城市表层土壤重金属污染分析

1、.PAGE ：.； 城市表层土壤重金属污染分析摘要随着现代经济的高速开展，城市的重金属污染问题日益严重。本文在经过丈量出的实践数据最终建立模型确定污染源的位置，为实践的污染防治以及污染治理提供实际根据。在问题一中，他们根据附件中给出的数据，运用Matlab数学软件画出了种元素在城区空间的分布图。查阅相关资料结合分布图，先计算出各区域种金属的污染程度，再思索几种金属元素在污染中所占权重，得出各区域重金属的综合污染指数。最终得出该城区内不同区域重金属污染程度，各个区域均为极强的生态危害，这其中工业区最为严重，其后依次为公园绿地域、山区、主干道路区，污染程度最低的是生活区。在问题二中，经过知的数据，

2、先画出城区地形图与分布图。然计算全部地域中各元素的平均值、规范差、变异系数、超标率、背景值。结合一问中得到的结果，分析得到的数据，阐明重金属污染的主要缘由有：工业区污水废气排放和生活区的生活渣滓以及装修的涂料器材。公园绿地域、山区、主干道路区等地污染受工业区影响较大。公园土壤和灰尘中重金属的积累主要由人类活动呵斥。山区Cr,Cd,Pb等元素的污染是由于运用化肥和采用耕种方法不当使得农作物土壤遭到了重金属铬和铅的污染。在第三问中，区域土壤重金属污染具有普遍性、隐蔽性、表聚性、不可逆性等特点。属于分布式参数系统运用非线性优化及遗传算法建立模型，加以数学变换，得到最优解即污染源位置。例：,点附近的区

3、域是Cr、Hg、Zn、Ni和Pb的污染源，属重度污染，影响范围大。,点和,点，属轻度污染，影响范围较小。根据题中所述，第四问为研讨城市地质环境的演化方式，他们在原有模型的根底上思索岩石圈、水圈、大气圈、地势分布对地质环境的影响，搜集其数据。用同位素标志法最终建立数学模型，得到重金属污染与土壤的四个重要特性即土壤紧实度、土壤pH值、土壤有机质以及土壤微生物与的关系呈相关性的结果。关键词：背景值评价法、堆积法、Matlab、权重比较、遗传反演算法问题的重述环境污染与城市经济的快速开展和城市人口的不断添加有着亲密的关系，人类活动对城市环境质量的影响日显突出。所以怎样对城市土壤地质环境异常做出有效查证

4、，以及如何运用查证获得的海量数据资料开展对城市环境质量做出评价，以研讨人类活动影响下城市地质环境的演化方式等问题，日益成为人们关注的焦点。随着现代经济的高速开展,重金属污染物的排放量与日剧增,环境污染和生态破坏越来越严重,危及到人类的安康。重金属在环境中不会降解、消逝,其经过迁移、转化等过程富积到农作物或其它植物,这些富积的重金属可经过食物链等对人类安康呵斥要挟。区域土壤作物系统重金属特征是当前重金属污染的研讨热点。由于土壤重金属污染具有普遍性、隐蔽性、表聚性、不可逆性等特点，所以现对某城市城区土壤地质环境进展调查。按照功能划分，城区普通可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地域等，不

5、同的区域环境受人类活动影响的程度不同。为此，将所调查的城区划分为间距公里左右的网格区域，按照每平方公里个采样点对表层土 厘米深度进展取样、编号。最终得到以下数据每个采样点的位置见附件，每个样本所含的多种化学元素的浓度数据见附件。另外在该区的自然区取样，将得到的元素浓度作为该城区表层土壤中元素的背景值见附件。现要求，根据已给数据查阅相关资料，作出的种主要重金属元素在该城区采样点的空间分布，并分析出该城区内不同区域重金属的污染程度，阐明重金属污染的主要缘由，分析重金属污染物的传播特征。建立模型，确定污染源的位置。最后分析所建立模型的优缺陷，并指出为了更好地研讨城市地质环境的演化方式，还应搜集的信息

