城市表層土壤重金屬污染分析

城市表層土壤重金屬污染分析11組魏喜策（10-421）周坤（10-421）龔巨桐（10-411）題目：城市表層土壤重金屬污染分析隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。對(duì)城市土壤地質(zhì)環(huán)境異常的查證，以及如何應(yīng)用查證獲得的海量數(shù)據(jù)資料開(kāi)展城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，研究人類(lèi)活動(dòng)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)。按照功能劃分，城區(qū)一般可分為生活區(qū)(1類(lèi))、工業(yè)區(qū)(2類(lèi)區(qū))、山區(qū)（3類(lèi)區(qū)）、主干道路區(qū)（4類(lèi)區(qū)）及公園綠地區(qū)（5類(lèi)區(qū)）等，分別記為1類(lèi)區(qū)、2類(lèi)區(qū)、……、5類(lèi)區(qū)，不同的區(qū)域環(huán)境受人類(lèi)活動(dòng)影響的程度不同。現(xiàn)對(duì)某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。為此，將所考察的城區(qū)劃分為間距1公里左右的網(wǎng)格子區(qū)域，按照每平方公里1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土（0~10厘米深度）進(jìn)行取樣、編號(hào)，并用GPS記錄采樣點(diǎn)的位置。應(yīng)用專(zhuān)門(mén)儀器測(cè)試分析，獲得了每個(gè)樣本所含的多種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)。另一方面，按照2公里的間距在那些遠(yuǎn)離人群及工業(yè)活動(dòng)的自然區(qū)取樣，將其作為該城區(qū)表層土壤中元素的背景值。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。需要解決的問(wèn)題：(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(guò)數(shù)據(jù)分析，說(shuō)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。(4)分析你所建立模型的優(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(wèn)題？由題目可以得出那些信息？（1）、采樣點(diǎn)的坐標(biāo)、海拔高度以及所屬的功能區(qū)。（2）、采樣點(diǎn)處各種重金屬的濃度（注意單位）。（3）、各種元素的背景值（平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，范圍）。題目的基本假設(shè)？1、各個(gè)采樣點(diǎn)屬于單一功能區(qū)，而且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。2、各區(qū)域土壤中重金屬的背景值相同。3、現(xiàn)有重金屬的檢測(cè)只是常年累積的結(jié)果。4、污染源的位置在最高濃度的附近。5、當(dāng)前檢測(cè)濃度值大于背景值的上限時(shí)，即認(rèn)為被污染。1、問(wèn)題一：首先觀察各采樣點(diǎn)的分布情況，用Matlab作圖得出，各采樣點(diǎn)的分布是散亂狀態(tài)的，因此應(yīng)采用散亂數(shù)據(jù)的差值。1.1數(shù)據(jù)差值Shepard插值法，其基本思想是：某一點(diǎn)的函數(shù)值受周?chē)鼽c(diǎn)的影響，較近的點(diǎn)影響大，較遠(yuǎn)的點(diǎn)影響小，其影響權(quán)數(shù)與距離的平方成反比，又稱(chēng)距離平方反比率，具體做法如下：記采樣點(diǎn)為，其高度值為其中為采樣點(diǎn)數(shù)，地形高度函數(shù)為，則對(duì)任一點(diǎn)，其高度為

其中

為點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離。通過(guò)Shepard插值法對(duì)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值，得出擬合后的該地區(qū)等高線(xiàn)圖。將采樣點(diǎn)處的高度值改為某一重金屬元素的濃度值，再用同樣的方法進(jìn)行差值就可以得到該重金屬元素的濃度分布圖（顏色由藍(lán)到紅，由淺到深表明污染物濃度的升高），下面以Hg元素為例，對(duì)其分布進(jìn)行分析，結(jié)果如下：東部沒(méi)有污染，中部以及中南部存在污染，西部污染相對(duì)嚴(yán)重，分布相對(duì)集中。（程序演示）1.1.2金屬元素空間分布分析：As東部無(wú)污染，中西部污染峰值比較集中Cd東部無(wú)污染，中西部污染分布較廣，到污染程度較輕Cr西部污染程度較重，而且很集中，超標(biāo)地區(qū)分布廣，但是污染程度較低Cu東部和中部無(wú)污染，西部污染分布集中，污染程度較大Hg東部沒(méi)有污染，中部以及中南部存在污染，西部污染相對(duì)嚴(yán)重，分布相對(duì)集中Ni西南部污染較嚴(yán)重，污染分布較廣，但是污染程度較輕Pb東部中部無(wú)污染，污染集中在西部，污染較嚴(yán)重Zn東部無(wú)污染，中部西部的個(gè)別地區(qū)存在污染，程度較輕1.2、不同地區(qū)重金屬污染程度評(píng)價(jià)1.2.1、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定由于題目給出的各重金屬的背景值為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考慮到背景值可以認(rèn)為是自然狀態(tài)下土壤重金屬的自然含量，只要目前監(jiān)測(cè)的結(jié)果超出背景值的范圍即認(rèn)為受到污染，標(biāo)準(zhǔn)由附件三給出。以表為單一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各區(qū)域進(jìn)行污染分析分析元素AsCdCrCu標(biāo)準(zhǔn)限值1.8—5.40.07—0.1913—49.06.0—20.4元素HgNiPbZn標(biāo)準(zhǔn)限值0.019—0.0154.7—19.919—43.042—97.01.2.2、單因子評(píng)價(jià)法考慮到背景濃度為一個(gè)區(qū)間，因此采用類(lèi)似于pH的評(píng)價(jià)公式，表達(dá)式為：其中為第種污染物的實(shí)際檢測(cè)濃度為第種污染物的背景上限值為第種污染物的背景下限值為第種污染物的污染指數(shù)，如

