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1、1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
2、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（N.L.Nemerow）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
3、壤重金属；污染；内梅罗综合污染指数；二维差值2一、问题的背景和重述1.1 问题背景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
4、土（010 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。1.2 问题重述(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
5、？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。（1） 每一采样点获得的数据都可靠，不需剔除个别数据。（2） 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；iP内梅罗（N.L.Nemerow）综合污染指数；土壤中污染物实测含量；iC污染物的评价标准；i0污染物的背景值；污染物的标准差；iS3污染物中污染指数最大值；2max0)(iC四、 模型分析4.1.1 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
6、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。4.1.2 该城区内不同区域重金属的污染程度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（N.L.Nemerow）综合污染指数法对各区域的污染程度进行综合评价。4.2 重金属污染主要原因一般地认为，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
7、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。4.3 重金属污染物的传播特征并确定污染源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，并与变异函数结合，以判断污染源的位置。五、模型的建立与求解5.1.1 八种主要重金属元素在该城区的空间分布已获得的离散地理坐标数据和对应的重金属浓度数据，与整体城区面积相比数据量太小，故可以通过插值的方法，去寻取近似函数。运用计算机绘出城区的 5 种功能区区
8、域分布图（见图 1）和 8 种重金属污染物浓度的区域分布图（见图 2）4图 1 功能区分布图5图 2 不同金属元素浓度平面分布图5.1.2 该城区内不同区域重金属的污染程度土壤环境质量现状评价方法与大气、水质的现状评价方法基本相同，均通过计算污染指数进行。土壤环境质量单因子评价通常采用分指数法，即通过逐一计算土壤中各主要污染元素的污染分指数，已确定污染程度。土壤污染分指数计算公式为：iiCP0（1）其中 。ioiSC20在实际情况中，多种污染物往往同时污染某一区域或土壤，单因子评价难以表示它们的整体污染水平，因此需要一种同时考虑多种污染物综合污染水平的多因子评价方法。即将单因子污染指数按一定方
9、法综合，较全面反映污染状况。由于污染指数 消除了量纲，为综合指数的获取提供了方便。内梅罗iP（N.L.Nemerow）综合污染指数法是国内普遍采用的综合评价方法之一。可它以全面反映各污染物对土壤的不同作用，并突出高浓度污染物对环境质量的影响。1内梅罗（N.L.Nemerow）综合污染指数法公式为：(2)()1(22max02iniCP通过公式（1） （2）得到数据（见表1） 。土壤质量分级是土壤质量评价的基本内容。以单项污染指数和综合污染指数，按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将土壤污染划分为安全级、警戒级、轻污染、中污染、重污染五个等级
10、(见表2)。表 1 各功能区的污染指数污染指标区域 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn内梅罗综合污染指数 P1 生活区1.16 1.53 1.41 2.42 1.82 0.92 1.61 2.44 2.0962 工业区1.34 2.07 1.09 6.25 12.59 0.99 2.16 2.87 9.283 山区0.75 0.80 0.79 0.85 0.80 0.78 0.85 0.76 0.824 交通区1.06 1.89 1.18 3.05 8.76 0.89 1.48 2.50 6.465 公园绿地区 1.16 1.48 0.89 1.48 2.25 0.77 1.41
11、1.59 1.87由表 1，表 2 可见，污染程度由大到小顺序为工业区交通区生活区 公园绿地区山区。生活区属于中污染程度，工业区属于极重污染，山区属于尚清洁警戒状态，交通区属于较重污染，公园绿地区属于轻污染程度。5.2 重金属污染主要原因这里我们运用因子分析法得出重金属污染的主要原因。因子分析法从变量的相关矩阵出发将一个m 维的随机向量分解成低于 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，从而使对 m维随机向量的研究转化成对较少个数的公因子的研究。设有n个样本，n个指标构成样本空间X， ，mnijxX)( ;1,2,.nji原始数据的标准化，标准化的公式为 ，,j
12、iijX)(为第i个样本的第j个指标值，而 和 分别为 j指标的均值和标准差。标准化的目Xjj的在于消除不同变量的量纲的影响，而且标准化转化不会改变变量的相关系数。首先得到八种重金属含量数据的相关系数矩阵，如表3所示。可见，Cr和Ni的相关性最好，相关系数最大，为0.7158，其次为Pb和Cd，相关系数为 0.6603，以下依次是Cr和Cu,Pb和Zn的相关性较好，相关系数分别为0.5316和0.4937 ， Ni和Zn 的相关系数为0.4364，表2土壤污染分级等级 内梅罗综合污染指数 污染等级1 P0.7 清洁（安全）2 0.7 P1.0 尚清洁（警戒）3 1.0 P2.0 轻污染4 2.
