城市表层土壤重金属污染评价与分析模型

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1、城市表层土壤重金属污染评价与分析模型摘要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关注日益增加。本文针对城市表层土壤重金属污染问题，由浅入深，大胆假设，灵活运用MAPGIS，MATLAB，EXCEL多种软件，以内梅罗指数和地质累积指数为评价标准，运用主成分分析和模糊聚类思想，分析了不同区域的重金属污染程度及原因，并利用数据分析方法，确定出污染源的位置。最后模拟搜集更多有效信息，对地质环境的演变模式进行进一步研究。针对问题一，我们首先采用Kriging最优内插法，利用MAPGIS软件分别做出5个功能区在城区的位

2、置分布图及8种重金属元素空间分布图，以颜色深浅对重金属污染程度进行直观表现，并将两种分布图进行对比，得到8种重金属的具体分布区域（见表3）。其次建立模型Ⅰ—污染指数评价模型，分别利用内梅罗和地质累积指数对重金属污染进行多因子评价，并结合两种指数的评价标准，对8种重金属污染程度进行等级划分，得出山区8种重金属污染指数均为负值，几乎无污染。其他区域重金属的污染程度各不同，其中工业区重金属污染程度顺序为：HgCuZnCdPbAsCrNi，其他区域的顺序详见模型Ⅰ的结果。针对问题二，根据附件2中的数据，运用数据分析方法和模糊数学

3、理论，分别建立模型Ⅱ—主成分分析模型和模型Ⅲ—模糊聚类分析模型，找出主要的重金属污染元素，并对8种重金属进行分类：第一类为Cr、Ni、Cu，第二类为Cd、Pb、Zn，第三、四类分别为As，Hg。再结合问题一分析出在不同区域内重金属污染的元素及其主要原因。针对问题三，我们借助自然地理知识，对各类重金属的传播特征进行了定性与定量分析，结合问题一及问题二的结论，利用数据分析方法，建立模型Ⅳ—单因素均值模型，并利用马氏距离，计算出各采样点到均值点的距离，取距离最小点为污染源近似中心，再结合重金属传播特征以及超标的重金属浓度值，分析并确定污染源

4、的位置。如：砷元素的污染源中心有三个，其坐标分别为(6423,8831)，(12734,4015)，(14000,8970)，详细结果见表15。针对问题四，首先对模型Ⅳ进行了评价，为研究城市地质环境的演变模式，至少需要收集1990-2010年城市土壤表层的8种重金属元素的浓度以及对应的背景值，有了这些数据后可以采用时间序列方法，对2011-2015年的8种重金属元素浓度进行灰色预测，确定出2011-2015年城市地质环境的污染程度，并利用EXCEL软件做出2011-2015城市的地质环境污染程度趋势图，分析城市地质环境的演变模式，为综

5、合治理城市重金属污染提出合理化建议。本文的特色有：1、综合利用MAPGIS，MATLAB，EXCEL多种软件进行绘图，直观准确；2、将定性与定量分析相结合，图表相呼应，使得结果更加清晰；3、模型Ⅴ具有普适性，可以广泛应用于其他城市土壤重金属污染的分析与研究。关键词：重金属污染；主成分分析；模糊聚类；灰色预测；MAPGIS；MATLAB§1问题的提出一、背景知识1、我国土壤重金属污染现状土壤与大气和水并列为人类环境的三大要素，而几乎所有的污染都会进入土壤。我国土壤污染状况已经影响到耕地质量、食品安全甚至人体健康，其中最严重的就是重金属污

6、染。从环境污染方面所讲的重金属一般是指汞，镉，铅，铬，砷等有毒有害物质。全国受污染的耕地约有1.5亿亩，污水灌溉污染耕地3250万亩，固体废弃物堆存占地和毁田200万亩，合计约占耕地总面积的1/10以上，其中多数集中在经济较发达的地区。二是土壤污染危害巨大。据估算，全国每年因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。土壤污染造成有害物质在农作物中积累，并通过食物链进入人体，引发各种疾病，最终危害人体健康。2、主要重金属污染的来源重金属的污染主要来源工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。工业污染大多通过废渣、废

7、水、废气排入环境，在人和动物、植物中富集，从而对环境和人的健康造成很大的危害，工业污染的治理可以通过一些技术方法、管理措施来降低它的污染，最终达到国家的污染物排放标准，交通污染主要是汽车尾气的排放。3、国家对治理重金属污染的政策国务院于2011年2月正式批复《重金属污染综合防治“十二五”规划》，这是我国第一个“十二五”专项规划。此次国家总量控制的重金属主要有五种，即汞、铬、镉、铅和类金属砷。由于重金属污染排放的区域性非常明显，所以在总量控制指标上，区分为重点区域与非重点区域。未来5年，中央财政将以百亿元为单位增加对重金属污染防治的投资

8、。二、原始数据来源（见附录一）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（即交通区）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。现对某城市城区土壤地质环