格式范文 重金屬對城區(qū)土地污染的研究(共20頁)

1、PAGE PAGE 23一級標(biāo)題用四號黑體字，居中。題目三號黑體字，居中。重金屬對城區(qū)土地(td)污染的研究摘 要人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量影響日益顯著，如何有效利用海量(hiling)數(shù)據(jù)開展城市環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，有著重要的意義。本文通過分析城區(qū)五類功能區(qū)的樣本數(shù)據(jù)集，結(jié)合散點(diǎn)圖、等值線圖建立了動態(tài)加權(quán)綜合評價(jià)模型(mxng)和負(fù)梯度迭代逼近模型，解決了重金屬污染空間分布問題，求得了城區(qū)污染程度評價(jià)以及重金屬污染源的快速求解算法。內(nèi)容為小四號宋體字，行距為單倍。問題一中首先繪制功能區(qū)散點(diǎn)圖,然后用Kriging插值法畫出了重金屬元素濃度等值線圖,從定性和定量的角度討論了重金屬元素在城區(qū)的分布。結(jié)論是

2、：As、Cd和Hg主要分布在工業(yè)區(qū)和主干道區(qū)； Pb主要分布在工業(yè)區(qū)和生活區(qū)；Cr和Cu在主干道區(qū)分布均較大， Cr在生活區(qū)較密集，Cu在工業(yè)區(qū)密集；Ni和Zn分布較均勻，但Ni元素在公園綠地區(qū)分布稀疏，Zn元素在山區(qū)分布稀疏。最后采用動態(tài)加權(quán)綜合評價(jià)模型：得到五類功能區(qū)重金屬污染程度的排序：污染程度由高到低依次是主干道路區(qū)、工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、公園綠地區(qū)、山區(qū)。問題二中采用主成分分析、相關(guān)性分析方法并結(jié)合重金屬污染源在人為活動、企業(yè)活動等中的實(shí)際來源分析該城區(qū)重金屬污染的主要原因：重金屬污染主要來源于工業(yè)因素和人為活動因素，以及工業(yè)因素對人為活動區(qū)的影響。問題三中通過相關(guān)性分析，歸結(jié)為As、Hg

3、、Zn、Pb、Ni五種相關(guān)性不高的重金屬污染源，結(jié)合重金屬污染物濃度等值圖，確定出每種元素污染源點(diǎn)個(gè)數(shù)及每個(gè)污染源的搜索范圍后，在每一范圍內(nèi)采用負(fù)梯度迭代逼近法，最終確定出造成五種重金屬污染的12個(gè)污染源點(diǎn)如下表: 元素污染源1污染源2污染源3污染源4As（9183,16285）（20145,10439）（5682,8761）Ni（3541,5753）（21428,11051）Pb（4921,8348）Zn（3013,5652）（8623,3560）Hg（4091,2070）（4309,6352）（12971,2168）（22844,10130）在改進(jìn)方案中，做F等值線圖對這十二個(gè)源進(jìn)行綜合，

4、運(yùn)用同樣方法得到三個(gè)源：（3463,1338），（13296,3679），（13454,11846）。問題四中考慮地質(zhì)因素，若能采集到該地區(qū)前50年重金屬的平均濃度，則在合適的假設(shè)下可以建立以采集點(diǎn)的空間坐標(biāo)和時(shí)間為輸入，以重金屬在該時(shí)刻的精確濃度為輸出訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并預(yù)測未來數(shù)年內(nèi)重金屬在觀測點(diǎn)的濃度，從而得到地質(zhì)演變模式。關(guān)鍵詞：Kriging插值法 負(fù)梯度 主成分分析法 動態(tài)加權(quán) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵詞用小四號黑體字，左端對齊。一級標(biāo)題用四號黑體字，居中。一、問題(wnt)重述人類對城市環(huán)境的影響日益凸顯，如何利用獲取的海量數(shù)據(jù)資料開展城市環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，從而有效控制污染源的傳播，已成為(c

5、hngwi)非常重要的課題。特別是研究人類活動影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。一般來說，城市按功能區(qū)分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、主干道區(qū)、公園綠地和山區(qū)五個(gè)功能區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境(q y hun jn)受人類活動影響的程度不同，所含的八種主要重金屬濃度也不同。以重金屬污染為出發(fā)點(diǎn)，我們利用數(shù)學(xué)模型來完成下面四個(gè)目標(biāo)：（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，確定污染源的位置。按順序表示參考文獻(xiàn)。（4）分析所建立模型的優(yōu)缺點(diǎn)，為更好地研究城市地

6、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，人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。所以根據(jù)對城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證1（p223-228），以及應(yīng)用查證獲得的土壤中重金屬含量的海量數(shù)據(jù)資料分析城市的污染程度，污染主要原因，污染源的確定以及開展城市環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，研究人類活動影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，變的越來越有意義。內(nèi)容為小四號宋體字，行距為單倍。首先，分析八種重金屬元素的空間分布，通過繪制五種功能區(qū)分布散點(diǎn)圖，以及每種重金屬元素的濃度等值線圖，通過比對它們的分布特征，對八種重金屬的分布以及功能區(qū)關(guān)系定性的

