毕业论文-城市表层土壤重金属污染分析.pdf

1 东 莞 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 （2013 届）届） 题目：城市表层土壤重金属污染分析 学生姓名：陈燕玲 学号： 题目：城市表层土壤重金属污染分析 学生姓名：陈燕玲 学号： 200941410111 院（系）： 计算机学院 专业班级：信息与计算科学（ 院（系）： 计算机学院 专业班级：信息与计算科学（1）班 指导教师：熊辉 副教授 起止时间： ）班 指导教师：熊辉 副教授 起止时间：2013 年年 3 月月2013 年年 6 月月 2 城市表层土壤重金属污染分析城市表层土壤重金属污染分析 摘要：摘要： 随着城市经济的高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渐明显， 对于重金属在环境中的影响更是明 显，因此研究城市表层土壤重金属污染是刻不容缓的事情。本文讨论 城市表层土壤重金属污染问题， 主要是针对采样点的浓度值和所属区 域进行归类和浓度分析以及指标化。首先绘制出空间分布图、计算各 区域的污染指数，然后分析其受污染原因，并采用扩散模型（偏微分 方程）求出污染源的位置，然后对污染源进行对比。最后对扩散模型 进行拓展。 关键词：关键词：重金属污染内梅罗指数法偏微分方程扩散模型 3 Analysis of surface soil heavy metal pollution in city Abstract ： With the rapid development of urban economy and urban population continues to increase, human activities impact on the quality of urban environment increasingly apparent, more noticeable effects on heavy metals in the environment, so the surface soil heavy metal pollution in cities is urgent thing. This paper discusses the problems on the surface soil heavy metal pollution in cities, mainly according to the density of sampling points and classifies the area and the concentration and index analysis. Firstly mapped the space, calculation of regional pollution index, and then this paper analyzes the reasons of its tainted, and the diffusion model (partial differential equation) and the location of the pollution sources, and contrast the sources of pollution. The last to develop the diffusion model. Keywords: Heavy Metal Pollution，Nemerow Index Method，Pa- rtial Differential Equation，Diffusion Model 1 目录目录 一、 引言一、 引言.1 1 （一） 选题背景（一） 选题背景. 1 （二） 土壤重金属污染的来源 1 （二） 土壤重金属污染的来源.1 （三） 本课题研究的意义及研究的内容 1 （三） 本课题研究的意义及研究的内容.1 1 二、 重金属元素空间分布及污染程度分析二、 重金属元素空间分布及污染程度分析.2 2 （一） 重金属元素空间分布（一） 重金属元素空间分布. 2 （二） 重金属污染程度分析 2 （二） 重金属污染程度分析. 3 1、单因子指数法 3 1、单因子指数法. 3 2、综合指数法 3 2、综合指数法. 4 4 三、 重金属污染的主要原因三、 重金属污染的主要原因.6 6 （一） 重金属污染原因的分析（一） 重金属污染原因的分析.6 （二） 重金属污染原因的猜想 6 （二） 重金属污染原因的猜想.6 6 四、 建立模型确定污染源四、 建立模型确定污染源.9 9 （一） 污染物的传播特征（一） 污染物的传播特征. 