎng)期來(lái)看，我們便 不能忽略重金屬粒子遠(yuǎn)距離傳播所帶來(lái)的污染，所以為更好地研究城市地質(zhì) 環(huán)境的演變模式，我們需要知道歷史上一段時(shí)間該地區(qū)的各功能區(qū)的發(fā)展情 況。同時(shí)，該地區(qū)的人類生活規(guī)律（例如垃圾排放量） 、生物降解能力以及該 地區(qū)的空氣污染狀況、氣象因素等都會(huì)對(duì)重金屬的分布與傳播產(chǎn)生不同效果 的影響。如果想要使模型更加精確，這些因素通通都因該考慮在內(nèi)，有了這 些數(shù)據(jù)之后可以建立因子分析法，回歸分析，曲線擬合等模型解決問(wèn)題。 六 模型的評(píng)價(jià)與推廣 1、本文經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的分析計(jì)算挖掘采樣數(shù)據(jù)背后隱藏的數(shù)學(xué)關(guān)系，模型清 晰、簡(jiǎn)練、合理、可信。 2、運(yùn)用 MATLAB 軟件區(qū)里數(shù)據(jù)和進(jìn)行運(yùn)算，降低運(yùn)算來(lái)那個(gè)，簡(jiǎn)單易行， 12 有很