科技創(chuàng)新數(shù)學(xué)建模獲獎(jiǎng)作品.doc

項(xiàng)目編號(hào) 衡陽師范學(xué)院第十二屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽作 品 申 報(bào) 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(xué)與計(jì)算科學(xué)系 作者姓名： 陳冰卿 聯(lián)系電話:項(xiàng)目類別:自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文科技發(fā)明制作二一一年九月一、申報(bào)作品情況申報(bào)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(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)年 級(jí)2009級(jí)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(xué)類學(xué)術(shù)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(xué)于計(jì)算科學(xué)系信息與計(jì)算科學(xué)陳蒼女20數(shù)學(xué)于計(jì)算科學(xué)系數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)指導(dǎo)老師姓名工作單位稱謂魏繼東衡陽師范學(xué)院副教授作品摘要近年來，我國(guó)土壤污染問題日益突出，土壤環(huán)境面臨著由持久性有機(jī)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(dòng)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(hù)環(huán)境，提高土壤的環(huán)境質(zhì)量。本文研究了采樣點(diǎn)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(diǎn)的分布圖和各城區(qū)的劃分圖，兩兩對(duì)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(qiáng)等級(jí)污染，Hg元素為強(qiáng)污染；山區(qū)（3區(qū)）除Hg元素存在輕中等污染外，其他元素?zé)o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(qiáng)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(yùn)用Matlab等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從變量的相關(guān)矩陣出發(fā)將一個(gè) m維的隨機(jī)向量 X分解成低于 m個(gè)且有代表性的公因子和一個(gè)特殊的 m維向量，使其公因子數(shù)取得最佳的個(gè)數(shù)為 4個(gè)，再結(jié)合地質(zhì)學(xué)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(gè)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(yùn)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(shè)，選取組 n個(gè)已知樣品V(xi)，進(jìn)行估計(jì)從而目標(biāo)是要找出一組權(quán)重系數(shù) i(i=n1,2,., )，根據(jù)公式計(jì)算畫圖確定了污染源的位置。第四問，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，考慮到所建立的模型的不足之處，我們認(rèn)為為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，還應(yīng)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(duì)重金屬元素?cái)U(kuò)散的影響，空氣污染也應(yīng)該考慮進(jìn)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(guó)土壤污染問題日益突出，土壤環(huán)境面臨著由持久性有機(jī)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(yùn)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(jì)算出污染源的位置；旨在保護(hù)環(huán)境，提高土壤的環(huán)境質(zhì)量。作品的科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處模型一：surfer 8.0和 Matlab7.5畫出的圖形較直觀對(duì)比性強(qiáng)，問題結(jié)果一目了然；地質(zhì)累積指數(shù)法能夠比較簡(jiǎn)捷明確地計(jì)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(duì)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(xiàn)小的公共因子、沒有除去零方差的特殊因子等情形進(jìn)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(xué)方法。模型三：這種估計(jì)比其他傳統(tǒng)的估計(jì)方法更精確、更符合實(shí)際，并且避免了系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)，給出估計(jì)誤差和精度。作品的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義本文通過分析計(jì)算所給數(shù)據(jù)運(yùn)用恰當(dāng)?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(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中。本文所用方法還能運(yùn)用于實(shí)際生活的各類污染來源的判別，環(huán)境樣品的分類，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化及污染物組分的測(cè)定。作品引用的參考文獻(xiàn)【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(píng)價(jià)J.安全與環(huán)境學(xué)報(bào),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(guān)聯(lián)度分析J.土壤學(xué)報(bào).2003. 40(6): 921-927.【4】劉衛(wèi)國(guó).MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版）M.高等教育出版社.2009.2.【5】Addison.surfer 8.0初學(xué)者手冊(cè)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(xué)學(xué)報(bào)，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(hù)，1993，12(5):223一 226.【8】張甘霖.城市土壤的生態(tài)服務(wù)功能演變與城市環(huán)境保護(hù)J.科技導(dǎo)報(bào)， 2005，23(3):16一 19.【9】王政權(quán).地統(tǒng)計(jì)學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用M.科學(xué)出版社.1999作品在何時(shí)、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的會(huì)議上或報(bào)刊上發(fā)表及所獲獎(jiǎng)勵(lì)本文在2011年全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽中獲湖南省二等獎(jiǎng)，并在答辯賽中由專家審核通過。二、作品的評(píng)定指導(dǎo)老師評(píng)語（請(qǐng)對(duì)作品的選題意義；技術(shù)水平；適用范圍；推廣前景；所有資料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)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(píng)價(jià)）優(yōu)秀（ ） 良好（ ） 合格（ ）