9 （二） 建立微分方程模型 9 （二） 建立微分方程模型. 9 1、一维扩散模型 9 1、一维扩散模型. 9 2、二维扩散模型 9 2、二维扩散模型. 10 3、三维扩散模型 10 3、三维扩散模型. 10 （三） 模型求解 10 （三） 模型求解. 11 （四） 模型分析 11 （四） 模型分析. 13 （五） 模型拓展 13 （五） 模型拓展. 1414 五、 总结五、 总结.16 参考文献 16 参考文献17 致谢 17 致谢18 附录 18 附录1919 1 城市表层土壤重金属污染分析城市表层土壤重金属污染分析 一、引言 （一） 选题背景（一） 选题背景 随着城市经济和科技的高速发展，城市化脚步的不断加快，人类活动对城市 环境质量的影响日益突出。随着社会的进步，人类的环保意识不断提高，土壤表 层重金属污染问题成为了极为严重的生态问题。土壤重金属污染是指通过人类的 日常活动，将重金属或其化合物加入到土壤当中，导致土壤中的重金属含量超标 以及造成土壤质量的退化，进而致使生态环境质量的恶化 1。 （二） 土壤重金属污染的来源（二） 土壤重金属污染的来源 工业污染是重金属污染的主要源头，然后就是交通废弃排放和生活垃圾而产 生的污染。工业污染主要是指工业生产间产生的废渣、废气、废水等排入生活环 境当中，然后在人和植物、动物中富集，对人类的健康造成潜在危害。可以通过 一些技术方法和管理措施来降低工业发展的污染，使之达到国家规定的污染物排 放标准 2；交通污染主要是指交通工具在使用过程中排放尾气到空气中，国家也 制订了一系列的方针政策来管理交通污染这个问题 3；生活污染主要是指生活中 产生的垃圾造成的环境污染，主要是废旧电池的乱抛、上彩釉的碗碟、化妆品等 等， 对于生活污染的管理，主要是从我们的生活当中控制，从源头入手，减少重 金属的污染 4。 关于土壤重金属污染的特性及其危害，感兴趣的读者可参阅文献5。 （三） 本课题研究的意义及研究的内容（三） 本课题研究的意义及研究的内容 21 世纪的科学技术发展迅猛，促进了地区的经济发展，同时提高了人民的生 活水平。然而，科技是一把双刃剑，在科技发展的同时，也对人类的生活以及生 态环境造成了严重的影响。 本文分四个部分， 第一部分通过 matlab 编程绘制出 8 种主要重金属元素的空 间分布，然后分析各功能区内重金属的受污染程度。第二部分通过对采样点数据 进行分析，得到重金属污染的主要原因。第三部分就是通过建立模型，确定污染 源的位置。第四部分主要就是分析模型的优缺点，然后在此基础上作出推广，使 之可以更好地研究城市地质环境的演变。 2 二、 重金属元素空间分布及污染程度分析 （一） 重金属元素空间分布（一） 重金属元素空间分布 根据采样点数据（见附录），运用 MATLAB 软件绘制采样点中的 8 种重金属 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的污染浓度空间分布图，如图 2.1-图 2.8 所示， 其中高度表示浓度大小（代码见附录-程序 1）： 图 2.1 As 污染空间分布图图 2.2 Cd 污染空间分布 图 2.3 Cr 污染空间分布图 2.4 Cu 污染空间分布 图 2.5 Hg 污染空间分布图 2.6 Ni 污染空间分布 3 图 2.7 Pb 污染空间分布图 2.8 Zn 污染空间分布 （二） 重金属污染程度分析（二） 重金属污染程度分析 为了分析重金属元素的污染程度，应用内梅罗指数法进行处理。内梅罗指数 法是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一，该方法先求出各因 子的分指数(超标倍数)，然后求出个分指数的平均值，取最大分指数和平均值计 算,包括单因子指数法和综合指数法 6。 1、 单因子指数法1、 单因子指数法 通过单因子评价，可以确定主要的重金属污染物及其危害程度。一般以污染 指数来表示，以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲来计算污染指数： i i i S C P （1） （1）式中： i P为i重金属元素的污染指数； i C为重会属含量实测值； i S为土壤 环境质量标准值 7(国家二级标准值)。 