7、認(rèn)識，然后根據(jù)均方誤定量的分析了元素的空間分布，與定性分析一致，從而更加驗(yàn)證了重金屬元素的空間分布；然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行一致化、規(guī)范化。建立動態(tài)加權(quán)綜合評價(jià)模型，通過正態(tài)極大加權(quán)，得到各種元素對五個(gè)區(qū)的污染權(quán)重，即綜合各種元素得出五類功能區(qū)重金屬的污染程度。其次，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，確定兩個(gè)主成分和，并且確定出各元素對兩主成分的貢獻(xiàn)率大小，然后再綜合兩主成分得到一個(gè)綜合評價(jià)指標(biāo)。接著對重金屬元素的相關(guān)性進(jìn)行了分析，對相關(guān)性較強(qiáng)的元素認(rèn)為來自同一污染源。最后綜合主成分分析和相關(guān)性分析，并結(jié)合搜集到的資料及聯(lián)系五類功能區(qū)的功能給出重金屬污染的主要原因。然后，根據(jù)主成分分析、相關(guān)性分析的相關(guān)系數(shù)，以

8、及文獻(xiàn)資料，確定了需要單獨(dú)計(jì)算污染源的五種重金屬元素；接著在計(jì)算每種重金屬元素的污染源時(shí)，根據(jù)每種重金屬元素濃度等值曲線輪廓，確定出每種重金屬元素的污染源個(gè)數(shù)；在每個(gè)污染源的小范圍區(qū)域內(nèi)，選定起始迭代點(diǎn)和參考點(diǎn)數(shù)，然后將其在空間的位置投影到平面內(nèi)，再將平面上的點(diǎn)投影到坐標(biāo)軸上，然后根據(jù)負(fù)梯度方向逐步迭代，最后確定出污染源所在兩個(gè)點(diǎn)的矩形區(qū)域，根據(jù)濃度反比例關(guān)系計(jì)算出污染源具體的坐標(biāo)位置。依此方法確定出個(gè)元素的污染源位置。最后，針對以上所建立的數(shù)學(xué)模型，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)的方向。對地質(zhì)環(huán)境的演變模式，我們收集前50年的采集點(diǎn)的重金屬濃度數(shù)據(jù)建立并訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并預(yù)測未來數(shù)

9、年該地區(qū)重金屬的濃度。從而縱向建立地質(zhì)環(huán)境的演變模型。三、模型(mxng)假設(shè)1.假設(shè)(jish)所研究的金屬在自然界中以較穩(wěn)定的狀態(tài)存在(cnzi)，且不與其他物質(zhì)反應(yīng)。2.假設(shè)題目中給出的采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)是正確的。3.假設(shè)重金屬等值曲線值高和密集的地方是污染源的存在范圍。4.假設(shè)所研究城市的土質(zhì)是均勻的。5.假設(shè)樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)對于污染源的確定是足夠的。6.假設(shè)通過公眾渠道搜索的資源是真實(shí)可靠的。7.假設(shè)區(qū)域變化量的增量滿足本征假設(shè)。四、符號說明第個(gè)區(qū)第種金屬的均方誤第個(gè)區(qū)第種金屬第個(gè)超過背景值的金屬濃度第種金屬的背景值金屬在采樣點(diǎn)中第超過背景值的個(gè)數(shù)綜合評價(jià)指數(shù)主成分的特征值金屬濃度差單位特征向

10、量第種金屬的動態(tài)權(quán)值動態(tài)加權(quán)函數(shù)值第一主成分第二主成分二級、三級標(biāo)題用小四號黑體字，左端對齊。五、模型(mxng)的建立及求解(qi ji)（一）重金屬元素(yun s)空間分布分析 1. 重金屬元素空間分布定性分析首先，據(jù)采樣點(diǎn)橫縱坐標(biāo)及功能區(qū)類型，由MATLAB的plot函數(shù)繪出功能區(qū)分布情況如圖1所示：圖1 五大功能區(qū)平面分布圖 由于城市范圍較大，采樣點(diǎn)較少，比較散亂，為了較準(zhǔn)確的分析重金屬的空間分布，需要知道較多的點(diǎn)。故在此考慮用插值的方法得到更多的點(diǎn)。Kriging插值的方法，考慮了待估點(diǎn)的位置與已知數(shù)據(jù)位置的相互關(guān)系和變量的空間相關(guān)性,是在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無偏、最優(yōu)

11、估計(jì)的插值方法。結(jié)合海拔高度對土壤養(yǎng)分進(jìn)行插值時(shí)：首先將所有采樣點(diǎn)訂正到同一海拔高度， 此時(shí)土壤養(yǎng)分可以被認(rèn)為是一個(gè)純隨機(jī)變量, 然后采用普通Kriging法進(jìn)行插值。 訂正方法如下:。式中: 為采樣點(diǎn)濃度訂正值, a 為土壤養(yǎng)分隨海拔高度的變化率, 為采樣點(diǎn)海拔高度,為采樣點(diǎn)中最低海拔, 為該采樣點(diǎn)的實(shí)測值。然后進(jìn)行Kriging差值：普通Kriging插值原理：設(shè)某一重金屬元素，設(shè)為重金屬濃度變量。設(shè)其在采樣點(diǎn)上的觀測值為。區(qū)域中的某個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的估計(jì)值可用一個(gè)線性組合來估計(jì)，即 上式中：為加權(quán)系數(shù)。因?yàn)榍蛐文Ｐ偷淖儾詈瘮?shù)具有廣泛的適用性。故在此我們用球形模型作為變差函數(shù)： 其中為基臺值，為變

