基于主成分分析的鄭州市重金屬污染評(píng)價(jià)

基于主成分分析的鄭州市重金屬污染評(píng)價(jià)

0土壤地質(zhì)環(huán)境隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的增加，人類活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境的影響日益突出。根據(jù)不同城市土壤和地質(zhì)環(huán)境的評(píng)估，以及通過(guò)評(píng)估方法獲得的大量數(shù)據(jù)，對(duì)城市環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。人類活動(dòng)的影響下城市地質(zhì)環(huán)境的發(fā)展模式日益成為人們的中心。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.本文對(duì)鄭州市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查.將所考察的城區(qū)劃分為間距1km左右的網(wǎng)格子區(qū)域,按照每平方千米1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土(0~10cm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).另外,按照2km的間距在遠(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.1測(cè)量精度和污染程度.假設(shè)每類區(qū)表層土壤中每種重金屬含量連續(xù)變化;在對(duì)采樣點(diǎn)分析時(shí),忽略土壤pH值、溫度、氣候等因素對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響;在對(duì)每類區(qū)域的污染程度進(jìn)行分析時(shí),忽略考察的8種元素以外的重金屬污染;忽略重金屬由于土壤特性和氧化還原等一系列的物理和化學(xué)作用帶來(lái)的對(duì)污染程度評(píng)價(jià)的誤差.由于不易判斷5類區(qū)的地理分布情況,我們將問(wèn)題理想化,考慮每類區(qū)的8種重金屬污染程度;假設(shè)附件給出的數(shù)據(jù)對(duì)于建立模型已經(jīng)足夠充分;假設(shè)每個(gè)采樣點(diǎn)的采集時(shí)間相同,重金屬的含量不會(huì)因?yàn)椴杉瘯r(shí)間的差異出現(xiàn)變化;忽略污染化合物之間的相關(guān)影響;忽略重金屬污染物之間的交叉污染;將土壤理想化成成分均勻的介質(zhì).1.1不同地區(qū)重金屬污染本文使用單因子指數(shù)法和綜合因子指數(shù)法分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度.1.1.1綜合因子指數(shù)法首先采用單因子污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算公式為Ρi=1mm∑i=1Ci/Si.Pi=1m∑i=1mCi/Si.然后采用綜合因子指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算公式為P綜=√(1nn∑i=1Ρi)2+(maxΡi)22=(1n∑i=1nPi)2+(maxPi)22???????????????ue001?ue000ue000,式中,Pi為土壤污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù),Ci為土壤污染物i的實(shí)際測(cè)量值,Si為土壤污染物i的背景值,m是土壤污染物i采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù),n為重金屬種類總數(shù).1.1.2評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)土壤環(huán)境的污染程度,依據(jù)國(guó)家環(huán)保局頒布的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),土壤中各元素環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)含量范圍采用表1分級(jí)值.1.1.3重金屬污染程度使用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理,得到如下評(píng)價(jià)結(jié)果:生活區(qū)中Cu和Zn屬于重度污染,工業(yè)區(qū)中Hg和Cu的污染程度極其嚴(yán)重,山區(qū)各重金屬污染程度均較低,交通區(qū)中也是Hg的污染相當(dāng)嚴(yán)重,公園綠地區(qū)各重金屬污染程度相對(duì)較好.1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定顯然,用此方法計(jì)算的結(jié)果會(huì)突出最嚴(yán)重污染物產(chǎn)生的影響,但沒(méi)有考慮污染因子的危害性差異.會(huì)引入很大的誤差,因此需對(duì)此式進(jìn)行修改.將污染指數(shù)平均值改為加權(quán)平均,根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)環(huán)境及人體的危害性來(lái)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重.