运用 excel 软件对采样点数据按照（1）式进行计算，得到重金属元素的单因 子污染指数，如表 2.1 所示： 表 2.1 重金属元素的单因子污染指数 单因子污 染指数 As (g/g) Cd (ng/g) Cr (g/g) Cu (g/g) Hg (ng/g) Ni (g/g) Pb (g/g) Zn (g/g) 生活区1.742.661.492.233.434908 工业区2.013.021.729.6618.351.613.004.027935 山区61.311.171.261.181.062235 4 交通区1.592.771.874.7112.771.432.053.519636 公园绿地1.742.161.412.293.291.241.962.235395 表 2.2 土壤单项污染程度分级标准 i P1 i P21 i P32 i P3 i P 污染水平非污染轻污染中污染重污染 根据表 2.1 和表 2.2 单因子指数污染分级标准即可判断各大功能区的重金属 污染程度。显然，工业区的污染是相当严重的，而污染最轻的就是山区。 2、 综合指数法2、 综合指数法 单因子指数法只能反映各个重金属元素的污染程度，不能够全面地反映土壤 的污染状况，而综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，可以突出 污染较重的重金属污染物的作用。综合污染指数计算方法如下： 2 2 max 2 i PP P ）（ 综 （2） （2）式中： 综 P是采样点的综合污染指数； imax P为i采样点重会属污染物单项污 染指数中的最大值； n i i P n P 1 1 为单因子指数平均值。 但是，由于不同重金属对土壤环境、生态环境的影响是不同的，因此采用加 权计算法来求平均值会比较合适，所以对（2）式进行改进，得到如下公式： n i i n i ii w Pw P 1 1 （3） 对于权重w，可以根据重金属对环境的影响程度来确定其大小。把环境研究 中人们比较关注的微量元素分成三类，因一类、二类、三类微量元素环境重要性 逐渐下降，于是分别赋值为 3、2、1 作为权重。本课题中涉及到的几种重金属其 类别和权重分配如表 2.3 所示： 表 2.3 重金属污染物对环境的重要性分类和权重值 HgPbCdAsZnCuCrNi 类别IIIIIIIIIIII 5 权重3/203/203/203/202/202/202/202/20 运用 excel 软件，对采样点数据按照（3）式进行计算，得到各区域的综合污 染指数，如表 2.4 所示： 表 2.4 各区域综合污染指数 综合污染指数生活区工业区山区交通区公园绿地 内梅罗污染综合指数 31493 41022 13578 37332 12491 70674 94687 2501 27561 17297 表 2.5 土壤综合污染程度分级标准 土壤综合 污染等级 土壤综合污染指数污染程度污染水平 10.7 综 P安全清洁 20 . 17 . 0 综 P警戒线尚清洁 30 . 20 . 1 综 P轻污染污染物超过起初污染值，作物开始污染 40 . 30 . 2 综 P中污染土壤和作物污染明显 53.0 综 P 重污染土壤和作物污染严重 从表 2.4 可以得到生活区综合污染指数为 3.149341022，根据表 2.5 的土壤 污染分级标准，生活区污染程度为重度污染。按此评判标准，山区的污染程度为 轻度污染，公园绿地区为中度污染，生活区、工业区和交通区都是重度污染，其 中污染程度可排序为如下： 工业区交通区 生活区公园绿地区山区。 与此同时，从以上计算公式可以看出，内梅罗综合指数法过分突出污染指数 最大的重金属污染物对环境质量的影响和和作用，在评价时可能会人为地夸大或 缩小一些因子的影响作用， 使其对环境质量评价的灵敏性不够高， 在某些情况下， 它的计算结果难以区分土壤环境污染程度的差别。 6 三、 重金属污染的主要原因 （一） 重金属污染原因的分析（一） 重金属污染原因的分析 造成土壤重金属污染的原因很多种，但大体来说主要由两种： a.成壤过程中元素发生富集作用产生的和成土母质元素异常所致的先天性土壤 污染，这属于由地质背景引起的土壤污染； b.各种污染作用将元素带入土壤并累积形成的土壤污染； 通过该城区的背景值与 国家级标准 8比较可以知道是正常的，不存在先天污染的原因，主要是各种污 染作用将元素带入土壤并累积造成的土壤污染。 （二） 重金属污染原因的猜想（二） 重金属污染原因的猜想 根据采样数据及查证获得的数据信息，应用 excel 软件计算出各地区重金属 元素污染平均值，如表 3.1 所示： 表 3.1 各地区重金属元素污染平均值 As (g/g) Cd (ng/g) Cr (g/g) Cu (g/g) Hg (ng/g) Ni (g/g) Pb (g/g) Zn (g/g) 生活 区 6.27289.9669.0249.4093.0418.3469.11237.01 工业 区 7.25393.1153.41127.54642.3619.8193.04277.93 山区4.04152.3238.9617.3240.9615.4536.5673.29 交通 区 5.71360.0158.0562.21446.8217.6263.53242.85 公园 绿地 6.26280.5443.6430.19114.9915.2960.71154.24 背景 值 3.61303113.23512.33169 对上表中，各区域重金属元素污染值与其背景值进行对比，应用 excel 绘制出 直观的条形图如图 3.1 所示： 7 图 3.1 各地区重金属元素污染值与背景值比较 通过观察可以推断，城区的重金属污染与人类的生产、生活有着密切的关系。 上图通过将全区金属浓度平均值与背景值做比较，可以初步得出城区的重金属污 染物主要为 Cd、Zn、Hg、Pb、Cu。基于此，可以初步估计该城区的污染可能为工 业排放和交通尾气排放。 （三） 重金属污染原因的证实（三） 重金属污染原因的证实 基于表 2.1 重金属元素的单因子污染指数，我们绘制出了各重金属元素在各 功能区的单因子污染指数条形图，如图 3.2 所示： 图 3.2 各功能区的单因子污染指数 分析图 3.2 可以知道该城区的不同功能区中土壤中重金属污染的贡献不同。 Cd、Hg、Cu、Zn 的污染范围最广，影响 4 个功能区，Pb 影响 2 个功能区，Cr 影 8 响 1 个功能区，As、Ni 对各个功能区基本没有影响。 根据以上分析得出的结论 绘制各个功能区的重金属元素污染，如图 3.3 所示： 图 3.3 各个功能区的重金属元素污染 表 3.2 各功能区主要污染元素 污染贡献元素主要污染贡献元素 生活区Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、ZnCu 工业区Cd、Cu、Hg、Pb、ZnHg 山区无无 交通区Cd 、Cu、Hg、ZnHg 公园绿地Cd 、Cu 、Hg、ZnHg 据图 3.3 和表 3.2 分析，该城区不同功能区土壤中重金属污染贡献具有一定 的差别。在生活区中，Cu、Zn 的污染贡献最大，由于 Cu、Zn 农业生产中农药、 化肥和生活中塑料薄膜的使用，故可判断其污染的原因是生产活动中化肥施用过 量，或是城市垃圾的焚烧、燃煤等。在工业区中，Hg、Cu、Zn 的污染贡献最大， 该三种元素主要来源于工业三废，所以应该是油漆厂，冶金厂等工业废水、 废渣超标排放。在山区中，所有重金属元素含量都很低，与背景值最为接近，所 以基本没有受污染或者污染程度非常轻。在交通区中，Cd、Cu、Hg、Zn 元素的污 染贡献较大，由于是主干道路区，其污染原因为汽车尾气的排放和汽车轮胎的磨 损，以及随风扩散至周围地区的工业废物。在公园绿地中，Hg 的污染贡献大， 其 污染原因极大可能是通过气流运动，降水等沉降积累。综合以上分析，可以证实 该城区的重金属污染主要原因在于工业排放和交通尾气排放。 9 四、 建立模型确定污染源 （一） 污染物的传播特征（一） 污染物的传播特征 重金属污染物的传播方式有很多，但主要的有三种，分别为土壤传播、水体 传播和大气沉降。污染物传播的基本形式有：随着介质的迁移而运动，污染物自 身的分散运动，污染物的衰减以及转化，污染物被环境介质吸收或吸附于别的物 体当中，污染物的沉淀。 在环境媒质中，污染物扩散包括分子扩散、湍流扩散和弥散。分子扩散是客 观的现象，由分子的随机热运动引起的质点分散现象，存在于污染物的所有运动 过程中；湍流扩散是指在湍流流场中物质质点由于湍流脉动而导致的由浓度高处 向浓度低处的分散现象；而弥散是指由于流体的横断面上各点的实际流速分布不 均匀所产生的剪切而导致的分散现象。 （二） 建立微分方程模型 1、 一维扩散模型 （二） 建立微分方程模型 1、 一维扩散模型 当污染物浓度的空间分布只在一个方向上存在显著差异时，常采用一维模型 来进行描述。考虑到它的扩散方向只是在一个方向上进行的，假设这个扩散方向 为 x 轴，这样在 x 方向选取一个存在浓度梯度的微小体积元。 