13、0 P3.0 中污染5 P3.0 重污染7其它元素之间的相关性并不是很好。从成因上来分析，相关性较好的元素可能在成因和来源上有一定的关联。表3 8种金属元素的相关矩阵As Cd Cr Cu Hg Ni Pb ZnAs 1.0000 Cd 0.2547 1.0000Cr 0.1890 0.3524 1.0000Cu 0.1597 0.3967 0.5316 1.0000Hg 0.0644 0.2647 0.1032 0.4167 1.0000Ni 0.3166 0.3294 0.7158 0.4946 0.1029 1.0000Pb 0.2899 0.6603 0.3828 0.5200 0.2
14、981 0.3068 1.0000Zn 0.2469 0.4312 0.4243 0.3873 0.1958 0.4364 0.4937 1.0000从表1中可以看出Cr和Ni的浓度分布基本一致，这与理论得出的一样，说明Cr和Ni的污染来源确实有很大关联。Cr和Ni的分布成面积形，集中位于城市的西南部的小块区域，这块区域主要是交通区，生活区和工业区，而生活区最严重，交通区次之，说明Cr和Ni污染的原因是含Ni 、Cr元素的以及生活废水的排放。Cd和Pb在来源上关联较密切，在空间分布上近似可认为是一个带状的污染源，呈带状分布。这主要因为Pb大部分来自市交通区汽车尾气的排放，在主干道路区和在公园绿
15、地区与工业区交界区有明显的富集，形成一个高值区，说明该处交通发达。根据文献，城市中的铅一般主要来源的厂矿企业部门为颜料厂，冶炼等行业的废水，橡胶和农药厂，而镉主要来源于颜料行业和石油化厂。可以得出一个基本结论：市内交通尾气的排放和汽车轮胎的磨损很可能是土壤铅污染的基本来源，表层土壤中的Cd含量主要富集在工业区说明市镉主要来源可能是是颜料行业和石油化厂。2As的污染较轻，各功能区的污染程度差不多。富集区主要在工业区，所以As污染的主要来源可能是工业废水和原料的污染。高含量Cu 主要集中在市西南部工业区和交通区，为小面积型污染，主要来源可能是化工行业、塑料、橡胶和印染行业的废水排放，以及城市商业活
16、动和交通累加到土壤中的铜。Hg是该市污染最严重的重金属元素之一，这在我国城市中非常常见，尤其是在我国北方城市中表现得尤其突出。其中一个最大的原因是燃煤污染。图2中可出，汞污染也属于面积型污染，主要集中在三块小面积区域，工业占了相当大比重，且工业区Hg污染极为严重，交通区也十分严重。这有最可能原因是该市的燃煤工业集中在这三个区域，比如冶炼企业。还有化工企业的废渣废气，废水。另外，Hg 污染与汽车尾气的排放也有很大关系。Zn在该市的污染大体是中度污染。生活区，工业区和交通区的富集程度差不多。说明Zn 主要来源于工业三废，工矿企业，居民生活垃圾和交通尾气和轮胎的磨损。 35.3 重金属污染物的传播特征并确定污染源通过对地理坐标数据和污染物浓度数据进行二维线性插值，获得等浓度分布图。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。本文即运用变异函数对污染源进行确定
