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11组魏喜策（10-421）周坤（10-421）龚巨桐（10-411）题目：城市表层土壤重金属污染分析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(1类)、工业区(2类区)、山区（3类区）、主干道路区（4类区）及公园绿地区（5类区）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。现对某城市城区土壤地质环境进行调查。为此，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。附件1列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息，附件2列出了8种主要重金属元素在采样点处的浓度，附件3列出了8种主要重金属元素的背景值。需要解决的问题：(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？由题目可以得出那些信息？（1）、采样点的坐标、海拔高度以及所属的功能区。（2）、采样点处各种重金属的浓度（注意单位）。（3）、各种元素的背景值（平均值，标准偏差，范围）。题目的基本假设？1、各个采样点属于单一功能区，而且数据准确。2、各区域土壤中重金属的背景值相同。3、现有重金属的检测只是常年累积的结果。4、污染源的位置在最高浓度的附近。5、当前检测浓度值大于背景值的上限时，即认为被污染。1、问题一：首先观察各采样点的分布情况，用Matlab作图得出，各采样点的分布是散乱状态的，因此应采用散乱数据的差值。1.1数据差值Shepard插值法，其基本思想是：某一点的函数值受周围各点的影响，较近的点影响大，较远的点影响小，其影响权数与距离的平方成反比，又称距离平方反比率，具体做法如下：记采样点为，其高度值为其中为采样点数，地形高度函数为，则对任一点，其高度为

其中

为点与点之间的距离。通过Shepard插值法对采样点的数据进行差值，得出拟合后的该地区等高线图。将采样点处的高度值改为某一重金属元素的浓度值，再用同样的方法进行差值就可以得到该重金属元素的浓度分布图（颜色由蓝到红，由浅到深表明污染物浓度的升高），下面以Hg元素为例，对其分布进行分析，结果如下：东部没有污染，中部以及中南部存在污染，西部污染相对严重，分布相对集中。（程序演示）1.1.2金属元素空间分布分析：As东部无污染，中西部污染峰值比较集中Cd东部无污染，中西部污染分布较广，到污染程度较轻Cr西部污染程度较重，而且很集中，超标地区分布广，但是污染程度较低Cu东部和中部无污染，西部污染分布集中，污染程度较大Hg东部没有污染，中部以及中南部存在污染，西部污染相对严重，分布相对集中Ni西南部污染较严重，污染分布较广，但是污染程度较轻Pb东部中部无污染，污染集中在西部，污染较严重Zn东部无污染，中部西部的个别地区存在污染，程度较轻1.2、不同地区重金属污染程度评价1.2.1、评价标准的确定由于题目给出的各重金属的背景值为统计结果，考虑到背景值可以认为是自然状态下土壤重金属的自然含量，只要目前监测的结果超出背景值的范围即认为受到污染，标准由附件三给出。以表为单一标准对各区域进行污染分析分析元素AsCdCrCu标准限值1.8—5.40.07—0.1913—49.06.0—20.4元素HgNiPbZn标准限值0.019—0.0154.7—19.919—43.042—97.01.2.2、单因子评价法考虑到背景浓度为一个区间，因此采用类似于pH的评价公式，表达式为：其中为第种污染物的实际检测浓度为第种污染物的背景上限值为第种污染物的背景下限值为第种污染物的污染指数，如

，则观测值满足评价标准，不超标；否则，超标，超标倍数为为反应某地区污染物的超标范围，定义超标率，公式如下:其中为该区域检测结果超标的点位个数

为区域中所设的检测点的总数通过计算得出各个区域各种元素的指标情况,如下表：以生活区为例采样点数为个44个元素超标率%超标倍数平均值最大超标倍数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、对单因子结果的分析从统计结果可以看出，该城区各不同功能区中8重金属元素均有超标现象，说明该区域已经不同程度的受到人类活动的影响。对生活区的各类污染物污染程度分析：生活区中超标率最高的是Cu，Cd，As，Zn，其中，最大超标污染物为Zn，Cr，超出背景值标准49.94和19.31。对工业区的各类污染物污染程度分析：各金属超标都很严重，尤其是Cu，Cd，Pb，Hg，Zn，最大超标污染物为Hg，Cu，分别超出背景值的420.8和174.17倍。对山区：所有金属的超标率均在20%左右，土壤环境质量相对较好。对主干道区：除Cd，Ni外，其余超标均很严重，主要超标污染物为Cu，Cd，Zn，最大超标污染物为Hg，Cu，分别超出背景值的498.41和93.36倍。公园绿地区：超标情况也不乐观，主要超标污染物为As，Cu，Hg，Cd，Zn，最大超标污染物为Hg，Zn，分别超出背景值的40.26和23.08倍。1.2.4、不同区域污染程度综合评价