，則觀測(cè)值滿(mǎn)足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不超標(biāo)；否則，超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)為為反應(yīng)某地區(qū)污染物的超標(biāo)范圍，定義超標(biāo)率，公式如下:其中為該區(qū)域檢測(cè)結(jié)果超標(biāo)的點(diǎn)位個(gè)數(shù)

為區(qū)域中所設(shè)的檢測(cè)點(diǎn)的總數(shù)通過(guò)計(jì)算得出各個(gè)區(qū)域各種元素的指標(biāo)情況,如下表：以生活區(qū)為例采樣點(diǎn)數(shù)為個(gè)44個(gè)元素超標(biāo)率%超標(biāo)倍數(shù)平均值最大超標(biāo)倍數(shù)As68.180.53221.6806Cd72.731.33527.1208Cr45.451.601519.3183Cu77.272.688615.8646Hg56.822.865115.5938Ni27.270.35750.8487Pb59.092.10517.8950Zn61.364.33449.9371.2.3、對(duì)單因子結(jié)果的分析從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，該城區(qū)各不同功能區(qū)中8重金屬元素均有超標(biāo)現(xiàn)象，說(shuō)明該區(qū)域已經(jīng)不同程度的受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。對(duì)生活區(qū)的各類(lèi)污染物污染程度分析：生活區(qū)中超標(biāo)率最高的是Cu，Cd，As，Zn，其中，最大超標(biāo)污染物為Zn，Cr，超出背景值標(biāo)準(zhǔn)49.94和19.31。對(duì)工業(yè)區(qū)的各類(lèi)污染物污染程度分析：各金屬超標(biāo)都很?chē)?yán)重，尤其是Cu，Cd，Pb，Hg，Zn，最大超標(biāo)污染物為Hg，Cu，分別超出背景值的420.8和174.17倍。對(duì)山區(qū)：所有金屬的超標(biāo)率均在20%左右，土壤環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好。對(duì)主干道區(qū)：除Cd，Ni外，其余超標(biāo)均很?chē)?yán)重，主要超標(biāo)污染物為Cu，Cd，Zn，最大超標(biāo)污染物為Hg，Cu，分別超出背景值的498.41和93.36倍。公園綠地區(qū)：超標(biāo)情況也不樂(lè)觀，主要超標(biāo)污染物為As，Cu，Hg，Cd，Zn，最大超標(biāo)污染物為Hg，Zn，分別超出背景值的40.26和23.08倍。1.2.4、不同區(qū)域污染程度綜合評(píng)價(jià)

1)、評(píng)價(jià)方法：對(duì)每一個(gè)功能區(qū)，采取內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，公式如下：其中為綜合污染指數(shù)（綜合反映各污染物對(duì)土壤的綜合作用）為所有單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值為土壤環(huán)境中個(gè)單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值。2）、污染指數(shù)的分級(jí)污染等級(jí)污染程度污染描述Ⅰ

