A題城市土壤重金屬污染分析資料

1、A題 城市表層土壤重金屬污染分析摘要本文針對(duì)重金屬對(duì)城市土壤的污染問題，將題目給出的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理，并對(duì)該城市的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量作出準(zhǔn)確評(píng)估，建立以下模型。針對(duì)問題一重金屬在該城區(qū)的空間分布問題，用繪制了該城區(qū)的地形曲面圖及各種金屬元素在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)濃度的三維曲面圖及各功能區(qū)分布圖。引入單因子污染指數(shù)，用來評(píng)價(jià)土壤中某一種金屬元素富集度和污染等級(jí)。計(jì)算公式為：，根據(jù) 的范圍確定各種重金屬在此區(qū)域污染等級(jí)，再引入內(nèi)梅羅污染指數(shù)，評(píng)價(jià)土壤重金屬的復(fù)合污染狀況，計(jì)算公式為：P=，求的五個(gè)區(qū)的綜合污染指數(shù)，用Excel繪出柱狀圖觀察五個(gè)區(qū)重金屬的污染程度，五個(gè)取得污染程度由輕到重如下：山區(qū)、公園綠地區(qū)、生

2、活區(qū)、主干道區(qū)、工業(yè)區(qū)。對(duì)于問題二，通過分析單因子污染指數(shù)，把各種重金屬污染的等級(jí)所占區(qū)域的比例制成表格，結(jié)合查詢重金屬污染物的來源，分析出不同區(qū)域重金屬污染的主要原因。在問題三中，重金屬污染物不可降解，其傳播特征為：可通過河流、自然沉降、雨水滲漏、大氣進(jìn)行傳播，具有富集性。為確定污染源的問題，用重心法建立模型，公式如下：，通過整理表格中的數(shù)據(jù)得到各個(gè)重金屬污染物的的污染源。結(jié)果如下：As ，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn。關(guān)鍵詞：地形曲面圖 單因子污染指數(shù) 內(nèi)梅羅污染指數(shù) 重心法一、問題的重述隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。以研究人

3、類活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式顯得尤為重要。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。對(duì)某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。附件1列出了采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)等信息，附件2列出了8種主要重金屬元素在采樣點(diǎn)處的濃度，附件3列出了8種主要重金屬元素的背景值?，F(xiàn)要求通過數(shù)學(xué)建模來完成以下任務(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) 通過數(shù)據(jù)分析，說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，由此建立模型，確定

4、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題？二、問題分析本題問題一要求給出重金屬元素的空間分布，可知需要借助matlab（1）軟件繪出此地的空間地形圖、區(qū)域分布圖和八種重金屬的污染分布圖，接著對(duì)題目給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域分類，通過引入單因子指數(shù)分別對(duì)五個(gè)區(qū)域的污染程度進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)合觀察圖像，分析不同區(qū)域污染的單種重金屬污染程度，然后再引入內(nèi)梅羅污染指數(shù)，以P值評(píng)定綜合污染程度，得到不同區(qū)域重金屬的綜合污染程度。而問題二中的污染原因則可以通過統(tǒng)計(jì)不同重金屬在某一區(qū)域觀測(cè)值中各個(gè)污染等級(jí)占整個(gè)區(qū)域的比重來確

5、定，并查找相關(guān)重金屬污染的因素，進(jìn)而分析不同區(qū)域重金屬污染的原因。對(duì)與問題三，重金屬的傳播特征可以通過大氣，通過河流，或者地下水的滲漏。使污染以污染源為中心向四周擴(kuò)散并且離污染源越遠(yuǎn)污染的程度就越小。已知探測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)和探測(cè)數(shù)據(jù)，可用重心法建立模型，求出污染源的位置。 三 模型假設(shè)1.假設(shè)問題二只考慮題中這八種金屬，不考慮其它金屬。2.假設(shè)各地區(qū)重金屬分布穩(wěn)定，污染源排放量不變。 3.所有附件數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。 4.不考慮植物、水對(duì)重金屬的吸收。四.符號(hào)說明重心x的坐標(biāo)重心y的坐標(biāo)：第i個(gè)地點(diǎn)的x坐標(biāo)：第i個(gè)地點(diǎn)的y坐標(biāo)：第i個(gè)地點(diǎn)的污染量：第i個(gè)地點(diǎn)的單因子污染指數(shù)：某一區(qū)域的綜合污染指數(shù)五、模型

