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1、2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛承 诺 书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： A 我们的参赛报名号为（如果赛区设置
2、报名号的话）： 13212002 所属学校（请填写完整的全名）： 湖北师范学院 参赛队员 (打印并签名) ：1. 2. 3. 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： 日期： 2011 年 9 月 12 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛编 号 专 用 页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：城市表层土壤重金属污染分析摘要本文就重金属在某城市五类区域的浓度分布，利用Surfer软件绘出了八种重金属在
3、该城区的分布图，我们保持单一变量法，对每种元素在整个区域的分布情况，利用会等高线思想汇出图1至图8。问题一根据单因子指数和内梅罗指数（和分别表示污染物的测量值和背景值）确定五个城区的金属污染程度。并利用（表示每种污染物的相对重要性比值，为各评价指标权重）对内梅罗指数进行了加权平均修正，得出：区域名称修正综合污染指数污染等级生活区2.569中度污染工业区8.374重度污染山区1.214轻度污染交通区5.784重度污染公园绿地区2.227中度污染在问题二中，本文先进行横纵比较，初步得工业区Hg的污染程度最严重，然后建立主成分分析模型，利用模型一中的单因子指数，建立矩阵，利用matlab进行处理后，
4、得到相关系数矩阵，计算的八个特征值分别为：6.3757，0.9437，0.4392，0.2415，0，0，0，0。据累计贡献率得出三个主成分，由此确定工业区Hg、Cu，交通区As、Hg，生活区Cu为重金属污染的主要原因。问题三从三个侧面进行数据分析，判断重金属污染物的三个传播特征：以污染源为圆心逐步向外扩散;以工业区为主要传播重心，随以重金属富集明显的路径进行传播;某些重金属不会扩散，其在土壤的稳定性很强，在一定时期内不会传播。参考地震源的位置确定采用Geiger定位方法，考虑单一污染物的浓度分布情况，利用Inglada方法进行初值的计算得（和分别为污染源、观测点坐标，分别为观测点、污染源浓度
5、）。利用Geiger方法迭代校正，确定Cu污染源位置在,的范围。在问题四中，我们充分考虑了模型三的静态特征，还应该收集土壤的固相、液相、气相和PH值以及重金属元素的毒理性的相关信息。此外，我们还化静态为动态加入时间参变量，提高了模型三的准确度。整合以上信息，可以利用差分方程建立模型求解。关键词：单因子指数 内梅罗指数 主成分分析法 Geiger定位法 Inglada方法一、问题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
6、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（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
7、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。现要求你们通过数学建模来完成以下任务：(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、问题分析本问题是关于环境生物和地址学相结合的模型问题，附件给出了区域、采样点的坐标位置、海拔以及污染物浓度一系列的数据。四个问题从不同的侧面要求我们讨论污染程度、主要
8、原因、传播特征以及污染源的位置确定，最终是希望我们客观全面的研究地质环境的演变模式，从而有效地解决环境污染问题。问题一：基于附件1中采样点的位置和附件2中8中重金属元素在各个区域内的分布情况，运用surfer软件绘出下列8个等浓度图。考虑重金属在该城区的空间分布情况时，我们针对每种元素对不同的5个区域进行了绘制，在分析该城区重金属的污染程度时，我们针对每类区域的8种重金属的浓度，采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法进行污染程度的分析。并且在此基础上，我们对内梅罗指数进行了修正，得出比较客观的修正值，让结果变得更加准确。问题二：首先进行横向比较和纵向比较，初步进行直观判断，然后进行主成分分析，
9、得出三个主成分，和初步分析的结果基本吻合。问题三：分别从不同侧面进行分析，即：纵横坐标、海拔、区域以及重金属污染物固有的一些特性，然后跟确定地震源的确定方法进行比较和借鉴，我们采用了经典的Geiger定位法，并且还运用Inglada方法进行初值的计算。然后再用Geiger进行迭代校正。这样是结果更加精准。问题四：这一问属于开放性问题，所以在模型三的基础上，我们只要加上相关的参数，并且将模型三有静态改为动态模型，这样我们加上时间参变量，对其进行模型改造。利用差分方程进行有效的解决。三、模型假设1、假设每类区表层土壤中每种重金属含量连续变化；2、在对采样点分析时，忽略土壤PH值、温度、气候等因素对
10、测量带来的影响；3、在对每类区域的污染程度进行分析的时候，忽略考察的8种元素以外的重金属污染；4、忽略重金属由于土壤特性和氧化还原等一系列的物理和化学作用，给污染程度评价带来的误差。5、由于不好判断五类区的地理分布情况，我们就将问题理想化，考虑每类区的8种重金属污染程度；6、假设附件给出的数据对于建立模型已经足够充分；7、假设每个采样点的采集时间相同，重金属的含量不会因为采集时间的差异出现变化；8、忽略污染化合物之间的相关影响；9、忽略重金属污染物之间的交叉污染；10、在第三问中，我们将土壤理想化成成分均匀的介质。四、符号说明:土壤重金属污染物的环境质量指数:土壤重金属污染物采样点的个数:土壤
11、重金属污染物的实际测量值:土壤重金属污染物的背景值:本文重金属污染物种类总数：综合环境质量指数：相对重要性比值：各评价指标的权重：综合环境质量指数修正值：污染源坐标：污染源坐标校正量：浓度校正量：测定浓度的偏差五、模型的建立与求解 5.1问题一5.1.1 八种重金属元素的空间分布在考虑8种重金属在该城区的空间分布时，本文抓住问题的核心：单一元素在五类区域的空间分布。这样我们利用附件一和附件二使用matlab软件绘出8种重金属在整个区域的空间分布等高线（见图1-8）。图1 重金属元素As的空间分布图图2 重金属元素Cd的空间分布图图3 重金属元素Cr的空间分布图图4 重金属元素Cu的空间分布图图
12、5 重金属元素Hg的空间分布图图6 重金属元素Ni的空间分布图 图7 重金属元素Pb的空间分布图图8 重金属元素Zn的空间分布图5.1.2不同地区重金属的污染程度在分析该城区内不同区域重金属的污染程度时，本文使用单因子指数法和综合因子指数法。1、评价方法首先采用单因子污染指数法对土壤重金属污染进行评价，计算公式为：然后采用综合因子指数法对土壤重金属污染进行评价，计算公式为：式中，为土壤污染物的环境质量指数；为土壤污染物的实际测量值；为土壤污染物的背景值；是土壤污染物采样点的个数；为重金属种类总数。2、评价标准采用国家土壤重金属评价标准(GB15618-1995)1进行评价，评价标准见表1、2：
13、表1 土壤各元素污染程度分级标准等级划分1234单因子污染指数污染程度非污染轻度污染中度污染重度污染表2 土壤综合污染程度分级标准等级划分12345综合污染指数污染程度安全警戒线轻度污染中度污染重度污染3、评价结果使用EXCEL进行数据分析与处理，得到如下评价结果:表3. 不同区域重金属的污染指数区域单因子污染指数 综合污染指数 AsCdCrCuHgNiPbZn11.742.232.233.742.661.492.233.433.1722.013.021.729.6618.351.613.004.0313.5331.121.171.261.311.171.261.181.061.2541.592.771.874.7112.771.432.053.529.4351.742.161.412.293.291.24