输入的水平运动公式为：zyCux ；输入的垂直弥散公式为：zy x C Dx -； 改变 x 后，输入的水平运动公式为：zyx x Cu zyCu x x ；改变 x 后，输入 的垂直弥散公式为：zyx x C D x zy x C D xx )(-；于是可以得到以下公式： 单位时间里输入该体积元污染物的量为： zy x c Dcu xx )(（4） 单位时间里由该体积元中输出污染物的量为： zyx x c D xx c Dx x cu cu xx x x )(）（5） 由于在传播的过程中物质会发生一定的衰减反应，则由衰减所引起污染物浓 度的变化为zyxkc，这样单位时间内物质通过该体积元的变化量为： 10 zyxkczyx x c D x x c Dx x cu cuzy x c Dcuzyx t c x x x xxx )( )()( （6） 将上式简化，并当0x，得： kc x c D xx cu t c x x )(（7） 在均匀流场中， x u 和 x D 都可以看做为常数，则上式可以写作： kc x c D x c u t c xx 2 2 （8） 其中上式中，c表示浓度， x u 表示断面平均流速， x D 表示 x 方向上的弥散系数， k 表示污染物的衰减系数，负号表示由浓度梯度高向浓度梯度低的方向扩散。 2、 二维扩散模型2、 二维扩散模型 当污染物的浓度分布在横向也存在着显著差异，需要建立二维的模型。其建 模思路与一维模型的建立基本一致，只是要同时考虑体积元在两个方向上的质量 平衡。其具体形式如下: kc y c D x c D y c u x c u t c yxyx 2 2 2 2 （9） 其中上式中， y u 表示 y 方向流速分量， y D 表示 y 方向上的弥散系数。 3、 三维扩散模型3、 三维扩散模型 当污染物在空间各方向都存在浓度梯度时，就需要建立三维模型，其建模思 路如前。在三维模型中，由于用的不是断面平均值，故出现的不是弥散系数，而 是湍流扩散系数。具体形式如下： kc z c u y c u x c u z c E y c E x c E t c zyxzyx 2 2 2 2 2 2 （10） 其中 z u表示 z 方向流速分量， x E ， y E， z E表示 x、y、z 方向上的湍流扩散系数。 通过对采样点的实际数据进行分析以及结合实际情况，假设采样时每个区域 的浓度已经达到了稳定状态，从而有0 t c ，得： 11 0 2 2 2 2 2 2 kc z c u y c u x c u z c E y c E x c E zyxzyx （11） 由于城市的环境是长时间所形成的，并且这八种重金属的存在形式大多是化 合态，经过长时间以后，重金属的污染浓度在一定程度上达到了相对稳定。假设 每个污染源的排放重金属的速度已经稳定不变，一个连续稳定排放的点源，在 smux/1时，可以忽略纵向扩散的影响以及在 y 方向和 z 方向上的流动，即 0, 0, 0 zyx uuE，则式(11)可以化简为： kc z c E y c E x c u zyx 2 2 2 2 （12） 式（12）的解析解为： )exp()( 4 exp 4 ),( 22 xzy x zy u kx E z E y x u EE M zyxc （13） 其中M表示瞬时点源的质量。 （三） 模型求解（三） 模型求解 由于该偏微分方程非特殊方程，因此不一定存在解析解，且在本科求学阶段 没有办法求解偏微分方程， 因此本课题通过应用 matlab 编程拟合得到重金属浓度 的拟合函数，进而得到污染源。 由于采样点数据庞大且参差不齐，因此采集各种金属元素浓度最高的前十个 采样点进行拟合， 通过 matlab 编程， 得到各重金属元素的纯二次二项式回归浓度 函数，其中（x,y,z）表示采样点空间坐标（代码见附录-程序 2）： As的浓度函数如下： 905508360178495346.14497929 06625027371266719790.02918238-293103300676065101.05568596 5796336663098423200217360.00000014-806220107193301788110.00237171 6795499020393655630462160.00000016181417987696050223586-0.0018953As_ 2 2 2 zz yy xxC 其中，As_C为x，y，z处重金属的拟合值。对得到的浓度函数进行求偏导， 且 令其值为0，表示浓度达到稳定，即, 0 x AsC , 0 y AsC 0 z AsC ，通过matlab 计算，可以得到其污染源坐标为：（5724,8332,18）。同理可以得到其他元素的 12 浓度函数以及污染源。 