6、的建立與求解1.模型一首先利用matlab畫出地形曲面圖。給出的原始數(shù)據(jù)用對(duì)功能區(qū)進(jìn)行排序，用繪出城區(qū)的地形曲面圖（圖1）及8種重金屬的空間分布（圖2-9），如下所示圖1小圖案代表區(qū)域代碼如下：（x1,y1,z1,'b*',x2,y2,z2,'go',x3,y3,z3,'msquare',x4,y4,z4,'wdiamond',x5,y5,z5,'k<'） 圖二 砷 圖三 鎘圖四 鉻 圖五 銅 圖六 汞 圖七 鎳 圖八 鉛 圖九 鋅 將圖1分別與圖3-1,3-2,3-3,3-4,3-5,3-6,3-7,3-8

7、相比較得出、在一區(qū)的污染最嚴(yán)重，Cu、 Cd、在二區(qū)的污染最嚴(yán)重， 在四區(qū)污染較嚴(yán)重。2.模型二：引入單因子污染指數(shù)。如下：1無污染 12表示輕度污染 23表示中度污染 34表示重度污染表一 重金屬在不同功能區(qū)的污染程度元素 區(qū)域 一區(qū) 二區(qū)等級(jí)As0.3180.6360.04500.3890.5280.0280.06Cd0.2730.5450.1140.0680.1390.4440.2780.139Cr0.5450.3860.0230.0450.5830.38900.028Cu0.2050.4090.1360.250.0560.4170.1390.389Hg0.4320.2950.0680.

8、2050.3060.1940.1110.389Ni0.7270.273000.5830.3890.0280Pb0.4090.3640.1590.0680.1940.50.1670.139Zn0.3860.3180.1140.1820.2220.3610.2220.194元素 區(qū)域 三區(qū) 四區(qū)等級(jí)As0.8330.1670.01500.50.4800.022Cd0.7420.2270.03000.2320.4350.1810.152Cr0.7730.21200.0150.6380.3190.0140.029Cu0.7270.2420.0150.0150.1740.3260.2170.283Hg0

9、.7580.22700.0150.4640.2170.1010.217Ni0.8030.1670.0150.0150.7830.2590.0090.009Pb0.7880.1820.0300.3260.4640.1740.036Zn0.8640.1210.01500.2830.3700.1450.203 元素 區(qū)域 五區(qū)等級(jí)As0.2570.7140.0290Cd0.4570.3430.1140.086Cr0.7430.25700Cu0.3140.62900.057Hg0.4860.2290.1710.114Ni0.8570.14300Pb0.60.2290.0860.086Zn0.5140.

10、3710.0290.086各個(gè)功能區(qū)的綜合污染指數(shù)：P= 一到五區(qū)的綜合污染指數(shù)如下圖：由此可知五個(gè)取得污染程度由輕到重如下：山區(qū)、公園綠地區(qū)、生活區(qū)、主干道區(qū)、工業(yè)區(qū)。對(duì)于問題二，進(jìn)一步通過上述模型中的圖像、表格與結(jié)果分析重金屬污染的原因：重金屬污染與人類活動(dòng)有密切關(guān)系，生活區(qū)的污染應(yīng)該是因?yàn)橐恍┥顓^(qū)散布于工業(yè)區(qū)之間，工業(yè)造成的污染影響到生活區(qū)，并且由于生活區(qū)的垃圾堆放，也會(huì)使金屬污染超標(biāo)。生活區(qū)主要污染原因?yàn)椋喝藢?duì)生活垃圾的隨意丟棄，例如廢棄電池中含有大量的鎳，隨時(shí)間變化會(huì)滲透到土壤中，生活區(qū)燃煤量大也是導(dǎo)致該區(qū)砷含量較多的一大原因。工業(yè)區(qū)污染最嚴(yán)重是由于工業(yè)品的生產(chǎn)需要礦石等富含重金屬