12、程，為滯后距。Kriging方程組：式中： 為之間的變差函數(shù)(hnsh)值，為拉格朗日常(rchng)數(shù)。上述(shngsh)普通Kriging方程組的矩陣形式為：, ， 則有：。然后按(1)則可算出待估點(diǎn)的金屬濃度值?？梢杂胁蕡D，但文字不能是彩色的。按上述原理，用surfer軟件按照克里金插值法畫出各重金屬的濃度等值線圖為圖29：圖29 各重金屬的空間(kngjin)分布圖將功能區(qū)分布圖與重金屬濃度等值圖比較(bjio)，可以初步得到如下結(jié)論：As的濃度等值線分布相對均勻(jnyn)，部分工業(yè)區(qū)等值線密集，體現(xiàn)出工業(yè)生產(chǎn)對As可能產(chǎn)生一定影響；Cd元素、Hg元素在主干道密集區(qū)以及工業(yè)密集區(qū)等

13、值線密集，反映出工業(yè)生產(chǎn)和主干道交通可能對Cd元素和Hg元素的傳播有較大影響；Cr元素和Cu元素在工業(yè)區(qū)與生活區(qū)密集交叉處等值線變化較大，說明主干交通和生活排污可能對這兩種元素的傳播有一定的影響；Ni元素和Zn元素等值線分布相對均勻，表明人類活動對Ni元素和Zn元素的傳播可能并無太大影響或影響程度相當(dāng)；Pb元素的等值線除部分工業(yè)密集區(qū)外基本成帶狀分布，說明工業(yè)活動及道路交通對其傳播有顯著影響。2. 重金屬元素空間分布定量分析為定量衡量每一種重金屬元素在五類功能區(qū)分布情況，先定義均方誤如下: 其中表示第個(gè)區(qū)第種金屬的均方誤，表示第個(gè)區(qū)第種金屬第個(gè)超過背景值的金屬濃度，表示第種金屬的背景值，表示第

14、種金屬在采樣點(diǎn)中超過背景值的個(gè)數(shù)?？傻糜?jì)算結(jié)果如表1所示：均方誤生活區(qū)工業(yè)區(qū)山區(qū)主干道區(qū)公園綠地區(qū)As3.625.972.644.203.53Cd263.51362.48106.71355.21304.05Cr118.7454.335.3391.1119.61Cu60.42430.8415.28130.3728.91Hg141.512472.6436.992693.36289.82Ni8.9212.1214.9114.126.49Pb87.17104.5725.9649.0155.68Zn498.81409.8542.10447.68287.39表1 重金屬在各區(qū)的均方誤從表中可見，As元素、

15、Cd元素和Hg元素主要分布在工業(yè)區(qū)和主干道區(qū)； Pb元素主要分布在工業(yè)區(qū)和生活區(qū)；Cr元素和Cu元素在主干道區(qū)分布均較大，而Cr元素在生活區(qū)較密集，Cu元素在工業(yè)區(qū)密集；Ni元素和Zn元素分布較均勻，但Ni元素在公園綠地區(qū)分布稀疏，Zn元素在山區(qū)分布稀疏，與定性結(jié)果分析一致。為進(jìn)一步了解重金屬污染物在各功能區(qū)分布，計(jì)算各功能區(qū)每一重金屬污染物的平均值并與背景值比較，結(jié)果如圖10-14所示： 圖10-圖14（二）不同區(qū)域(qy)重金屬污染程度定量評價(jià)以八種重金屬污染物濃度(nngd)為評價(jià)要素建立綜合評價(jià)模型，具體步驟如下：第一步：數(shù)據(jù)(shj)一致化。一般來說，評價(jià)指標(biāo)中可能包含極大型、極小型

16、、中間型等不同類型的數(shù)據(jù)，這時(shí)需要將它們一致化。我們這次研究的重金屬元素都是極小型的指標(biāo)，所以不需要將其一致化。第二步：數(shù)據(jù)規(guī)范化。在不同的評級指標(biāo)之間往往都存在不同的單位和數(shù)量級，使得這些指標(biāo)之間存在著不可公度性，這就為綜合評價(jià)帶來了困擾，尤其是為綜合評價(jià)指標(biāo)建立和依據(jù)這個(gè)指標(biāo)的大小排序產(chǎn)生不合理性。如果不對這些指標(biāo)做相應(yīng)的無量綱處理，則在綜合評價(jià)過程中就會出現(xiàn)“大數(shù)吃小數(shù)”的錯(cuò)誤結(jié)果從而導(dǎo)致最后得到錯(cuò)誤的評價(jià)結(jié)論。本文中采用極差方法，即令，其中，表示第種編號為的點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)，表示規(guī)范化的數(shù)據(jù)。第三步：確定權(quán)重系數(shù)，構(gòu)造綜合評價(jià)模型。常見的綜合評價(jià)模型有線性綜合加權(quán)、非線性綜合加權(quán)、逼近理想

