城市表层土壤重金属污染分析

1城市表层土壤重金属污染分析摘要在此文中我们主要运用半变异函数的理论和方法分析城市表层土壤重金属元素的传播特征，来对重金属污染进行深入研究，每一问的解决方案如下：问题一运用MATLAB软件插值作出8种重金属元素在该城区的空间分布图，并连接浓度相同的点形成等值线，与城市分区图叠加后，直观地反映出各种元素集聚的功能区及其大致方位。在分析不同功能区的污染程度时使用“潜在生态危害指数法”与“内梅罗综合指数法”，参照本地各元素的背景值，给出各功能区的污染程度排序，由大到小依次是：工业区、交通区、公园绿地区、生活区和山区。又参照国家土壤二级标准，计算出各功能区的污染程度，处于轻污染的是工业区、交通区和公园绿地区；处于警戒线的是生活区，处于安全级的是山区。问题二分别从同一元素不同功能区和同一功能区不同元素，两个角度进行数据分析，发现污染程度和功能区的关系，然后运用因子分析法，对照问题一中各元素的空间分布图得出重金属污染的主要原因是工业区的废气、废物和废水排放，交通区汽车尾气排放以及生活区的人类活动。人类活动较少的功能区（如公园绿地区，山区）的污染主要来自于其他功能区污染的扩散和传播。问题三运用半变异函数研究同一方向不同元素以及同种元素不同方向的传播特征，既考虑传播过程中该元素空间自相关性的影响，也考虑到外在因素（如地形）的影响。根据传播特征的分析，结合问题一中各元素的空间分布图，我们确定各种重金属元素的污染源的位置在以重金属元素浓度极值点为中心，以各元素变程为半径的圆形区域。问题四在分析前三问模型的基础上，我们认为还需要收集本城市排污工厂数目、城市的汽车数量、每天产生的居民生活垃圾及污水的总量等人为活动的相关信息，以及该城市的植被覆盖率、四季风向、土壤类型和降水量等自然特征方面的相关信息，通过运用层次分析法来探讨城市地质环境的演变模式，凸显了人类活动在其中的重要影响。关键词：内梅罗综合指数法因子分析法半变异函数MATLAB软件插值21.问题重述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。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。同时，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。现在我们建立数学模型完成以下任务：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，还应收集哪些信息？有了这些信息，如何建立模型解决问题？2.模型假设1.在采样点采集到的数据人为误差较小，并具有较强的代表性。2.附件3中的“按照2公里间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样”所得背景值可以作为污染度参比值。3.描述区域分布图时遵循“上北下南，左西右东”的原则。4.随着地理位置的变化，土壤中重金属元素的浓度是连续变化的。33.符号定义𝑖=1,2,3···8依次代表8种金属：As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn𝑗=1,2,3,4,5分别表示生活区，工业区，山区，交通区，公园绿地区𝑃𝑖某种重金属的污染系数𝑃0𝑖某种重金属计算所需的参比值𝑃表层𝑖某表层土壤重金属浓度实测值𝑃𝑑𝑗取样点土壤重金属污染综合指数𝑃𝑎𝑗某一区域的重金属污染综合指数𝐾𝑗某一区域采样点的个数𝛾(ℎ)半变异函数ℎ样点间隔距离𝑁(ℎ)间隔距离为h的样点数𝑍(𝑥𝑖)区域变化量𝑍(𝑥)在空间位置𝑥𝑖的观测值𝐶0块金值𝐶0+𝐶基台值𝐴变程4.问题分析4.1分析问题一在第一问中，为了获取8种主要重金属元素的空间分布图，我们考虑使用MATLAB软件，利用题目中给出的取样点横纵坐标以及对应8种元素的浓度，作出八种元素的空间分布图。要分析不同区域重金属的污染程度，就要将每个区域八种元素的浓度按照统一的标准综合成可以比较的污染指数来进行分析。通过查找资料，我们借鉴“潜在生态危害指数法”的部分算法来解决该问题。44.2分析问题二题目要求我们分析附件给出的数据，说明重金属污染的主要原因。问题一中的元素空间分布图已经显示同一种元素在不同功能区的分布情况。我们还应在此基础上从同一功能区不同元素污染情况的角度，探究各重金属元素污染之间以及它们和功能区的关系。进而根据这些统计信息，运用因子分析法，分析污染的主要原因。4.3分析问题三从问题一中的元素空间分布图中，我们看出，在以某元素峰值为中心，向各个方向扩展的过程中，该元素浓度的变化趋势并不相同。同时，同一方向上不同元素的浓度变化趋势也存在差异。因此我们认为，不同方向上同一元素浓度变化的差异和同一方向上不同元素的浓度变化的差异，是重金属传播过程中的两个重要特征。这种差异在空间统计学中被称为“空间变异”，它由内在因素引起的系统变异和外在因素引起的随机变异构成。内在因素（即结构性因素）是指取样点之间的相互影响，反映了其空间自相关性；外在因素是指地形、风向等随机因素。上述两种因素均可通过半变异函数加以分析，通过拟合半变异函数，可以得出同一元素不同方向和同一方向不同元素的传播特征。进而，利用元素的传播特征，为污染源位置的确定提供理论依据。4.4分析问题四城市地质环境的演变模式是随着该城市周围的大气圈、水圈、生物圈中各种因素的变化，从一种状态转化为另一种状态的过程，比如说从重污染变成轻度污染，或者从安全级变成污染的状况等。而这中间既有地质内部因素的影响，也有来自外部诸如人类活动的影响，既有静态的演变过程也有动态的演变过程。很明显，这种状态的转变与很多因素有关，需要收集不同方面的信息，进而考虑使用层次分析法探讨地质环境的演变。5.