科技創(chuàng)新數(shù)學建模獲獎作品.doc

項目編號 衡陽師范學院第十二屆大學生課外學術科技作品競賽作 品 申 報 書作品名稱： 城市土壤重金屬元素污染分析 系（院）名稱： 數(shù)學與計算科學系 作者姓名： 陳冰卿 聯(lián)系電話:項目類別:自然科學類學術論文哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術論文科技發(fā)明制作二一一年九月一、申報作品情況申報者情況姓 名陳冰卿性別女出生年月1992年8月專 業(yè)數(shù)學與應用數(shù)學年 級2009級作品全稱城市表層土壤重金屬污染分析作品類別自然科學類學術論文合作者情況姓 名性別年齡系（院）專業(yè)張艷女21數(shù)學于計算科學系信息與計算科學陳蒼女20數(shù)學于計算科學系數(shù)學與應用數(shù)學指導老師姓名工作單位稱謂魏繼東衡陽師范學院副教授作品摘要近年來，我國土壤污染問題日益突出，土壤環(huán)境面臨著由持久性有機污染物、重金屬、農(nóng)藥等污染物所帶來的前所未有的壓力。人類的生產(chǎn)活動將大量重金屬污染質(zhì)帶入到城市環(huán)境中,造成這些污染物在環(huán)境中大氣、水體、土壤或食物鏈直接或間接地威脅人類健康。本文通過分析重金屬污染物在各區(qū)的濃度分布，獲得8種主要重金屬元素在城區(qū)的空間分布，并分析了城區(qū)內(nèi)不同區(qū)的重金屬污染物的污染程度，提出重金屬污染物防治及查找污染源的一些方法，旨在保護環(huán)境，提高土壤的環(huán)境質(zhì)量。本文研究了采樣點所在城區(qū)土壤中重金屬含量、空間分布特征、污染程度以及污染來源。第一問中，我們采用surfer 8.0和 Matlab7.5畫出了 8種重金屬元素（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）在各采樣點的分布圖和各城區(qū)的劃分圖，兩兩對比，得出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布；用地質(zhì)累積指數(shù)法，求出該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的污染程度：As，Cr，Ni為輕中等污染。生活區(qū)(1區(qū))存在Cd，Hg,Pb等金屬元素的輕中等污染，Cu，Zn等金屬元素的中等污染；工業(yè)區(qū)（2區(qū)）存在Cd，Pb，Zn等金屬元素的中等污染，Cu元素為中強等級污染，Hg元素為強污染；山區(qū)（3區(qū)）除Hg元素存在輕中等污染外，其他元素無污染;主干道路區(qū)（4區(qū)）存在Cd，Pb等元素的輕中等污染，Cu,Zn等元素的中等污染，以及Hg元素的強污染；公園綠地區(qū)（5區(qū)）除 Hg存在中等污染，Cr，Ni不存在污染，其余元素均為輕中等污染。第二問中，采用因子分析法運用Matlab等軟件對數(shù)據(jù)進行處理，從變量的相關矩陣出發(fā)將一個 m維的隨機向量 X分解成低于 m個且有代表性的公因子和一個特殊的 m維向量，使其公因子數(shù)取得最佳的個數(shù)為 4個，再結合地質(zhì)學及環(huán)境污染研究分析出土壤重金屬污染的主要來源有四個方面，即：工礦企業(yè)污染源，燃煤污染源，交通污染源，居民生活污染源等。第三問中，我們運用克立格法，有效的解決稀疏數(shù)據(jù)無法給出合理理論變異函數(shù)的問題，滿足二階平穩(wěn)和本征假設，選取組 n個已知樣品V(xi)，進行估計從而目標是要找出一組權重系數(shù) i(i=n1,2,., )，根據(jù)公式計算畫圖確定了污染源的位置。