数学建模论文-城市表层土壤重金属污染分析.doc

城市表层土壤重金属污染分析
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。土壤重金属污染日益严重,重金属可通过吸入,附入和食物的富集对人体健康和环境产生较大影响。对重金属的污染研究对于综合治理环境,城市规划等有重要的指导意义在本文中将研究的城市分为五大功能区分别为生活区,工业区,山区,交通区五大功能区。
利用Matlable插值计算五大功能区的横纵坐标海拔和浓度的数据,得到区域平面图和8种主要重金属元素在该城区的空间分布。运用单因子评价中的分指数法逐一计算每种重金属元素的污染分指数,然后运用内梅罗()综合污染指数法得到总体的污染指数,参照农业部行业标准《中华人民共和国国家标准GB15618-1995土壤环境质量标准》的分级法得到污染程度。
通过对比数据,利用相关矩阵得到8大金属元素之间的相关程度,从而得到污染的来源主要是工矿企业和汽车尾气。
运用特异函数得到X方向和Y方向上的金属元素浓度变化趋势。使用二维差值得到污染源的大体位置,即图中等浓度线最密集区域。污染源位置的确定对于环境整治有重要指导作用。
最后,本文讨论了本模型的改进方向,和改进模型。
关键词:土壤重金属;污染;内梅罗综合污染指数;二维差值
一、问题的背景和重述

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、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等,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8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8种元素的背景值。

(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?
二、模型假设
考虑到现实中重金属元素的扩散收到多方面因素的影响,为使计算简化,先对模型进行简化。
每一采样点获得的数据都可靠,不需剔除个别数据。
当地的水文气象稳定,无重大地质变化。

三、符号说明
土壤中污染物的污染分指数;
内梅罗()综合污染指数;
土壤中污染物实测含量;
污染物的评价标准;
污染物的背景值;
污染物的标准差;
污染物中污染指数最大值;
四、模型分析
八种主要重金属元素在该城区的空间分布
五大功能区的地理坐标数据相对散乱,数据间距互不相同,但与重金属含量数据一一对应。可以对地理坐标数据和土壤重金属含量数据进行二维插值,以得到区域平面图和8种主要重金属元素在该城区的空间分布。

各采样点所获得的重金属数据,基本能够反映出城区的重金属污染情况,可以运用单因子评价中的分指数法逐一计算每种重金属元素的污染分指数。由于单因子污染指数只能分别反映单个污染物的污染程度,不能全面、综合地反映多种污染物的整体污染水平,故可采用内梅罗()综合污染指数法对各区域的污染程度进行综合评价。

一般地认为,我国的污染主要来自工矿企业、交通运输业,居民造成的生活垃圾污染影响较小。而工厂所产生的重金属污染受其原料、产品、工艺决定,往往集中在几种互相关联的元素。同样地,交通运输业所产生的重金属污染决定于成品油。所以可以用因子分析法寻找重金属污染的原因。

地质统计学中的变异函数能够较好地描述区域化变量的空间分布结构性与随机性特征,从而使针对区域化变量的空间变异性分析得以实现。重金属浓度数据相对与地理数据一一对应,可在地图上绘出重金属污染物等浓度线,并与变异函