Cd的浓度函数如下： 496031139326803431595.75900 + 617569196z06876857620.03333937203992512196049323.13008203 5149234092037078440.11415608 -44987845363152029122060.00001060 115999824700502999999990.0000036781569533388269073970.08926041- Cd_ 2 2 2 z yy xxC 通过matlab计算，可以得到其污染源坐标为（12165,5384,46）。 Cr的浓度函数如下： 844841538617297144834.22020- 2908017z35965140721.80303165-9328991441131758724.8278563- 5196421509805363238480.00029552-54515621289390033.09594262 23968001628517523004580.0000952937987685242648141.01688841- Cr_ 2 2 2 z yy xxC 通过matlab计算，可以得到其污染源坐标为（5335，5238，0）。 Cu的浓度函数如下： 208850571262862191364.23737 4909987z83281565961.427253750208788314508759493.8865125- 805187550050602509108810.00000948-2171045758967317630.25085458 573838652903759184766760.000005037332268902343000740.18050411- Cu_ 2 2 2 z yy xxC 通过matlab计算，可以得到其污染源坐标为（17921，13232，32）。 Hg的浓度函数如下： 4909126231140987215554.6764 0931565z993063678542.8245807-171778714425655971341.31758 8551276374243956480210.00036657585744646582775136.36865328- 90336775011309944325720.000024661337257176001941250.67556392 Hg_ 2 2 2 z yy xxC 通过matlab计算，可以得到其污染源坐标为（0，8686，15）。 Ni的浓度函数如下： 07758034395759791292.381430 54092577z44347353480.17154017906674227568759520.4043299- 904359473755096168399180.0000045262485355473284943380.05583817 0380896776894350034115810.00000021228808453389750081670.00941408 Ni_ 2 2 2 z yy xxC 通过 matlab 计算，可以得到其污染源坐标为（0, 6159, 59）。 Pb的浓度函数如下： 13 317951369201254949.2394263- 43991664z21751387900.673123588525730119563256030.2765942- 44413711603108718841470.00001690-8287268187318947610.16539756 5732332788056314216850.000101571762809058034463600.32766239 Pb_ 2 2 2 z yy xxC 通过matlab计算，可以得到其污染源坐标为（1613,4893,22）。 Zn的浓度函数如下： 113960883519092303383.51961- 270860z06604479921.41960466-247488053214165148.905334 7518454613036943346710.00012452-09775381301596621.85039902 0482853211208077264230.000042127173630420674751400.69013562- Zn_ 2 2 2 z yy xxC 通过matlab计算，可以得到其污染源坐标为(8191,7430,52)。 