11、的原料，而且Hg、Pb等重金屬具有富集性，不可降解，故該區(qū)污染最為嚴(yán)重山區(qū)的污染很小，與背景值相差不多，主要因?yàn)榇颂幧偃祟惢顒?dòng)。主干道路區(qū)Cd污染最突出，因?yàn)槠囕喬サ哪p ，尾氣的排放都是引起該金屬過多的原因。公園綠地區(qū)的污染較輕，因?yàn)槿藗兌紝⒋俗鳛樾蓍e場(chǎng)所，無形中會(huì)對(duì)這里的環(huán)境有所保護(hù)，減少了破壞。3.模型三：水體中的重金屬在具有不可降解性，會(huì)發(fā)生各種形態(tài)的轉(zhuǎn)化和分散，會(huì)隨水體的流動(dòng)而遷移，富集；大氣中的重金屬多來自于工業(yè)生產(chǎn)，汽車尾氣排放等，它們多通過自然沉降和雨淋進(jìn)入土壤，故工廠周圍的重金屬含量一般比較多。特別的汞還易與土壤中的粘土礦物和有機(jī)物結(jié)合富集于土壤表層。為找到重金屬污染源，對(duì)

12、重金屬污染進(jìn)行有效治理，建立以下源點(diǎn)尋求模型污染源位置的確定用重心法（3），在坐標(biāo)系中標(biāo)出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)，確定各點(diǎn)間相對(duì)位置，建立笛卡爾坐標(biāo)系，然后據(jù)各測(cè)量點(diǎn)在坐標(biāo)系中的橫縱坐標(biāo)值求出重金屬濃度最高點(diǎn)的位置坐標(biāo)。重心法公式： 重心的x坐標(biāo)；重心的y坐標(biāo)；第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的x坐標(biāo)；第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的y坐標(biāo)；第i個(gè)測(cè)點(diǎn)重金屬濃度。求出的坐標(biāo)即為各種重金屬的污染源，結(jié)果如下：As ，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn。4.優(yōu)點(diǎn)：（1）源點(diǎn)尋求模型用簡(jiǎn)單的重心法找到了重金屬濃度最高的點(diǎn)即污染源。（2）某幾種可能來自于同一污染源的重金屬能夠明顯看出。（3）簡(jiǎn)單、易于理解。缺點(diǎn)：（1）一種元素可能來自于多個(gè)污

13、染源，該模型僅給出了最可能的一個(gè)（2）該模型忽略了重金屬可能有外源輸入的情況。為更好的研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，應(yīng)該記錄不同時(shí)段同一地點(diǎn)某一重金屬的含量，建立動(dòng)態(tài)模型，模擬重金屬擴(kuò)散隨時(shí)間遷移的變換，更好的預(yù)測(cè)出以后時(shí)間段內(nèi)重金屬的變化情況，為污染治理提供方便。 六 模型評(píng)價(jià)本文設(shè)計(jì)的模型是比較清楚明了的，通過matlab繪制三維曲面圖，然后根據(jù)圖形觀測(cè)出各區(qū)域內(nèi)各種重金屬的濃度，并以此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。但是，此模型是在有部分因素沒有考慮的情況下設(shè)計(jì)的，例如工業(yè)區(qū)重金屬排放量不是持續(xù)在一定水平不變的，而是有波動(dòng)的。而且，風(fēng)、雨等各種自然環(huán)境對(duì)重金屬的濃度會(huì)長(zhǎng)生一定的影響。此模型是在完全理想的條件

14、下進(jìn)行的，沒考慮地下10cm以下的重金屬濃度的情況。要想使模型變得更上一層樓，就得再把一些細(xì)微的因素考慮進(jìn)去，這些是我們需要改進(jìn)的。七 參考文獻(xiàn)1 王正林，劉明，優(yōu)精通MATLAB7，北京：電子工業(yè)出版社，2008.62 李志林，歐宜貴 ，數(shù)學(xué)建模及典型案例分析，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.123 李忠定，王雅茹 ，高等數(shù)學(xué)，北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.8附錄曲面地形圖程序：A=74 781 5 41373 731 11 41321 1791 28 40 1787 4 21049 2127 12 41647 2728 6 22883 3617 15 42383 3692 7 22708