首先將綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)按由小到大的順序排列為P綜1,P綜2,…,P綜n.將最大的一個(gè)記為Pmax,令γi=Pmax/Pi表示第i種評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性比值,則ωi=γi/5∑i=1γiωi=γi/∑i=15γi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重.修正后得到不同城區(qū)的綜合污染程度:工業(yè)區(qū)污染指數(shù)為8.374,屬于重度污染;其次是交通區(qū),污染指數(shù)為5.784;生活區(qū)和公園綠地區(qū)屬于中度污染,污染指數(shù)分別為2.569和2.227;山區(qū)屬于輕度污染,污染指數(shù)為1.214.2重金屬污染的主要原因2.1初步分析通過(guò)對(duì)重金屬污染的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行橫向和縱向分析,找出重金屬污染的主要原因.2.1.1工業(yè)污染的污染程度.城市水系城市的污染程度比人民生活城市更橫向比較5類綜合污染指數(shù),可以清晰地看出,工業(yè)區(qū)所占比例明顯高出其他四類區(qū)域,交通區(qū)次之,生活區(qū)和公園綠化區(qū)持平居后,山區(qū)的污染程度最輕.這說(shuō)明工業(yè)污染導(dǎo)致重金屬污染的成分最重,交通區(qū)主要以排放的污染氣體為主,被污染的大氣長(zhǎng)期滯留,這樣就會(huì)污染到土壤表層.對(duì)于生活區(qū)和公園綠化區(qū),人們的日常生活基本一致,而公園綠化區(qū)的污染程度要比生活區(qū)稍輕一些,這跟實(shí)際情況是相吻合的.橫向分析可以看出,工業(yè)區(qū)的綜合指數(shù)最高,這與通常情況相符,說(shuō)明工業(yè)區(qū)周圍的治理污染工作還不到位,橫向主要原因?yàn)楣I(yè)污染.2.1.2hg污染原因分析縱向比較污染程度最嚴(yán)重的區(qū)域(工業(yè)區(qū)),分析8種重金屬的單因子指數(shù),這樣可以明顯找出導(dǎo)致污染的主要因素.可知Hg的污染指數(shù)最高,工業(yè)區(qū)土壤中Hg明顯富集,這與工業(yè)區(qū)的Hg元素及含Hg的化合物滲透土壤的污染物比較多有關(guān),下面采用主成分分析法確定污染物產(chǎn)生的主要原因.2.2---先利用上述處理結(jié)果,建立5個(gè)區(qū)域和8種元素的5行8列的單因子矩陣,X=(1.742.232.233.742.661.492.233.432.013.021.729.6618.351.613.004.031.121.171.261.311.171.261.181.061.592.771.874.7112.771.432.053.521.742.161.412.293.291.241.962.24).X=????????1.742.011.121.591.742.233.021.172.772.162.231.721.261.871.413.749.661.314.712.292.6618.351.1712.773.291.491.611.261.431.242.233.001.182.051.963.434.031.063.522.24????????.然后利用MATLAB計(jì)算X的相關(guān)系數(shù)方陣R=(rij),其中rij為R中i行j列的元素,其計(jì)算公式為rij=n∑k=1(xki-ˉxi)(xkj-ˉxj)√n∑k=1(xki-ˉxi)2n∑k=1(xkj-ˉxj)2.rij=∑k=1n(xki?xˉi)(xkj?xˉj)∑k=1n(xki?xˉi)2∑k=1n(xkj?xˉj)2√.由此公式可以知道rij=rji,然后計(jì)算上述方陣的特征值λ,令|λΙ-R|=0|λI?R|=0,由MATLAB計(jì)算出結(jié)果然后進(jìn)行排序λ1≥λ2≥…≥λp≥0,得到特征向量ei?p∑j=1eij2=1ei?∑j=1peij2=1,得到貢獻(xiàn)率λi/p∑k=1λkλi/∑k=1pλk,累計(jì)貢獻(xiàn)率λ′i=i∑k=1λk/p∑k=1λkλ′i=∑k=1iλk/∑k=1pλk,利用MATLAB計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85%~95%的特征值λ1,λ2,…,λm所對(duì)應(yīng)的第一、第二……第m(m≤p)m(m≤p)個(gè)主成分,則得到3個(gè)主成分,分別為第一主成分F1、第二主成分F2和第三主成分F3,F1=0.3851x1+0.2011x2+0.00538x3+0.25894x4-0.7180x5-0.1248x6-0.4541x7-0.0829x8,F2=0.3839x1-0.0680x2-0.2628x3-0.3274x4-0.2553x5-0.5994x6-0.0429x7-0.4955x8,F3=0.3635x1+0.1182x2+0.4779x3-0.4283x4-0.1244x5-0.2610x6+0.2952x7+0.5209x8.由此確定,工業(yè)區(qū)的Hg、Cu,交通區(qū)的As、Hg,生活區(qū)的Cu分別為重金屬污染的主要元素.3確定震源位置3.1污染位置的確定對(duì)于重金屬污染物的空間分布,結(jié)合數(shù)據(jù)的變化情況,首先從幾個(gè)側(cè)面分析污染物的傳播特征,然后根據(jù)最速下降法進(jìn)行方向追蹤污染源的位置.整合數(shù)據(jù)分析可得,平面角度:以污染物濃度較高的地理位置為圓心擴(kuò)散,區(qū)域劃分角度:工業(yè)區(qū)、交通區(qū)、生活區(qū)、公園綠化區(qū)、山區(qū).