6、。再根据这些搜集的信息优化原有模型处理实践问题。模型假设假设土壤的酸碱度不影响污染传播。假设区地势的总体分布情况不影响污染传播。假设人为要素引起的污染物传播具有均匀性。假设初始形状重金属元素分布具有规律性。符号阐明：单项污染指数；：各区域中每项元素浓度平均值；：该地域各项元素背景值；：单项重金属危害系数；：各金属毒性系数毒性在综合污染中的权重；RI：不同区域多种重金属的污染程度；：各金属污染源位置；：为狄拉克函数；u：污染源分散介质的速度；H：分散系数；K：污染物的降解率；L：x的取值范围m-m；Mi：污染物排放强度；C：污染物在x点的排放浓度；模型的建立与求解、问题一的求解过程如下：.根据附

7、表中所给各采样点的坐标值，运用matlab软件画出每种元素在城区的空间分布图运转程序见附件。图形如下，图片顺序依次为As图、Cd图、Cr图、Cu图、Hg图、Ni图、Pb图、Zn图。图As在城区分布图图Cd在城区分布图图Cr在城区分布图图Cu在城区分布图图Hg在城区分布图图Ni在城区分布图图Pb在城区分布图图Zn在城区分布图.、由附表所给各元素在各类区的浓度数值，以及附表中各元素的背景值，由公式：用excel处置数据，分别计算出每区的各元素单项污染指数，结果见表生活区.工业区.山区.主干道路区.公园绿地域.表.、根据各区元素的单项污染指数，由公式：求出单项重金属危害系数。其中为各金属毒性系数毒性

8、在综合污染中的权重，查阅资料后参考文献，按 种重金属毒性系数分别为Hg=Cd=As=Pb=Cu=Ni=Cr=Zn=。用excel处置数据后见表。.、得出不同区域多种重金属的污染程度RI，结果见表。由公式：生活区工业区山区主干道路区公园绿地域EAs.ECdECrECuEHgENiEPbEZnRI表.、从表中他们可以很容易的横向比较出各个区域重金属的污染程度，最严重的是工业区，紧随其后的是公园绿地，随后依次是山区、主干道路区，污染程度最低的是生活区。.、再查阅各相关资料参考资料，找出和RI污染范围，与表中得出的数据比较，纵向比较单项污染系数和多重金属污染系数RI的值，得出结论。单项污染系数和多重金

9、属污染系数RI污染程度划分范围如表。指数类型所处范围污染程度单项金属危害生态系数细微生态危害中等生态危害强生态危害很强生态危害极强生态危害多种金属危害生态指数细微生态危害中等生态危害强生态危害工业区公园绿地山区主干道路区Cd工业区公园绿地山区生活区主干道路区Cr工业区公园绿地主干道路区山区生活区Cu工业区山区公园绿地主干道路区生活区Hg工业区公园绿地山区主干道路区生活区Ni工业区公园绿地山区主干道路区生活区Pb工业区公园绿地山区主干道路区生活区Zn工业区公园绿地山区主干道路区生活区表再根据附表中的数据，计算城区中各元素的平均值、规范差、变异系数、超标率、背景值和平均值比背景值的倍数。数据见表。

10、金属As(u/g)Cd(u/g)Cr(u/g)Cu(u/g)Hg(u/g)Ni(u/g)Pb(u/g)Zn(u/g)实践范围.-.- .-.- .- .- .-.- .平均值.规范差.变异系数.超标率.背景值.倍数.表从表中可以看出变异系数的范围是.-.，跨度很大，阐明土壤中重金属的来源受外界的影响很大。将表中各类区土壤各元素的平均值分别与其背景值进展比较，发现区域中土壤元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn分别是背景值的.、.、.、.、.、.、.和.倍，阐明各元素在土壤中都呈现了不同程度的富集，其中又以Hg程度最高，Cu次之，Zn、Cd在其后并且倍数相近，Pb、Cr倍数较低，Ni