第四問，結合實際數(shù)據(jù)，考慮到所建立的模型的不足之處，我們認為為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，還應收集該地區(qū)的每年生活、工業(yè)等重要污染源的垃圾排放量，以及每年的生物降解量，降雨量對重金屬元素擴散的影響，空氣污染也應該考慮進去。有了這些數(shù)據(jù)以后可建立因子分析法，回歸分析，曲線擬合等模型解決問題。作品撰寫的目的和基本思路近年來，我國土壤污染問題日益突出，土壤環(huán)境面臨著由持久性有機污染物、重金屬、農(nóng)藥等污染物所帶來的前所未有的壓力。為解決這一問題，本文通過分析重金屬污染物在各區(qū)的濃度分布，獲得8種主要重金屬元素在城區(qū)的空間分布，并運用地累積指數(shù)法分析了城區(qū)內(nèi)不同區(qū)的重金屬污染物的污染程度；通過因子分析法確定污染源；并通過克立格法計算出污染源的位置；旨在保護環(huán)境，提高土壤的環(huán)境質(zhì)量。作品的科學性、先進性及獨特之處模型一：surfer 8.0和 Matlab7.5畫出的圖形較直觀對比性強，問題結果一目了然；地質(zhì)累積指數(shù)法能夠比較簡捷明確地計算出 8種重金屬元素的污染程度。模型二：因子分析法便于操作，未對因子分析模型和理論特別是小樣本因子分析模型漏掉了方差貢獻小的公共因子、沒有除去零方差的特殊因子等情形進行討論和說明，因此因子分析在成因、來源問題研究上是一種非常有效的數(shù)學方法。模型三：這種估計比其他傳統(tǒng)的估計方法更精確、更符合實際，并且避免了系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)，給出估計誤差和精度。作品的實際應用價值和現(xiàn)實意義本文通過分析計算所給數(shù)據(jù)運用恰當?shù)姆椒軌蜉^好的求出城市重金屬元素的污染程度、污染來源、以及確定污染源位置，能夠較好的應用于實際生產(chǎn)生活中。本文所用方法還能運用于實際生活的各類污染來源的判別，環(huán)境樣品的分類，監(jiān)測點的優(yōu)化及污染物組分的測定。作品引用的參考文獻【1】周秀艷.王恩德.遼東灣潮間帶底質(zhì)重金屬污染地累積指數(shù)評價J.安全與環(huán)境學報,2004.4(2)：22-24.【2】王雄軍.賴健清.魯艷紅.李德勝.周繼華.王建武.基于因子分析法研究太原市土壤重金屬污染的主要來源J.2008.2.【3】吳新民.潘根興.影響城市土壤重金屬污染因子的關聯(lián)度分析J.土壤學報.2003. 40(6): 921-927.【4】劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計與應用（第二版）M.高等教育出版社.2009.2.【5】Addison.surfer 8.0初學者手冊M.2003.05.21【6】夏增祿.北京地區(qū)重金屬在土壤中的縱向分布和遷移J.環(huán)境科學學報，1985,5(1)：105112.【7】符建榮.土壤中鉛的積累及污染的農(nóng)業(yè)防治J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，1993，12(5):223一 226.【8】張甘霖.城市土壤的生態(tài)服務功能演變與城市環(huán)境保護J.科技導報， 2005，23(3):16一 19.【9】王政權.地統(tǒng)計學及在生態(tài)學中的應用M.科學出版社.1999作品在何時、何地、何種機構舉行的會議上或報刊上發(fā)表及所獲獎勵本文在2011年全國大學生數(shù)學建模競賽中獲湖南省二等獎，并在答辯賽中由專家審核通過。二、作品的評定指導老師評語（請對作品的選題意義；技術水平；適用范圍；推廣前景；所有資料、實驗結果和計算數(shù)據(jù)的可靠性；論文的創(chuàng)造性成果；寫作規(guī)范化、邏輯性及論文的不足之處作出評價）優(yōu)秀（ ） 良好（ ） 合格（ ）