1)、评价方法：对每一个功能区，采取内梅罗综合污染指数法，公式如下：其中为综合污染指数（综合反映各污染物对土壤的综合作用）为所有单项污染指数的平均值为土壤环境中个单项污染指数的最大值。2）、污染指数的分级污染等级污染程度污染描述Ⅰ

<=0.7安全清洁Ⅱ

0.7<<=1.0警戒线尚清洁Ⅲ

1.0<<=2.轻污染超标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评价结果功能区1类区2类区3类区4类区5类区平均指数值1.474.50.472.971.15内梅罗综合指数值2.2913.660.529.321.94污染等级ⅣⅤⅠⅤⅢ结果分析：从表中可以看出，评价城区中污染最重的区域为2类区（工业区），其次是4类区（主干道区），一类区（生活区）属中度污染，5类区（公园绿地区）属轻度污染，3类区（山区）污染最轻，属尚清洁区。总的来说，该城区的重金属污染较严重。2、问题二通过观察各种金属元素的分布图以及综合评价结果，发现主要超标污染物和最大超标污染物成一定的规律性，这说明不同重金属元素之间存在很高的相关性，即可能来自相同的污染源。为了分析不同金属的相关性，利用多元聚类分析对不同重金属进行相关性分析，考察污染物之间的相关性。若重金属之间有显著的相关性，说明可能来源相同，这与污染物产生的原因是密切系相关的。（聚类分析法）（程序演示）通过对问题一表格的分析：各个功能区中，超标率最高的是Cd和Cu，可见该区域是Cd和Cu的高污染区，污染原因很大可能性来源于生活垃圾填埋或任意排放及含铜农药喷洒所致，也可能来源于相关冶炼企业的烟尘和垃圾排放。生活区：Cu和Pb相关性较高，说明他们污染源相似，可能与生活垃圾中的废旧电池、电路板及汽车尾气有关。工业区：多种元素存在相关性，由问题一表格可知污染程度明显高于其他区，可能与工业烟尘和工业垃圾填埋有关，而且Hg明显超标，可能存在含Hg工业垃圾填埋或燃煤电场粉尘排放。山区：各种污染物指数均较低，各元素的相关性不高，Cu，Pb污染相对较高，污染可能来源于生活或工业垃圾交通区：除Hg之外其他元素相关性较高，说明Hg来源比较分散，其他污染物可能来源于汽车尾气、轮胎磨损以及大气降尘。公园绿地区：各污染物污染指数较低（高于山区），造成原因可能是废气或废水灌溉，人为活动对此区的影响也较大。问题三的模型及求解论文思路：根据题目所给的观测点数据，分别构造基于浓度和海拔高度的二元三次插值多项式，通过该拟合函数，我们就能通过局部计算直接得到浓度最高点的坐标值和海拔高度。但是，matlab对于非线性的二元三次多项式拟合，需要给出经验公式和边界条件（论文中没有相关说明），题目中的三角样条函数，搜索后也未能得到很有效的结果。于是我们使用另一非线性拟合工具1stOpt进行拟合，可得到拟合函数，但相关系数R值只有0.5左右，价值不大。我们的思路：由于题目中只是给出了一个时间点上的数据值，没有时间方向序列的数据值，因而要精确地确定污染源的位置是不可能的。假设中提到：采样点处浓度较高的就认为污染源在该采样点的附近，由于第一问我们已经得到了各种重金属元素的浓度的三维立体分布图，我们通过观察立体图的最高点对应的横纵坐标的大体范围近似的确定污染源的范围，简单可行，文章中给出的结果污染源具体到点，意义不大，给出污染源的范围更为合理。问题四：由于题目中只是给出了一个时间点上的数据值，没有时间方向序列的数据值，因而要精确地确定污染源的位置是不可能的，因此为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应