11、倍数最低。以下依次阐明各金属污染的主要缘由：以Hg为例，表阐明其污染程度最严重的是工业区，其次是公园绿地、山区、主干道和生活区。表中他们看到Hg的含量均属极强生态危害。联络到图和图，该地西南高东北低，山地和公园集中在东北面，所以山地和公园地域受工业区影响较大。而生活区地势较高，所受影响较小。工业区中工业废水中的Hg随河流排出，资料参考文献显示Hg进入土壤后%以上能迅速被土壤吸持或固定，这主要是由于土壤的粘土矿物和有机质有剧烈的吸附作用,因此Hg容易在土壤表层积累。所以Hg污染的缘由表象主要是由于地势和区域分布情况引起的，根本缘由是由于工业废水的排放，以及人类生活区生活污水装饰器材等引起的。由此

12、推行，Cu等重金属元素的污染缘由也是工业区废水的排放引起的。Cu在各类区的污染程度排序为工业区山区公园绿地域主干道路区生活区，其中除主干道路区属很强生态危害和生活区属细微生态危害以外，其他区均属极强生态危害。所以可以推测，除去工业污染之外，地质构造即岩石土壤中本来Cu的含量就很高。生活区中的生活污水、装饰资料和器材是呵斥Cr、Zn、Pb和Cd等元素污染的主要缘由。同样工业区废水废气的排放的Cr、Zn、Pb和Cd是呵斥其本身以及其他区域污染的主要缘由。Cr,Cd,Pb等元素在山区中污染的缘由是由于大量运用化肥和采用耕种方法不当，使得农作物土壤遭到了重金属Cr和Pb的污染。有些土壤那么是由于处于下

13、风区，重金属更易堆积，而富集了汽车尾气和工业的人为排放Pb。另外，经查询参考文献在一切研讨过的散锌矿中都无一例外的有镉元素的存在，Cr元素还存在于次生物水的堆积物中或水浇灌的土壤中。此外，人类活动呵斥了公园土壤和灰尘中重金属的积累, 其中最主要的污染为工业和交通污染。公路中Cd、Cr、Hd、Zn元素的污染主要轮胎磨损和汽车尾气。Ni元素常见于镍黄铁矿(Ni,Fe)S中，其耐腐蚀性高，可用作镀层金属、制金属合金，也可用于制镍镉电池、作催化剂，以及铸造硬币，所以工业区较高。As污染是指由As单质或其化合物所引起的环境污染。As和含As矿石的开采、冶炼，以As单质或As化合物作原料消费玻璃、颜料、原

14、药、纸张以及煤的熄灭过程，都可产生含As废水、废气和废渣，对环境呵斥污染。恰好表中As元素浓度陈列为生活区工业区公园绿地山区主干道路区，所以As在生活区的浓度较高。三、建立模型，确定污染源的位置。、此题中知各点坐标以及浓度，要确定污染源，属于分布式参数系统。众所周知,分布式参数系统的模型建立可以准确描画重金属在一定范围内传播的特征进而找到源位置即污染源。由于分布式参数系统主要研讨的是从输入和输出数据来估计未知参数，所以此题中用实践丈量数据来确定各金属污染源位置。这类模型可以由下述污染分散方程给出：其中为狄拉克函数，u为污染源分散介质的速度,H为分散系数,k为污染物的降解率。假定C(x, t)在

15、x=(L)的分布知那么源项识别反问题就是根据这些知的分布来确定源项即确定污染源的位置。所以现转化为知空间某一位置的污染物浓度C(, t)，确定的位置问题。以下为求解过程。先求解正问题(iV),令函数变换：定解问题(iV)可转化为定解问题：最后求得方程组的解为：整理合并公式，；得：；为了方便讨论他们定义：N、b和F，N=；化简后得：求得。再由联络及附表数据，他们利用excel可以拟出和之间的函数关系如以下图图模拟时丈量值与准确值之间的误差程度为，迭代终止误差为，反演时求上述反问题的遗传算法参数设置为:群体大小为；交叉概率Pc=.;变异概Pm=.;参数,，(i=,，,)；终止迭代条件为均方误差。数