模型的建立及求解5.1问题一的模型建立与求解5.1.1利用MATLAB作出八种元素的空间分布图首先根据取样点的横纵坐标和每一点所属的功能区，运用MATLAB，作出本城区的大致轮廓和分区情况，如图1：图1本城区轮廓及各区分布图在作重金属元素在该城区的空间分布图时，以取样点的地理位置为XY平面，5以元素的浓度为Z轴，建立空间直角坐标系。利用MATLAB作图，近似反映在该城区不同位置同一重金属元素的浓度情况。为更直观地反映元素分布情况，在立体图形的XY平面将浓度相同的点连接成等值线,在立体图形的右侧又作出重金属元素的浓度等值线图与该城区分区图的叠加图，颜色条反映了浓度大小差异，如图2至图9。从这些图可以看出某种重金属元素在哪些功能区集聚及其大致方位。图2As的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）由图2可看出As元素主要集聚在城市正中心偏东北方向的交通区、城市南部交通区和生活区的交界处、城市西部工业区及城市东偏北的山地区。且浓度呈现由集聚点向四周递减的趋势。图3Cd的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）由图3可以看出Cd元素有多个集聚点，一部分密集分布在城市西南角的工业区，交通区及公园绿地区的交界处，另一部分分布在城市正中心偏东南方向交通区和山区的交界地带。且浓度呈现由集聚点向四周递减的趋势。6图4Cr的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）由图4可以看出Cr元素的集聚点较为单一，存在于城市西部偏南方向的生活区和交通区，且浓度呈现由集聚点向四周递减的趋势。图5Cu的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）图5反映出Cu元素集聚在城市西南角的工业区和交通区的交界地带，在其附近的交通区和居民区的交界地带也有小部分集聚，且浓度呈现由集聚点向四周递减的趋势。图6Hg的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）图6显示Hg元素在本市西南角的交通和工业区集聚，非常接近公园绿地区。在正南方向的交通区以及城市正中心的交通区和工业区交界处浓度也偏高。且浓度呈现由集聚点向四周递减的趋势。7图7Ni的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）图7显示Ni元素在城市西部偏南方向的生活区和交通区集聚，在城市东北方向的交通区和山区的交界处亦有较显著的分布。且浓度呈现由集聚点向四周递减的趋势。图8Pb的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）图8显示出Pb元素密集分布在城市西南角的工业区和生活区，元素浓度由集聚点中心向四周递减。在城市其它地区，浓度围绕着交通区的采样点向四周递减。图9Zn的空间分布图（右侧为该元素浓度等值线与城市分区图的叠加图）图9显示Zn元素集中分布在城市正中心的交通区和工业区交界地带，其他集聚点则散布在城市西南角的交通区和生活区。且浓度呈现由集聚点向四周递减的趋势。85.1.2分析该城区内不同区域的重金属的污染程度“潜在生态危害指数法”作为国际上土壤重金属的研究方法之一，结合环境化学，生物毒理学，生态学等方面的内容，以定量的方法划分出重金属的潜在危害程度，是目前此类研究中应用较为广泛的一种。[1]下面，运用“潜在生态危害指数法”的部分算法计算各区域重金属污染综合指数：第一步：某一采样点单个重金属污染系数的确定，简称𝑃𝑖𝑃𝑖=𝑃表层𝑖𝑃0𝑖⁄（1）式中𝑃表层𝑖是表层土壤某重金属浓度实测值，𝑃0𝑖是该金属的参比值，Hakanson提出以现代工业化前沉积物中金属的最高背景值作为参比值。具体到本题中就可采用已知的“按照2公里间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样”所得的背景值来作为参比值（见附件三）。第二步：定义某区域内采样点重金属污染综合指数，简称𝑃𝑑𝑗，是该采样点八种重金属污染系数之和：𝑃𝑑𝑗=∑𝑃𝑖8𝑖=1（2）第三步：某区域重金属污染综合指数用该区域内所有采样点重金属污染综合指数的平均数来衡量：𝑃𝑎𝑗=∑𝑃𝑑𝑗𝑘𝑗（3）其中𝑘𝑗表示该区域采样点的个数。使用附件中的数据，算得该城区不同区域重金属的污染综合指数见表1。表1不同区域重金属污染程度功能区划分该区取样点总数该区重金属污染综合指数（保留三位小数）生活区4419.755工业区3643.416山区669.532交通区13830.752公园绿地区3521.741由该表知各功能区按污染综合指数从大到小排列分别为：工业区交通区公园绿地区生活区山区其中，公园绿地区的重金属污染综合指数高于生活区,与我们事先的猜想不符。我们认为或许是在用“潜在生态危害指数法”进行第二步计算时，对各种重金属污染系数所赋予的权重均为1，不妥当，需要改进，因此采取“内梅罗综合指数法”[2]再次尝试。新方法改进的地方在于第二步计算某一取样点的重金属污染综合指数时，不是简单地将8种污染系数相加，而是突出高浓度污染物对环境质量的影响，计算公式如下：9𝑃𝑑𝑗=√(𝑀𝑎𝑥(𝑃𝑖))2+(𝐴𝑣𝑔(𝑃𝑖))22（4）其中：𝑃𝑖=𝑃表层𝑖𝑃0𝑖⁄，𝑀𝑎𝑥(𝑃𝑖)表示八种重金属污染系数中的最大值，𝐴𝑣𝑔(𝑃𝑖)表示八种重金属污染系数的平均值。𝑃0𝑖常使用国家土壤环境二级标准（GB15618—1995）[3]（以下简称“国标”），同时此题中已经给出土壤环境的背景值，经过比较均低于国标，因此满足背景值即满足了国标。如表2所示：表2国家土壤二级标准与该题已知背景值对比