15、 2295 22 42933 1767 7 44233 895 6 54043 1895 14 12427 3971 2 13526 4357 7 45062 4339 5 44777 4897 8 15868 4904 16 46534 5641 6 15481 6004 0 44592 4603 6 12486 5999 2 13299 6018 4 43573 6213 5 14741 6434 5 55375 8643 15 15635 7965 29 45394 8631 12 45291 7349 10 44742 7293 9 24948 7293 6 25567 6782 7

16、27004 6226 11 47304 5230 10 17048 4600 24 48180 4496 15 49328 4311 24 19090 5365 20 48049 5439 18 48077 6401 29 18017 7210 39 46869 7286 18 47056 8348 37 17747 8260 49 48457 8991 21 49460 8311 45 49062 7639 45 49319 6799 49 410631 6472 57 410685 5528 34 410643 4472 45 411702 4480 71 411730 5532 54 4

17、11482 6354 61 410700 8184 50 410630 8774 29 411678 8618 17 411902 7709 30 413244 7056 37 412746 8450 21 412855 8945 18 413797 9621 18 414325 8666 23 315467 8658 17 112442 4329 65 413093 4339 56 413920 5354 79 414844 5519 62 116569 6055 78 116387 6609 44 516061 7352 28 515658 7594 24 414298 7418 36 1

18、14177 6684 35 415092 6936 32 512778 5799 93 417044 10691 93 317087 11933 43 417075 12924 25 417962 12823 25 418413 11721 88 319007 11488 84 318738 10921 53 317814 10707 64 418134 10046 41 417198 9810 37 417144 9081 20 418393 9183 26 419767 8810 46 421006 8819 55 421091 9482 43 422846 9149 69 423664

19、9790 46 322304 10527 40 421418 10721 35 121439 11383 45 420554 11228 43 420101 10774 40 421072 10404 32 420215 9951 31 418993 12371 78 319968 12961 42 321766 12348 67 422674 12173 52 222535 11293 54 325221 5795 27 426453 5577 11 126416 6508 14 127816 5581 11 325361 6423 49 324065 7353 104 325998 703

20、2 51 327177 7771 17 326424 8639 8 426073 8807 38 324631 9422 76 324702 9522 62 325461 9834 68 324813 10799 46 426086 11094 53 326015 12078 57 327700 11609 165 327696 11621 169 327346 13331 100 326591 13715 126 327823 14737 189 327232 14482 150 324580 13319 107 324153 12450 71 322965 13535 78 323198

21、13523 62 424685 14278 98 328654 8755 23 324003 15286 90 321684 13101 114 322193 12185 79 317079 5894 81 315255 5110 110 315007 5535 70 33518 2571 59 53469 2308 52 53762 2170 30 53927 2110 27 54153 2299 73 53267 793 0 54684 1364 37 55495 1205 9 55664 1653 13 55541 2093 26 55451 2757 92 54020 2990 27

22、44026 3913 13 45101 4080 13 15438 3994 10 25382 3012 50 15314 2060 40 45503 1127 6 15636 133 17 16605 374 6 17093 1381 45 47100 2449 89 46837 3490 28 47906 3978 22 48045 3052 39 48394 2035 27 48403 1075 6 48079 0 16 49663 1288 3 49469 2286 15 49178 3299 42 49095 3975 26 410225 3821 19 410210 2789 19

23、 410340 1764 7 411557 1581 7 411415 2585 12 411649 3515 27 112734 4015 43 212696 3024 27 412400 2060 13 412591 1063 18 113765 1353 15 413694 2357 33 413855 3345 79 114862 2524 28 114896 1603 4 215387 729 8 115810 2307 8 116032 3061 35 415801 3966 115 315087 3512 69 516872 2798 10 417734 3629 14 4168

24、23 4207 67 517008 4775 82 317203 6218 40 117005 7212 33 416947 7487 41 216301 8299 24 117904 8287 25 118303 7385 39 518438 6539 22 418556 5588 15 518954 4874 4 418012 4414 20 419072 8519 36 420282 8590 57 421475 8540 85 321450 7555 58 420261 7586 29 319569 7348 70 319411 6934 28 319501 6091 9 420582

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