<=0.7安全清潔Ⅱ

0.7<<=1.0警戒線(xiàn)尚清潔Ⅲ

1.0<<=2.輕污染超標(biāo)Ⅳ

2.0<<=3.0中污染土壤受中度污染Ⅴ

>=3.0重污染土壤受重度污染評(píng)價(jià)結(jié)果功能區(qū)1類(lèi)區(qū)2類(lèi)區(qū)3類(lèi)區(qū)4類(lèi)區(qū)5類(lèi)區(qū)平均指數(shù)值1.474.50.472.971.15內(nèi)梅羅綜合指數(shù)值2.2913.660.529.321.94污染等級(jí)ⅣⅤⅠⅤⅢ結(jié)果分析：從表中可以看出，評(píng)價(jià)城區(qū)中污染最重的區(qū)域?yàn)?類(lèi)區(qū)（工業(yè)區(qū)），其次是4類(lèi)區(qū)（主干道區(qū)），一類(lèi)區(qū)（生活區(qū)）屬中度污染，5類(lèi)區(qū)（公園綠地區(qū)）屬輕度污染，3類(lèi)區(qū)（山區(qū)）污染最輕，屬尚清潔區(qū)?？偟膩?lái)說(shuō)，該城區(qū)的重金屬污染較嚴(yán)重。2、問(wèn)題二通過(guò)觀察各種金屬元素的分布圖以及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主要超標(biāo)污染物和最大超標(biāo)污染物成一定的規(guī)律性，這說(shuō)明不同重金屬元素之間存在很高的相關(guān)性，即可能來(lái)自相同的污染源。為了分析不同金屬的相關(guān)性，利用多元聚類(lèi)分析對(duì)不同重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析，考察污染物之間的相關(guān)性。若重金屬之間有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明可能來(lái)源相同，這與污染物產(chǎn)生的原因是密切系相關(guān)的。（聚類(lèi)分析法）（程序演示）通過(guò)對(duì)問(wèn)題一表格的分析：各個(gè)功能區(qū)中，超標(biāo)率最高的是Cd和Cu，可見(jiàn)該區(qū)域是Cd和Cu的高污染區(qū)，污染原因很大可能性來(lái)源于生活垃圾填埋或任意排放及含銅農(nóng)藥噴灑所致，也可能來(lái)源于相關(guān)冶煉企業(yè)的煙塵和垃圾排放。生活區(qū)：Cu和Pb相關(guān)性較高，說(shuō)明他們污染源相似，可能與生活垃圾中的廢舊電池、電路板及汽車(chē)尾氣有關(guān)。工業(yè)區(qū)：多種元素存在相關(guān)性，由問(wèn)題一表格可知污染程度明顯高于其他區(qū)，可能與工業(yè)煙塵和工業(yè)垃圾填埋有關(guān)，而且Hg明顯超標(biāo)，可能存在含Hg工業(yè)垃圾填埋或燃煤電場(chǎng)粉塵排放。山區(qū)：各種污染物指數(shù)均較低，各元素的相關(guān)性不高，Cu，Pb污染相對(duì)較高，污染可能來(lái)源于生活或工業(yè)垃圾交通區(qū)：除Hg之外其他元素相關(guān)性較高，說(shuō)明Hg來(lái)源比較分散，其他污染物可能來(lái)源于汽車(chē)尾氣、輪胎磨損以及大氣降塵。公園綠地區(qū)：各污染物污染指數(shù)較低（高于山區(qū)），造成原因可能是廢氣或廢水灌溉，人為活動(dòng)對(duì)此區(qū)的影響也較大。問(wèn)題三的模型及求解論文思路：根據(jù)題目所給的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別構(gòu)造基于濃度和海拔高度的二元三次插值多項(xiàng)式，通過(guò)該擬合函數(shù)，我們就能通過(guò)局部計(jì)算直接得到濃度最高點(diǎn)的坐標(biāo)值和海拔高度。但是，matlab對(duì)于非線(xiàn)性的二元三次多項(xiàng)式擬合，需要給出經(jīng)驗(yàn)公式和邊界條件（論文中沒(méi)有相關(guān)說(shuō)明），題目中的三角樣條函數(shù)，搜索后也未能得到很有效的結(jié)果。于是我們使用另一非線(xiàn)性擬合工具1stOpt進(jìn)行擬合，可得到擬合函數(shù)，但相關(guān)系數(shù)R值只有0.5左右，價(jià)值不大。我們的思路：由于題目中只是給出了一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)值，沒(méi)有時(shí)間方向序列的數(shù)據(jù)值，因而要精確地確定污染源的位置是不可能的。假設(shè)中提到：采樣點(diǎn)處濃度較高的就認(rèn)為污染源在該采樣點(diǎn)的附近，由于第一問(wèn)我們已經(jīng)得到了各種重金屬元素的濃度的三維立體分布圖，我們通過(guò)觀察立體圖的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)的大體范圍近似的確定污染源的范圍，簡(jiǎn)單可行，文章中給出的結(jié)果污染源具體到點(diǎn)，意義不大，給出污染源的范圍更為合理。問(wèn)題四：由于題目中只是給出了一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)值，沒(méi)有時(shí)間方向序列的數(shù)據(jù)值，因而要精確地確定污染源的位置是不可能的，因此為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，還應(yīng)