于是综合以上结果，可以得到8种重金属的污染源坐标如表4.1所示： 表4.1重金属元素的污染源 元素X/my/mz/m As5724833218 Cd12165538446 Cr533552380 Cu179211323232 Hg0868615 Ni0615959 Pb1613489322 Zn8191743052 （四） 模型分析（四） 模型分析 通过求解模型得到了 8 种重金属元素的污染源，现在对得到几个污染源位置 和采样点位置进行比较，然后粗略得到该的可信度。运用 matlab 的 scatter3 9 函数绘制出三维散点图，将 8 种元素浓度前十高的采样点点与其对应污染源绘制 在同一张图中，然后观察采样点与污染源位置关系。用黑色圆点表示拟合得到的 污染源坐标，得到的比较图如下（代码见程序 3）： 14 图 4.1 As、Cd、Cr、Cu 与其污染源位置的比较 图 4.2 Hg、Ni、Pb、Zn 与其污染源位置的比较 通过图 4.1 与图 4.2 可以清晰看到，该算法拟合效果还不错，大部分重金属 的污染源都是接近相应金属的浓度最高的密集处的，可见该算法误差不大。 （五） 模型拓展（五） 模型拓展 基于偏微分方程 10确认土壤重金属污染源是一种可行并且有效的方法，并且 该模型是建立在现有的已经颇显成熟的科学扩散方程和热传导方程的基础之上， 15 因此这些方程在很多著名的论文中都被引用来解决环境污染的扩散问题，所以该 模型具有充分的理论依据和实践证明，并且能够有效地处理污染源位置的问题， 同时也可以用来推广到解决土壤内部的元素迁移、 大气污染的扩散、 水污染扩散、 以及核辐射等问题。 可是，以上建立的确定污染源的模型也有不足之处，而且其缺点是显而易见 的。譬如：无法对多污染源的交叉污染进行准确的污染源判断；没有考虑到地表 河流流向和风向等对重金属浓度的影响；忽略了地表植被和生物降解对浓度的影 响 （由于富集速率远远大于降解速率和土壤内部的转移速率， 因此可以选择忽略） 等。 为了更好地研究城市地质环境的演变模式，应该对这些采样点进行长时间跟 踪采用来测试其浓度，并且适时改变采样点的深度，采取不用深度的样点进行样 本迁移速率和降解速率的测定。同时，在对采样点进行数据测试的时候，也应该 适当收集该城区的工业发展和人口增长情况等。 随着城市的发展，在没有政策等限制的情况下，该城市的污染企业和人口的 数量规模都会随时间的推移而扩大，这趋势必定会造成污染源的个数增加和污染 量的排放增加，而植被微生物的降解作用是土壤污染改良的主要因素与土壤中污 染物的浓度有关系。 为了更好地研究城市地质环境的演变，能够更加全面客观地评价城市的土壤 污染程度，还应该收集以下信息：土壤溶液的 PH 值；生物降解量；地下水体的重 金属浓度；污染源的垃圾排放量；大气污染程度。有了这些数据以后建立因子分 析法，回归分析等模型解决问题。 16 五、 总结 研究土壤表层重金属污染，使得我更懂得重金属的一些性质，例如重金属的 传播方式，重金属的毒性等等。从采样收集到的一堆数据，通过使用 matlab 和 excel 软件，把这些采样点数据连接起来，得到各功能地区的受污染程度以及主 要污染金属。然后应用偏微分方程模拟土壤重金属污染的传播方式，进而得到重 金属的浓度函数。最后通过 matlab 编程拟合得到 8 种重金属的污染源位置。虽 然论文的撰写并不算顺利，很多编程以及细节问题都重复出现，幸而当今社会的 网络化以及学校图书馆的海量藏书使得我的问题终究迎刃而解。 也通过撰写这篇 毕业论文，扩大了我的认知层面，以及解题思路更清晰了。总而言之，通过这次 的毕业设计，我获益匪浅。 17 参考文献 1 土壤重金属污染： 2 工业污染: 3 交通污染: 4 生活污染: 5 土壤重金属污染的特性及其危害： 6 内梅罗指数法: 7 土壤环境质量标准值： 8 国家级标准： 9matlab 中scatter3 函数： /computing/Matlab/OldTechDocs/ref/scatter3.html 10 偏微分方程： 11 许波，刘征.Matlab 工程数学应用.清华大学出版社.2000 年 4 月版. 12 张渭滨.数学物理方程.清华大学出版社（第 1 版）.2007 年 8 月. 13 姜启源，谢金星，叶俊.数学建模（第四版）.高等教育出版社.2011 年 1 月. 14 郑彤,陈春云.环境系统数学模型.化学工业出版社，2003. 15 Liu Wen-bo1, Lu Lai-Jun. Heavy metal pollution of city surface soil analysis model. 