17、點(diǎn)方法和動態(tài)加權(quán)評價(jià)方法。經(jīng)查資料，本研究中各評價(jià)指標(biāo)對于綜合評價(jià)結(jié)果的影響大約是隨著類別的增加，先是緩慢增加，中間有一個(gè)快速增長的過程，隨后平緩增加至區(qū)域最大，相應(yīng)的圖形成正態(tài)分布曲線形狀，那么，此時(shí)對指標(biāo)的變權(quán)函數(shù)可以設(shè)定為偏大型正態(tài)分布函數(shù)。對于每一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，我們將其標(biāo)準(zhǔn)化以后的數(shù)據(jù)按區(qū)間長度為0.2分為五段，稱之為五類，用表示（=1，2，3，4，5）。從而動態(tài)加權(quán)函數(shù)可定義為:其中(qzhng)參數(shù)可取(kq)中的某定值，在此不妨(bfng)取，由（=1，5）確定。第四步：應(yīng)用所得權(quán)函數(shù)，可構(gòu)建動態(tài)模型如下： 其中表示第個(gè)區(qū)、第種金屬的平均值，各區(qū)值指標(biāo)平均值如表2所示：AsCdCr

18、CuHgNiPbZn一區(qū)0.160.160.060.020.040.100.130.05二區(qū)0.20.220.040.050.140.110.180.07三區(qū)0.090.070.030.010.020.080.060.01四區(qū)0.140.200.050.020.060.100.120.06五區(qū)0.160.150.030.010.060.080.110.03表2 各區(qū)金屬的平均指標(biāo)進(jìn)而得到綜合指標(biāo)值如表3和圖15所示：生活區(qū)工業(yè)區(qū)山區(qū)主干道區(qū)公園綠地區(qū)綜合指數(shù)0.140.180.050.190.10表3 各區(qū)綜合指標(biāo)圖15 各區(qū)綜合指標(biāo)柱狀圖根據(jù)綜合指標(biāo)的大小關(guān)系可以得到五個(gè)區(qū)的污染程度由高到低

19、依次是：主干道區(qū)、工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、公園綠地區(qū)、山區(qū)。（三）重金屬污染原因分析由SPSS進(jìn)行描述性分析得出表4描述統(tǒng)計(jì)量N極小值極大值均值標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)s (g/g)352.7711.686.26372.02354Cd (ng/g)3597.201024.90280.5429235.84295Cr (g/g)3516.3196.2843.636014.84013Cu (g/g)359.04143.3130.191722.68196Hg (ng/g)3510.001339.29114.9917224.27977Ni (g/g)357.6029.1015.28974.97430Pb (g/g)3526.8

20、9227.4060.708645.84298Zn (g/g)3537.141389.39154.2423230.91990有效的 N （列表狀態(tài)）35表4 各金屬在城市中的統(tǒng)計(jì)(tngj)描述將表中的數(shù)據(jù)和所給背景值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以看出(kn ch)整個(gè)市區(qū)的重金屬元素(yun s)平均濃度含量均高于背景值的平均含量。由此可以得出土壤重金屬元素濃度含量受外界影響很大，可能有人為活動、企業(yè)活動等因素影響。故我們采用主成分分析、相關(guān)性分析方法并結(jié)合重金屬污染源在人為活動、企業(yè)活動等中的實(shí)際來源分析該城區(qū)重金屬污染的主要原因。第一步：用spss對標(biāo)準(zhǔn)化后的重金屬污染數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，主要結(jié)果如表

21、5、表6所示：表5 主成分分析表6 各元素在主成分中含量由表6可知(k zh)提取(tq)出兩個(gè)主成分和，且由表5得對應(yīng)(duyng)的特征值分別是和，進(jìn)一步由表6可得每一個(gè)特征值對應(yīng)的單位特征向量分別為：，進(jìn)而有主成分和的表達(dá)式為：接下來，可將第一主成分和第二主成分綜合為 計(jì)算結(jié)果如表7和圖16所示：圖16 污染指數(shù)柱狀圖生活區(qū)工業(yè)區(qū)山區(qū)主干道區(qū)公園綠地區(qū)綜合指標(biāo)0.0730.1160.03300800.072表7 各區(qū)綜合指標(biāo)第二步：相關(guān)性分析。通過相關(guān)矩陣得出元素之間的相關(guān)性系數(shù)，找出相關(guān)性較強(qiáng)的元素并歸類，認(rèn)為同類元素有相同污染原因。然后結(jié)合重金屬污染源在人為活動、企業(yè)活動等中的實(shí)際資

22、料給出該城區(qū)重金屬污染的主要原因。由SPSS計(jì)算可得相關(guān)矩陣如表8所示表8 八種元素(yun s)相關(guān)矩陣首先(shuxin)，由表8可知(k zh)，Ni與Cr、Cu的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.716和0.495，他們之間有較強(qiáng)的相關(guān)性；其次從重金屬元素濃度等值線圖4、圖5和圖7可以明顯的看出Cr和Cu僅出現(xiàn)在Ni分布較集中的地方。另一方面，鎳用途較廣泛，包含特殊鋼、電子材料和航天材料等的合金、觸媒、電鍍、電池材料等。鎳鐵合金(鎳16%40%)、氧化鎳(鎳75%98%)及通用鎳(鎳約98%)等，幾乎都用于特殊鋼。鎳主要從鎳礦石中提取出來，但是鎳礦石的主要有害 HYPERLINK /view/64108

