城市表层土壤
重金属污染分析
摘 要
随着城市工业化水平的加快,除了医疗器械、冶金、化工生产、电子等诸多行业有大量重金属排出,人们的日常生活,农业用药以及交通尾气等也使排污量的大量增加,汞、铅、铬、铜等重金属污染已成为一个世界性难题。土壤中重金属的富集会导致环境污染,对植物生长安全及人体健康等构成直接危害。因此研究城市土壤中重金属的分布与污染问题,有着越来越重要的现实意义。
针对问题一,利用Matlab软件插值绘制出城市功能区分布图、海拔图和重金属元素等浓度曲线图,得到了各重金属元素的空间分布;运用内梅罗综合指数结合国家土壤重金属含量二级标准,对比分析得出结论:工业区、交通区的重金属污染程度较大。
针对问题二,基于统计学方法,使用平均值、标准差、变异系数、偏度和峰度,分析8种元素在各功能区的污染情况和分布特点,得到重金属污染的主要原因是工厂废物排放和汽车尾气的排放。
针对问题三,基于气体扩散理论,建立重金属污染物的指数分布模型;运用ArcGIS 软件绘制各重金属元素浓度的直方图、QQ-PLOT图、空间趋势图以及半变异函数图像,分析出重金属污染物的传播特征,从而选定出指数范普通克里格插值为重金属元素的最优插值模型。利用Matlab软件对插值生成的数据进行分析,画出梯度矢量图,准确确定出8种重金属污染源的位置。
针对问题四,在问题三的模型基础上引入时间变量,通过高斯公式来研究城市地质环境的演变模型,拟需要不同时间段的数据材料。
关键词:土壤重金属污染 空间分布 地统计分析 ArcGIS 内梅罗指数
克里格插值
一 问题重述
随着城市经济的快速发展和城市人口的不断增加,人类活动对城市环境质量的影响日显突出。对城市土壤地质环境异常的查证,以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价,研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式,日益成为人们关注的焦点。
按照功能划分,城区一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等,分别记为1类区、2类区、……、5类区,不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。
将所考察的城区划分为间距1公里左右的网格子区域,按照每平方公里1个采样点对表层土(0~10 厘米深度)进行取样、编号,并用GPS记录采样点的位置。应用专门仪器测试分析,获得了每个样本所含的多种化学元素的浓度数据。另一方面,按照2公里的间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样,将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。
请运用数学建模的分析方法来完成以下任务:
(1) 给出8种主要重金属元素在该城区的空间分布,并分析该城区内不同区域重金属的污染程度。
(2) 通过数据分析,说明重金属污染的主要原因。
(3) 分析重金属污染物的传播特征,由此建立模型,确定污染源的位置。
(4) 分析你所建立模型的优缺点,为更好地研究城市地质环境的演变模式,还应收集什么信息?有了这些信息,如何建立模型解决问题?
二 模型假设
1、忽略海拔对重金属浓度的影响。
2、所给数据无坏值。
3、取样点分布均匀,各区域的个数可以代表区域面积。
4、该城市内的土壤ph值呈中性且为旱地。
5、重金属元素随废气、粉尘传播的速率为常数。
三 符号说明
符号
意义
第种重金属污染元素
污染物的环境实测值
污染物的评价标准
P综j
第j个功能区的内梅罗指数
土壤污染中污染指数的最大值
土壤污染中污染指数的平均值
C
重金属元素的浓度
扩散系数
grad
梯度
q
单位时间通过单位法向长度的流量
Q
总流量
p0
σ内污染物浓度的单位面密度
k
重金属元素污染的传播速率
四 模型的建立与求解
4.1任务一的分析与解决
4.1.1任务一的分析
任务一的关键是如何给出8种主要重金属元素在该城区的空间分布,并分析该城区内不同区域重金属的污染程度。论文中运用ArcGIS软件插值绘制出8种重金属元素在该城区的空间分布图像,并按划分好的5种功能区,对各区域中的重金属污染物程度进行了定量描述。
为了全面反映各污染物对土壤的不同作用,突出高浓度污染物对环境质量的影响,克服平均值法中各个污染物分担的缺陷,论文中采用了内梅罗综合污染指数法,能较全面地反映环境质量水平。
4.1.2任务一的解决
论文中利用已知的取样点坐标值及其所在的功能区域编号,运用Matlab软件绘制出该城市的功能区域分布图像及海拔图(见附录一),图中用不同颜色表示了城市中的5 个功能区域(如下图)。通过对功能区分布图和8种元素的浓度分布图进行比较分析,我们可以得到各元素在市内的分布情况,具体分析如下:
图1 功能区分布图
由上图我们可以看出受As元素影响较大的区域主要集中在山区、工业区以及交通区,并且从图像中还可以得知As的分布范围比较广泛;Cd元素影响较大的区域主要集中在山区、交通区,部分生活区由于靠近交通区也受到了较大影响。此外,从曲线的分布范围来看,该元素分布范围十分广泛,几乎遍及了这个城市大部分地区。可以推测这两种元素的污染源主要是非点源污染,而且这两种元素扩散性较强。
上图显示,Cr元素主要集中在部分交通区与生活区交界地带,山区和交通区的部分地方也受到了Cr元素的影响。图像中元素浓度曲线较为集中,说明此种元素在城市内的分布主要集中在特定的某几块区域,属于非均匀分布;Cu元素主要集中在部分交通区与生活区交界地带以及工业区和交通区的局部。与Cr的分布情况相类似,该元素的分布也主要集中在某几个特定的区域,呈现一种较不均匀的分布状态。可以推测这两种元素的污染源主要是点源污染,扩散性较弱。
该图显示,受高浓度Hg影响的区域较多,各个功能区均出现被污染迹象,但该元素的分布主要集中在功能区的部分区域,没有出现大范围的传播或扩散现象;Ni元素在山区、生活区和交通区的交界地带有较高浓度的分布。元素的污染浓度曲线分布范围十分广泛,说明这种元素扩散能力较强。
上图显示Pb的分布范围较为广泛,受其影响较大的主要是交通区、工业区和生活区;Zn主要富集在交通区和工业区,在人为活动影响较小的山区分布不是很多。
以上分别定性讨论了8种重金属元素空间分布,该城市的环境综合污染程度与8种重金属污染物质相关。因此,需要一种同时考虑多种污染物综合污染水平的多因子评价方法。我们引入了内梅罗综合污染归一化指数评价体系,它兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值,能较全面地反映环境质量水平,而且可以突出污染较重的污染物的作用,其计算公式如下:
,
式中为污染物的环境实测值(ug·g-1);为污染物的评价标准(ug·g-1);为土壤污染中污染指数的最大值;为土壤污染中污染指数的平均值[1-3]。通过上述公式计算得到的值越大,说明该区域受所有重金属污染的综合影响程度越大。
我们根据内梅罗评价体系利用Excel软件计算出每一个采样点的P综值,具体见附录三。依据得出的结果,分区域计算出每一个功能区的P综平均值,记为
P综j,所得结果如表1:
功能区 功能区域
P综j
1生活区
4.69
2工业区
15.34
3山 区
1.68
4交通区
12.42
5公 园
3.85
表1 各功能区内梅罗指数
由表1的结果可以得出以下两点结论:(1)工业区和交通区受重金属污染程度较大;(2)山区是五个功能区中环境质量最好的区域。工业区由于集中了大量化工企业,这些企业向环境中排放了大量重金属污染物,对环境的影响