然而值得注意的是,從元素的種類上看,某些重金屬不會(huì)擴(kuò)散,也就是說(shuō),其在土壤的穩(wěn)定性很強(qiáng),在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)傳播.所以,在確定傳染源的時(shí)候,需要進(jìn)行模糊聚類,將一些傳播明顯的元素進(jìn)行梯度分析,進(jìn)而得到最速下降最快的方向,也就得到了污染源的位置.3.2土壤重金屬污染的成因土壤中重金屬元素主要有自然來(lái)源和人為干擾輸入兩種途徑.在自然因素中,成土母質(zhì)和成土過(guò)程對(duì)土壤重金屬含量的影響很大.在各種人為因素中,則主要包括工業(yè)和交通等來(lái)源引起的土壤重金屬污染.以下主要對(duì)受人為作用影響的土壤重金屬污染來(lái)源進(jìn)行介紹.3.2.1企業(yè)固體廢棄物排放廢水工業(yè)過(guò)程中廣泛使用重金屬元素,工礦企業(yè)將未經(jīng)嚴(yán)格處理的廢水直接排放,使得周圍的土壤容易富集高含量的有毒重金屬.企業(yè)排放的煙塵、廢氣中也含有重金屬,并最終通過(guò)自然沉降和雨淋沉降進(jìn)入土壤.礦業(yè)和工業(yè)固體廢棄物在堆放或處理過(guò)程中,由于日曬、雨淋、水洗等原因,重金屬極易移動(dòng),以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤擴(kuò)散,固體廢棄物也可以通過(guò)風(fēng)的傳播而使污染范圍擴(kuò)大.3.2.2重金屬道路一般會(huì)在道路,一般會(huì)在道路,一般分為5105和5.道路兩側(cè)土壤中的污染物主要來(lái)自汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵的沉降,而污染元素則主要為Pb、Cu、Zn等元素.它們一般以道路為中心呈條帶狀分布,強(qiáng)度因距公路、鐵路、城市的距離以及交通量的大小有明顯的差異.3.3確定震源位置3.3.1污染源的估計(jì)為簡(jiǎn)化模型,從Cu的污染分布著手討論污染源位置確定的模型,其他元素依次代入模型即可.污染源(x0,y0,z0)=(0,0,0)使用INGLADA方法進(jìn)行初值計(jì)算,設(shè)觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi,zi),初步估計(jì)污染源多于2個(gè),污染源到觀測(cè)點(diǎn)的距離為R,對(duì)于污染源i有(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2=R2i(x0?xi)2+(y0?yi)2+(z0?zi)2=R2i.(1)對(duì)于污染源j有(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2=R2j(x0?xj)2+(y0?yj)2+(z0?zj)2=R2j.(2)將(1)式、(2)式展開(kāi)后相減得到線性方程(xi-xj)x0+(yi-yj)y0+(zi-zj)z0=12(r2i-r2j+R2j-R2i)(xi?xj)x0+(yi?yj)y0+(zi?zj)z0=12(r2i?r2j+R2j?R2i),(3)其中r2i2i=x2i2i+y2i2i+z2i2i.由于土壤為均勻介質(zhì),傳播速度恒定,得(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2(Ci-C0)=(xj-x0)2+(yj-y0)2+(zj-z0)2(Cj-C0)(xi?x0)2+(yi?y0)2+(zi?z0)2(Ci?C0)=(xj?x0)2+(yj?y0)2+(zj?z0)2(Cj?C0).(4)將觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)每3個(gè)一組代入(3)式,得到一系列(x0,y0,z0)(x0,y0,z0),從而反演得源位置.數(shù)據(jù)每4個(gè)一組共分成80組,代入(4)式中,得到80組(x0,y0,z0)(x0,y0,z0)污染源位置.統(tǒng)計(jì)得x0的波動(dòng)范圍為0~2454,y0的波動(dòng)范圍為987~1570,從而確定平面污染源的區(qū)域范圍為{0≤x0≤2454987≤y0≤1570{0≤x0≤2454987≤y0≤1570.由于采樣點(diǎn)是在間距1km左右的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi),|zi-zj||zi?zj|遠(yuǎn)小于|xi-xj||xi?xj|和|yi-yj|?(3)|yi?yj|?(3)式中的系數(shù)矩陣會(huì)有奇異性,在z0解發(fā)散,充分說(shuō)明模型適宜此問(wèn)題.3.3.2其他接觸問(wèn)題的補(bǔ)償基于GEIGER法的基本思想,建立空間直角坐標(biāo)系ΔC+?Ck?xΔx+?Ck?yΔy+?Ck?zΔz=rkΔC+?Ck?xΔx+?Ck?yΔy+?Ck?zΔz=rk,(5)式中Δx,Δy,Δz分別為污染源坐標(biāo)校正量,ΔC為濃度校正量,?Ck?x,?Ck?y,?Ck?z?Ck?x,?Ck?y,?Ck?z為空間偏導(dǎo)數(shù),rk為測(cè)定濃度的偏差,可寫(xiě)成矢量形式AΔ→x=→r?其中Δ→x=(ΔC,Δx,Δy,Δz)?→r=(r1,r2??rm).(6)(6)式中系數(shù)矩陣A為m×4矩陣A=(1?C1?x?C1?y?C1?z1?C2?x?C2?y?C2?z????1?Cm?x?Cm?y?Cm?z).(7)將INGLADA方法計(jì)算的初值代入(5)式求解,再用求解結(jié)果校正r,如此反