23、6.htm t _blank 雜質(zhì)有銅(在硅酸鎳礦中)、鉛、鋅、砷、 HYPERLINK /view/24038.htm t _blank 氟、錳、銻、鉻等。由上分析可知鎳是很多工業(yè)生產(chǎn)的必須物質(zhì)，鉻和銅是鎳礦石中的雜質(zhì)，故鉻和銅會伴隨著鎳的產(chǎn)生而產(chǎn)生。由以上三點(diǎn)可以得出以下結(jié)論：鎳與鉻和銅來自相同的污染源，鉻和銅是伴隨著鎳而得到的附屬產(chǎn)物。類似的Pb和Cd相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.66，它們的等值濃度（圖3和圖8）也反映出Cd只在Pb分布較大的區(qū)域存在。由于鉛具有高密度、良抗蝕性、熔點(diǎn)低、柔軟、易加工等特性，因此在許多工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，鉛板和鉛管廣泛用于制酸工業(yè)、蓄電池、電纜包皮及冶金工業(yè)設(shè)備的防腐

24、襯里。鉛能吸收放射性射線，可作原子能工業(yè)及X射線儀器設(shè)備的防護(hù)材料。鉛能與銻、錫、鉍等配制成各種合金，如熔斷保險(xiǎn)絲、印刷合金、耐磨軸承合金、焊料、榴霰彈彈丸、易熔合金及低熔點(diǎn)合金模具等。鉛的化合物四乙基鉛可作汽油抗爆添加劑和顏料。鎘的 HYPERLINK /view/2430053.htm t _blank 主要礦物有硫鎘礦(CdS)，賦存于鉛鋅礦和銅鉛鋅礦石中。所以在鉛的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生較多的鎘。 由以上三點(diǎn)同樣可得結(jié)論：鉛是很多工業(yè)生產(chǎn)的必須物質(zhì)，鎘是鉛礦石中的雜質(zhì)，會伴隨著鉛的產(chǎn)生而產(chǎn)生。故認(rèn)為鎘是鉛生產(chǎn)中的附屬產(chǎn)物。第三步：結(jié)果分析。以上分析表明Ni、Cu、Cr來自同一污染源，Pb、C

25、d的也來自同一污染源。注意到主成分分析中該城區(qū)污染程度主要由兩個(gè)成分決定，貢獻(xiàn)率分別為75.58%和24.42%，第一主成分主要由Cr，Pb和Ni決定，從而證實(shí)了三者來自同一污染原因。結(jié)合以下金屬用途：1.鉛Pb：主要來自于工業(yè)污染、汽車尾氣排放（含鉛汽油）、學(xué)習(xí)用品、油漆、化妝品、電池等。2.鎳Ni：鎳礦的開采與冶煉，合金鋼的生產(chǎn)和加工過程、煤和石油燃燒時(shí)排放煙中，電鍍的生產(chǎn)過程中等。3.砷As：砷或其化合物作原料的玻璃、顏料、原藥、紙張的生產(chǎn)以及煤的燃燒等。4.汞Hg: 催化劑、顏料、涂料、藥物等。5.鋅Zn：鋅礦開采、冶煉加工、機(jī)械制造以及鍍鋅、儀器儀表、有機(jī)會合成和造紙等工業(yè)的排放。汽

26、車輪胎磨損以及煤燃燒產(chǎn)生的粉塵、煙塵中均含有鋅及化合物，工業(yè)廢水中鋅常以鋅的羥基絡(luò)合物存在。6.銅Cu：銅鋅礦的開采和冶煉、金屬加工、機(jī)械制造、鋼鐵生產(chǎn)等。 冶煉排放的煙塵是大氣銅污染的主要來源。7.鎘Cd：鎘的煙塵(ynchn)或鎘渣以及(yj)化工廠的“三廢(snfi)”排放等。8.Ni、Cu、Cr三種元素在日常生活中的主要污染來源是工業(yè)生產(chǎn)，其次來源于化妝品、橡膠、陶瓷等生活用品。汽車的廢氣也是鉛的主要來源之一，燃料燃燒是也會排放部分鎳。最后得出重金屬污染的原因主要來自以下三個(gè)方面: 工業(yè)因素：工業(yè)區(qū)的工廠廢水、廢渣及廢棄物的過度排放導(dǎo)致了Pb、Cd、Cu、Hg、Zn、As、Ni的嚴(yán)重污