16XuSai-Hua.TheStudyofEnvironmentalPollutionBasedon Second-order Partial Differential Equation Model. 18 致谢致谢 毕业论文过程中，本人在“土壤表层重金属污染分析”中收益良多。 在此， 对孜孜不倦辅导我们的导师熊辉副教授表示衷心的感谢，同时，还有一起奋斗互 相帮助的同学们，谢谢你们。 19 附录 程序 1程序 1 M=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet1,B4:C322); As=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,B4:B322); Cd=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,C4:C322); Cr=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,D4:D322); Cu=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,E4:E322); Hg=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,F4:F322); Ni=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,G4:G322); Pb=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,H4:H322); Zn=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,sheet2,I4:I322); x=M(:,1);%取采样点x坐标 y=M(:,2);%取采样点y坐标 nx=linspace(min(x),max(x),100);%在x坐标的最大值和最小值之间产生100点行矢量 ny=linspace(min(y),max(y),100);%在y坐标的最大值和最小值之间产生100点行矢量 xx,yy=meshgrid(nx,ny);%生成一个以向量nx为行，向量ny为列的数据网格 AsS=griddata(x,y,As,xx,yy,v4);%在x,y,As样本点坐标中插值，插值位置为（xx,yy），采用的插值算 法为v4，表示matlab4.0中提供的插值算法 figure,mesh(xx,yy,AsS);%绘制由线条框构成的曲面，其中AsS是xx,yy的函数 title(As的污染分布); CdD=griddata(x,y,Cd,xx,yy,v4); figure,mesh(xx,yy,CdD); title(Cd的污染分布); CrR=griddata(x,y,Cr,xx,yy,v4); figure,mesh(xx,yy,CrR); title(Cr的污染分布); CuU=griddata(x,y,Cu,xx,yy,v4); figure,mesh(xx,yy,CuU); title(Cu的污染分布); HgG=griddata(x,y,Hg,xx,yy,v4); figure,mesh(xx,yy,HgG); title(Hg的污染分布); NiI=griddata(x,y,Ni,xx,yy,v4); figure,mesh(xx,yy,NiI); title(Ni的污染分布); 20 PbB=griddata(x,y,Pb,xx,yy,v4); figure,mesh(xx,yy,PbB); title(Pb的污染分布); ZnN=griddata(x,y,Zn,xx,yy,v4); figure,mesh(xx,yy,ZnN); title(Zn的污染分布); 程序 2程序 2 clear;clc As=xlsread(C:UsersAdministratorDesktopcylessaycumcm2011,As,B2:E11);%读取采样点坐 标以及As的浓度大小 %进行拟合 x=As(:,1);%采样点x坐标 y=As(:,2);%y z=As(:,3);%z c=As(:,4);%采样点浓度 t=ones(size(x),x,y,z,(x.2),(y.2),(z.2);%创建一个7列矩阵t M=tc%左除,使得M*t=c浓度，进而求得系数M C=M(