科技创新数学建模获奖作品.doc

项目编号 衡阳师范学院第十二届大学生课外学术科技作品竞赛作 品 申 报 书作品名称： 城市土壤重金属元素污染分析 系（院）名称： 数学与计算科学系 作者姓名： 陈冰卿 联系电话:项目类别:自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作二一一年九月一、申报作品情况申报者情况姓 名陈冰卿性别女出生年月1992年8月专 业数学与应用数学年 级2009级作品全称城市表层土壤重金属污染分析作品类别自然科学类学术论文合作者情况姓 名性别年龄系（院）专业张艳女21数学于计算科学系信息与计算科学陈苍女20数学于计算科学系数学与应用数学指导老师姓名工作单位称谓魏继东衡阳师范学院副教授作品摘要近年来，我国土壤污染问题日益突出，土壤环境面临着由持久性有机污染物、重金属、农药等污染物所带来的前所未有的压力。人类的生产活动将大量重金属污染质带入到城市环境中,造成这些污染物在环境中大气、水体、土壤或食物链直接或间接地威胁人类健康。本文通过分析重金属污染物在各区的浓度分布，获得8种主要重金属元素在城区的空间分布，并分析了城区内不同区的重金属污染物的污染程度，提出重金属污染物防治及查找污染源的一些方法，旨在保护环境，提高土壤的环境质量。本文研究了采样点所在城区土壤中重金属含量、空间分布特征、污染程度以及污染来源。第一问中，我们采用surfer 8.0和 Matlab7.5画出了 8种重金属元素（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）在各采样点的分布图和各城区的划分图，两两对比，得出8种主要重金属元素在该城区的空间分布；用地质累积指数法，求出该城区内不同区域的污染程度：As，Cr，Ni为轻中等污染。生活区(1区)存在Cd，Hg,Pb等金属元素的轻中等污染，Cu，Zn等金属元素的中等污染；工业区（2区）存在Cd，Pb，Zn等金属元素的中等污染，Cu元素为中强等级污染，Hg元素为强污染；山区（3区）除Hg元素存在轻中等污染外，其他元素无污染;主干道路区（4区）存在Cd，Pb等元素的轻中等污染，Cu,Zn等元素的中等污染，以及Hg元素的强污染；公园绿地区（5区）除 Hg存在中等污染，Cr，Ni不存在污染，其余元素均为轻中等污染。第二问中，采用因子分析法运用Matlab等软件对数据进行处理，从变量的相关矩阵出发将一个 m维的随机向量 X分解成低于 m个且有代表性的公因子和一个特殊的 m维向量，使其公因子数取得最佳的个数为 4个，再结合地质学及环境污染研究分析出土壤重金属污染的主要来源有四个方面，即：工矿企业污染源，燃煤污染源，交通污染源，居民生活污染源等。第三问中，我们运用克立格法，有效的解决稀疏数据无法给出合理理论变异函数的问题，满足二阶平稳和本征假设，选取组 n个已知样品V(xi)，进行估计从而目标是要找出一组权重系数 i(i=n1,2,., )，根据公式计算画图确定了污染源的位置。第四问，结合实际数据，考虑到所建立的模型的不足之处，我们认为为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集该地区的每年生活、工业等重要污染源的垃圾排放量，以及每年的生物降解量，降雨量对重金属元素扩散的影响，空气污染也应该考虑进去。有了这些数据以后可建立因子分析法，回归分析，曲线拟合等模型解决问题。作品撰写的目的和基本思路近年来，我国土壤污染问题日益突出，土壤环境面临着由持久性有机污染物、重金属、农药等污染物所带来的前所未有的压力。为解决这一问题，本文通过分析重金属污染物在各区的浓度分布，获得8种主要重金属元素在城区的空间分布，并运用地累积指数法分析了城区内不同区的重金属污染物的污染程度；通过因子分析法确定污染源；并通过克立格法计算出污染源的位置；旨在保护环境，提高土壤的环境质量。作品的科学性、先进性及独特之处模型一：surfer 8.0和 Matlab7.5画出的图形较直观对比性强，问题结果一目了然；地质累积指数法能够比较简捷明确地计算出 8种重金属元素的污染程度。模型二：因子分析法便于操作，未对因子分析模型和理论特别是小样本因子分析模型漏掉了方差贡献小的公共因子、没有除去零方差的特殊因子等情形进行讨论和说明，因此因子分析在成因、来源问题研究上是一种非常有效的数学方法。模型三：这种估计比其他传统的估计方法更精确、更符合实际，并且避免了系统误差的出现，给出估计误差和精度。作品的实际应用价值和现实意义本文通过分析计算所给数据运用恰当的方法能够较好的求出城市重金属元素的污染程度、污染来源、以及确定污染源位置，能够较好的应用于实际生产生活中。本文所用方法还能运用于实际生活的各类污染来源的判别，环境样品的分类，监测点的优化及污染物组分的测定。作品引用的参考文献【1】周秀艳.王恩德.辽东湾潮间带底质重金属污染地累积指数评价J.安全与环境学报,2004.4(2)：22-24.【2】王雄军.赖健清.鲁艳红.李德胜.周继华.王建武.基于因子分析法研究太原市土壤重金属污染的主要来源J.2008.2.【3】吴新民.潘根兴.影响城市土壤重金属污染因子的关联度分析J.土壤学报.2003. 40(6): 921-927.【4】刘卫国.MATLAB程序设计与应用（第二版）M.高等教育出版社.2009.2.【5】Addison.surfer 8.0初学者手册M.2003.05.21【6】夏增禄.北京地区重金属在土壤中的纵向分布和迁移J.环境科学学报，1985,5(1)：105112.【7】符建荣.土壤中铅的积累及污染的农业防治J.农业环境保护，1993，12(5):223一 226.【8】张甘霖.城市土壤的生态服务功能演变与城市环境保护J.科技导报， 2005，23(3):16一 19.【9】王政权.地统计学及在生态学中的应用M.科学出版社.1999作品在何时、何地、何种机构举行的会议上或报刊上发表及所获奖励本文在2011年全国大学生数学建模竞赛中获湖南省二等奖，并在答辩赛中由专家审核通过。二、作品的评定指导老师评语（请对作品的选题意义；技术水平；适用范围；推广前景；所有资料、实验结果和计算数据的可靠性；论文的创造性成果；写作规范化、逻辑性及论文的不足之处作出评价）优秀（ ） 良好（ ） 合格（ ）