27、染。 人為活動因素：主干道路：汽車輪胎磨損以及煤燃燒產(chǎn)生的粉塵造成了Zn的污染，汽車尾氣的排放造成了城市的Pb污染。生活區(qū)：人類的生活垃圾導(dǎo)致了Zn、Cr、Hg污染。 工業(yè)因素對人為活動區(qū)（生活區(qū)、主干道路區(qū)、公園綠地區(qū)等）的影響工業(yè)所排放的廢氣中含有重金屬元素，這些元素隨廢氣擴(kuò)散到大氣中，然后通過大氣沉降等方式進(jìn)入人為活動區(qū)的土壤中。（四）污染源位置的確定由重金屬元素的等值曲線可以看出重金屬傳播是以污染源為中心向四周擴(kuò)散，污染源中心重金屬含量最高，隨著向四周擴(kuò)散重金屬含量也在逐漸減少，但是擴(kuò)散速度較慢。通過將市區(qū)八大重金屬元素平均值含量和自然區(qū)背景值平均含量相比較可以看出重金屬具有富集性并且

28、不可逆轉(zhuǎn)，不易被分解。注意到，在土質(zhì)均勻且污染源為有限個(gè)的情況下，對于一個(gè)確定的采樣點(diǎn)，污染源應(yīng)位于其負(fù)梯度方向（單位距離上污染物濃度變化?。?，據(jù)此原理，提出如下算法：第一步：通過金屬相關(guān)性，材料分析以及鉛、鎳、銅、鉻四者的元素等值曲線分布可以確定銅和鉻均是鎳生產(chǎn)過程中的附屬產(chǎn)物，鎘是鉛生產(chǎn)過程中的附屬產(chǎn)物。所以在計(jì)算污染源位置時(shí)，我們可以不考慮銅、鉻、鎘三種元素的分布。再用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析剩下五種元素得到相關(guān)矩陣如表12：相關(guān)矩陣As (g/g)Hg (ng/g)Ni (g/g)Pb (g/g)Zn (g/g)相關(guān)As (g/g)1.000.064.317.290.247Hg (ng/g

29、).0641.000.103.298.196Ni (g/g).317.1031.000.307.436Pb (g/g).290.298.3071.000.494Zn (g/g).247.196.436.4941.000Sig.（單側(cè)）As (g/g).126.000.000.000Hg (ng/g).126.033.000.000Ni (g/g).000.033.000.000Pb (g/g).000.000.000.000Zn (g/g).000.000.000.000表12 五種元素(yun s)相關(guān)性結(jié)果由相關(guān)矩陣表可看出：五種元素之間相關(guān)性不高，可以認(rèn)為相互(xingh)獨(dú)立。這樣我們

30、就可以根據(jù)剩下五種元素的數(shù)據(jù)分別(fnbi)計(jì)算出污染源的位置。第二步：根據(jù)重金屬元素等值濃度曲線圖，分別就每一要考慮的重金屬元素確定污染源點(diǎn)的個(gè)數(shù)：由于污染源重金屬傳播是以污染源為中心向四周擴(kuò)散，中心重金屬含量最高，隨著向四周擴(kuò)散重金屬含量也在逐漸減少，且擴(kuò)散速度較慢，所以，可以選擇等值線值較高且分布較密的某幾小區(qū)域作為源點(diǎn)迭代查找范圍。當(dāng)然這種確定源點(diǎn)個(gè)數(shù)的方法在某些極特殊情況下存在誤判的可能。第三步：在每一個(gè)小的范圍內(nèi)迭代查找，查找原理如下：1.首先在平面上考慮：在平面上任選一迭代的起始點(diǎn)（），記為O，一般選擇該范圍內(nèi)海拔最低的點(diǎn)作為起始點(diǎn)，可有效避免誤判發(fā)生的幾率。并以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)為軸，

31、以向右為正方向,為軸，以向上為正方向。（1）在O點(diǎn)周圍取四個(gè)點(diǎn)，記為A1、B1、C1、D1，其坐標(biāo)為（），為各點(diǎn)的金屬濃度，（）。模型圖如圖27： 圖27然后我們將平面內(nèi)的問題分別轉(zhuǎn)化到x軸和軸上，下面以將B1與O點(diǎn)的濃度差轉(zhuǎn)化到x軸為例來說明，B1點(diǎn)的坐標(biāo)為() ，設(shè)B1在軸上的投影為,則有;B1與O點(diǎn)之間的重金屬濃度差為：=；從而B1與O之間的濃度差在軸上的分量為: ;最后B1與O之間的濃度差在x軸上的每公里的分量為：。然后再按照上述方法確定出O點(diǎn)與D1點(diǎn)之間重金屬濃度差在x軸上每單位公里的分量，記為。（2）按照負(fù)梯度的思想判斷污染源在點(diǎn)的左側(cè)或者是右側(cè)。具體判斷方法如下：如果，則沿x軸負(fù)

32、方向單位公里的濃度差變化量大，為正梯度方向，而污染源向周圍擴(kuò)散的時(shí)候，單位公里的濃度差應(yīng)該先較小，然后變大，故污染源在負(fù)梯度方向上，及x軸正方向，也即在點(diǎn)的右側(cè)；如果，則此方法失效，需重新取點(diǎn)來判斷；如果(rgu)，則沿x軸正方單位公里濃度差變化量大，為正梯度方向，同樣污染源向周圍擴(kuò)散(kusn)的時(shí)候，單位公里的濃度差應(yīng)該先較小，然后變大，故污染源在沿負(fù)梯度方向上，即沿x軸的負(fù)方向，也即點(diǎn)的左側(cè)(zu c)。以上我們算出了污染源具體在起始點(diǎn)點(diǎn)的左側(cè)或右側(cè)。 然后同樣根據(jù)上述方法確定沿y軸的負(fù)梯度方向，從而確定出在點(diǎn)的上側(cè)或下側(cè)。（3） 最后結(jié)合x軸和y軸的負(fù)梯度方向，更加具體的判斷污染源在距