16、值实验阐明,同伦摄动法与遗传算法相结合求解对流分散方程源项反问题是有效的和可行的,是一种可以进一步推行的源项识别方法。将附件中各元素数据组带入模型，根据地形分布图以及各种金属元素的超标值点，可以分析得出在,、,、,和,点的附近有工厂，(,)点到,点之间为交通干线。(,)点附近是Cd、Cu、Cr、Hg、Ni和Pb的污染源。,点附近的区域是Cr、Hg、Zn、Ni和Pb的污染源，点附近区域是Cd、Cu、Cr、Hg的污染源，均属重度污染，影响范围大。,附近是Cd、Cu、Hg的污染源，,点附近是Pb、Cu的污染源，,附近是Cd、Cu、Hg的污染源，,点附近是Cu的污染源，均属轻度污染源，影响范围小。 图

17、、搜集其他信息优化模型第四问为城市地质环境的演化方式，他们在原有模型的根底上思索岩石圈、水研讨圈、大气圈、地势分布对地质环境的影响，搜集其数据。用同位素标志法最终建立数学模型，得到为更好地研讨城市地质环境的演化方式，还应搜集城区地势的总体分布情况，地势正常的金属元素的分布，土壤的酸碱度，城区的气候环境。在搜集到土壤的酸碱度后，与中的规范相比，确定各金属元素的规范。地势的总体分布判别城区有利于重金属的堆积的地域。搜集城区地势正常的金属元素的分布，排除地域性元素的干扰，排除一些异常的数据，优化了模型后求解出重金属污染与土壤的四个重要特性即土壤紧实度、土壤pH值、土壤有机质以及土壤微生物与的关系呈相

18、关性的结果。优化之后得出的解更具有实践意义。模型的评价与推行第三问模型的建立与求解中，最大的优点就是运用遗传算法，可以直接以目的函数作为搜索信息,无目的函数的导数值等其它一些辅助信息,特别对高度非线性优化问题更显示出较强的顺应性，解法优于梯度法、单纯形法等。由于遗传算法具有极好的全局优化性能,减少了堕入部分极值的风险 ,本文将这一算法运用于污染-分散方程源项反演的研讨中。计算结果再一次阐明了该方法的有效性。而且遗传算法本身就是一种反演算法,现实上,对于不同类型的反问题只需有相应的正问题的算法,就很容易与遗传算法相结合,构成遗传反演计算模型,本文在这方面作了一次有益的尝试,阐明遗传算法在解反问题

19、的可行性。也为处置这一类反问题提供新思绪，开辟了一条新途径。可谓功在当代，利在千秋。在第四问研讨重金属污染与城市地质环境的演化之间关系的优化模型中。他们运用简单的方法，优化模型处理了实践问题。模型的优点是简单易操作，适用范围广泛，有极强的实践价值。参考文献 Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control: Asedimentological approach. Water Research,(): - 徐争启, 倪师军, 庹先国, 张成江. 潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算. 环境科学与技术, ,

20、(): - 王济. 贵阳市表层土壤中的重金属. 贵阳: 贵州人民, :-附件：此附件其实是以matlab程序储存为m文件，建立附件文件夹储存的；这里上传百度方便大家看明白，我放在了文章中matlab软件画出每种元素在城区的空间分布图，依次为As、Cd；其他元素方法一样就省略了。A=. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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38、lor(X,Y,Z);shading interp%伪彩色图colorbar;figure,contourf(X,Y,Z) %等高线图colorbar;colormap coolcolorbar(location,southoutside)figure,surf(X,Y,Z)%三维曲面 colorbar;%A=. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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