33、點(diǎn)的方位。判斷標(biāo)準(zhǔn)如表13：沿x軸負(fù)梯度方向沿y軸負(fù)梯度方向污染源距點(diǎn)的方位右側(cè)上側(cè) 點(diǎn)右上方右側(cè)下側(cè)點(diǎn)右下方左側(cè)下側(cè)點(diǎn)左下方左側(cè)上側(cè)點(diǎn)左上方表13 污染源位方位的選定標(biāo)準(zhǔn)（4）至此污染源距O點(diǎn)的方位已經(jīng)確定，然后在確定的方位中再任意取一測量點(diǎn)的值，然后按照上述方法依次迭代，直到將污染源的位置限定在只有兩個(gè)點(diǎn)的矩形中，設(shè)此兩點(diǎn)分別為和，如示意圖28，將兩點(diǎn)連接起來，計(jì)算出來兩點(diǎn)間的實(shí)際距離距離，然后根據(jù)兩點(diǎn)所占的濃度比例，按反比例的關(guān)系，根據(jù)相似三角形，算出污染源的具體位置,記為O。 圖282.考慮到金屬污染物濃度的采樣點(diǎn)一般不在同一平面上，故需將海拔考慮進(jìn)去。此時(shí)我們需先將空間位置上的點(diǎn)投影

34、到平面上，再根據(jù)上述方法計(jì)算。具體轉(zhuǎn)化方法為：記O點(diǎn)四周的四個(gè)點(diǎn)為A、B、C、D?？臻g示意圖為圖29。設(shè)（，）、，分別為記為O、A、B、C、D的坐標(biāo)和元素的濃度，（i=0,1,2,3,4）假設(shè)O點(diǎn)所在平面為水平面。然后計(jì)算出O點(diǎn)分別到A、B、C、D點(diǎn)元素的濃度差在水平面上的投影值，現(xiàn)在以C點(diǎn)為例來說明：O點(diǎn)與C點(diǎn)的金屬濃度差為：;記E為C點(diǎn)投影與過O點(diǎn)且平行于xoy面的平面上的垂足；CE點(diǎn)的高度差為：;OE點(diǎn)的長度為: OE=;從而(cng r)得到：;故O、C點(diǎn)之間的濃度(nngd)差在水平面上的分量值為：;則可以將問題(wnt)轉(zhuǎn)化到O點(diǎn)所在平面為水平面上來算具體的污染源。圖29然后依據(jù)上

35、面的原理分別計(jì)算A、B、D與O點(diǎn)的濃度差在水平面內(nèi)的分量值，分別記為，。然后再根據(jù)第一步所述方法，確定污染源的位置。3.模型的求解：以算出Ni的污染源為例（1）根據(jù)Ni的等值曲線分布圖，我們可以大致將Ni的第一個(gè)污染來源限定在平面內(nèi)的范圍，。如表所示編號x(m)y(m)海拔(m)功能區(qū)Ni (g/g)21248659992113.20223299601844142.5014352643577412.9023357362135131.5020459246036132.8024474164345510.6029474272939227.8016477748978122.30304948729362

36、34.8015506243395419.801525101408013119.26285291734910413.9019548160040418.1031556767827228.30265635796529421.10175868490416418.40表14 第一次迭代所選點(diǎn)（2）在所確定的范圍內(nèi)任選一點(diǎn)作為起始點(diǎn)進(jìn)行迭代運(yùn)算，例如編號為30號（4948,7293,6）這個(gè)點(diǎn)?？紤]x軸方向，選擇與30號相鄰的倆個(gè)點(diǎn)。即左邊16號（4777,4897,8）和右邊15號（5062,4339,5）兩個(gè)點(diǎn)。將16號點(diǎn)與30號點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)做差：再計(jì)算倆點(diǎn)的濃度(nngd)差和兩點(diǎn)連線與平面投影(

37、tuyng)的夾角的正切(zhngqi)值： 忽略高度h的影響所以，表中所給的16號與30號兩點(diǎn)的濃度即為真實(shí)濃度，濃度差設(shè)為 在x軸單位公里的濃度差分量設(shè)為 同理可以算出15號和30號倆點(diǎn)x軸單位公里濃度差=0.132，比較和的大小，說明沿著16號點(diǎn)的方向?yàn)樨?fù)梯度 ，沿30號點(diǎn)的方向?yàn)檎荻?。這樣我們沿著負(fù)梯度方向?qū)ふ椅廴驹?。將橫，縱坐標(biāo)均大于16號的點(diǎn)舍掉，從而得出表15編號x(m)y(m)海拔(m)功能區(qū)Ni (g/g)21248659992113.20223299601844142.5014352643577412.9023357362135131.5020459246036132.8

38、024474164345510.6016477748978122.30表15 第二次迭代所選點(diǎn)（3）在所劃定的污染范圍內(nèi)選擇滿足條件，的點(diǎn)，即選擇,坐標(biāo)均小于30號的點(diǎn)，這里我們選擇24號點(diǎn)（4741,6434），重復(fù)以上步驟進(jìn)行迭代運(yùn)算，直到找到一個(gè)點(diǎn)使得這個(gè)點(diǎn)所確定的梯度與前一個(gè)點(diǎn)的梯度相反（即正負(fù)梯度），并且兩點(diǎn)之間再也沒有第三個(gè)點(diǎn)的存在。我們經(jīng)過三次迭代計(jì)算找出這兩個(gè)點(diǎn)。20號點(diǎn)（4592,4603）：限定范圍22號點(diǎn)（3299,6018）：限定范圍由此確定污染源在范圍（4）不考慮h因素，將平面內(nèi)的連接22號和20號兩點(diǎn)，按照兩點(diǎn)的濃度比劃分兩點(diǎn)間的距離。設(shè)E點(diǎn)代表(dibio)污染源

39、的位置如圖30所示 圖30 Ni第一(dy)污染源代碼(di m)為：x=4592 3299 ;y=4603 6018 ;c=3541;d=5753;plot(x,y,p);hold on;plot(c,d,o);運(yùn)用該方法可以找出各個(gè)元素的污染源位置（具體如表所示）。4.結(jié)果表示元素污染源1污染源2污染源3污染源4As（9183,16285）（20145,10439）（5682,8761）Ni（3541,5753）（21428,11051）Pb（4921,8348）Zn（3013,5652）（8623,3560）Hg（4091,2070）（4309,6352）（12971,2168）（228

40、44,10130）表16 各個(gè)元素污染源位置（五）、模型改進(jìn)實(shí)際生產(chǎn)中，一個(gè)工廠可能生產(chǎn)多種產(chǎn)品，從而產(chǎn)生出相對獨(dú)立的重金屬廢物，對土壤造成污染。所以我們上述算出的不同金屬污染源可能來自同一個(gè)污染源，實(shí)際中將這些污染源綜合為一個(gè)更為合理。為了消除這種誤判，在用主成分分析得到兩種主成分后，再將兩主成分綜合為一個(gè)總得指標(biāo)，再算出每個(gè)采樣點(diǎn)的綜合指標(biāo)的的具體值，然后在污染源具體位置的確定過程中，不單獨(dú)的考慮某種金屬，而只考慮綜合指標(biāo)，最后用第三問中用的負(fù)梯度逐漸逼近的方法，算出總的污染源。這樣可以綜合考慮各種因素分析出污染源的位置，可能會更加準(zhǔn)確的逼近現(xiàn)實(shí)中的污染源。總指標(biāo)根據(jù)公式算出，然后用Kri

41、ging插值法畫出等值線為圖31：圖31 的等值線圖 得到(d do)最后的污染源為表17： 污染源1污染源2污染源3（3463,1338）（13454,11846）（13296,3679）表17 總污染源（六）、模型(mxng)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(yudin)：(1)通過繪制重金屬濃度等值線圖，不僅容易確定出污染源點(diǎn)的個(gè)數(shù)，也能以圖形的方式直觀的反應(yīng)與功能區(qū)的關(guān)系；(2)模型容易理解，可操作性強(qiáng)，容易由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，且計(jì)算快捷，只需要簡單的比較兩個(gè)方向上單位距離濃度差的大小，就可以完成一次迭代，可以具體的將污染源的位置快速的確定到某個(gè)點(diǎn)上，使問題較好的得到解決。缺點(diǎn)：(1)在某些極其特殊的情況下，比如

42、盆地的四周均為污染源，盆地中心重金屬濃度疊加效應(yīng)使得濃度高于四周時(shí)，該算法可能會形成誤判。(2)我們只是知道采樣點(diǎn)的重金屬元素濃度的分布，對工業(yè)區(qū)中各工廠的原料處理機(jī)理，產(chǎn)生的廢棄物及其處理、回收，污水凈化方式和排放途徑并不清楚；對生活區(qū)的垃圾處理，人們的具體生活方式并不清楚所以會出現(xiàn)所得的污染物源點(diǎn)誤差很大。 （七）地質(zhì)演變模式模型 地質(zhì)環(huán)境的演變模式需分析巖石、水、大氣和生物的綜合因素。若能進(jìn)一步采集到此城市前年的50年八種重金屬元素在采集點(diǎn)的含量，則我們可以用前50年的數(shù)據(jù)來建立模型，預(yù)測將來數(shù)年內(nèi)金屬的濃度，從而得到地質(zhì)環(huán)境的演變模式。故需要采集到過去50年的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)來預(yù)測未來情況得演變方式，而且可以進(jìn)行多輸入和多輸出，能夠把多個(gè)因子整合在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，通過誤差的反向傳播，不斷修正權(quán)值和閾值，從而使誤差達(dá)到或接近理想的水平，誤差的減小通常采用負(fù)梯度下降法。而且此方法具有容錯(cuò)性好，樣本中的野點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)有限，對野點(diǎn)有很強(qiáng)的免疫能力，魯棒性也較強(qiáng)，預(yù)測未來演變模式的結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確。故考慮用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測出未來某數(shù)