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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）前言土壤环境重金属污染是指人类活动将其加入到土壤中，致使土壤重金属元素含量明显高于其自然背景含量，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象，具有隐蔽性、长期性、表聚性、不可逆性和巨大危害性的特点。一直以来, 人们对土壤重金属污染的研究，予以较多关注的是农业土壤，而城市土壤重金属污染却被人们忽视。然而许多研究表明，与农村土壤相比，城市土壤中重金属元素已有不同程度的积累，从农村土壤向城市公园土壤、路边土壤及工业污染区土壤重金属含量是逐渐升高的。城市土壤中重金属含量要大于附近郊区农村土壤及农业用地土壤。近年来，随着工业化和城市化进程的加快，工业、交通、生活等所产生的大量污染
2、物进入土壤，使得城市土壤的性质发生了变化。有毒重金属进入城市土壤环境后不能为生物降解，但能为植物吸收，并通过食物链危害人类的生命和健康。土壤重金属污染无色无味，很难被人的感觉器官察觉，一般通过植物进入食物链后，达到一定程度时表现出来。因此,城市土壤重金属污染的研究己经成为当今环境地球化学研究的重要内容，同时重金属对土壤环境污染的危害性决定了土壤环境质量评价的重要性。本文数据给出的采样点，以平方公里为间隔遍布该城市的各个区域，因此首先依据采样点制作散点图，大致了解城市区域布局，然后分离八种主要重金属元素，逐一提取每一元素在各个采样点的浓度。其次，依据采样点的坐标和海拔高度，建立空间三维坐标，分别
3、以每个采样点的重金属元素浓度为据点值，利用空间插值法中的反距离加权插值法计算出相邻采样点间所间隔的面积中该重金属元素浓度。最后，通过对应区域的元素浓度的不同，投影得到浓度的等值线图。利用该图，直观的逐一表示各种重金属元素在全市范围内的浓度分布情况。在已知主要重金属元素在土壤表层的分布数据的条件下，分析各个区域的重金属污染程度，是关系到该土壤层所属类型和各种重金属元素累积量的问题。因此首先，针对重金属元素考虑，通过已绘出的等值线图，对应求出该元素在各个区域的分布情况，求解得到其元素的最大浓度所在区域，同理得到八种元素的在各区域的分布情况。其次，针对区域考虑，通过采样点所在区域得到的值，得到各个区
4、域中不同元素的浓度分布情况，据此，采用内梅罗综合指数法，根据最终的指数以及相应的数据指标划分，对不同区域的污染情况作出分级评价。考虑内梅罗法的常规性和它自身的缺陷性，进一步修正模型，引入对权重有较强学习性的神经网络模型。将环境等级划分指标作为学习对象，在各等级随机学习八种元素的区分指标，完成对隐含层的权重计算，再代入数据进行污染等级划分。将基于改进神经网络模型的评价方法对比内梅罗综合评价法进行比较，并进一步完善模型。最后建立潜在生态危害指数模型，通过求解确定重金属污染系数、潜在生态危害系数、潜在生态危害指数，对城市表层土壤土壤的重金属污染进行评价，以评估重金属的污染水平和潜在生态危害程度。1.
5、 绪论1.1研究背景随着我国经济的不断发展，工业化程度不断提高，与之相伴相生的环境污染问题也越来越突出。其中，重金属造成的环境污染危害日益凸显，是当前亟待妥善解决的突出环境问题。重金属污染是指比重大于5以上的金属或其化合物所造成的环境污染，可由自然因素(如土壤、岩石风化和火山爆发等)引起，但主要是采矿、制造、污水灌溉和使用重金属制品或含金属污染物等人为因素所致。很多重金属如铅、汞、铬、镉、砷等进入大气、水、土壤，造成严重的环境污染。重金属不能被生物降解，却能在食物链的生物放大作用下，成千万倍地富集，最后进入人体。尽管有些重金属如锰、铜、锌等是生命活动必需的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉
6、等不是生命所必需的。超过一定浓度，所有金属元素对生命都是有毒的。近几年由于重金属污染的频发，给环境和人民的健康带来了严重的损害。仅发生的镉污染事件，就有2005年的广东北江韶关段镉严重超标事件，2006年的湘江湖南株洲段镉污染事故，2009年的湖南省浏阳市镉污染事件。至于其他的重金属污染事件，仅“血铅超标”事件，就已涉及陕西、安徽、河南、湖南、福建、广东、四川、湖南、江苏、山东等省。令人高兴的是国家对重金属污染综合防治已高度重视，并进行了有效部署。2011年初，重金属污染综合防治“十二五”规划得到国务院批复，这是我国历史上第一次把重金属污染的防治纳入国家的规划中。这也是我国第一个“十二五”专项
7、规划。规划研究提出涉及铅、汞、镉、铬、砷等重金属污染防治技术标准、政策措施和管理规定，制定涉及含砷、铅、汞、铬、镉等重金属的“高污染、高环境风险”产品名录，全面排查整治重金属排污企业，优化涉重金属产业结构,完善重金属污染防治体系、事故应急体系及环境与健康风险评估体系等三大监管体系，为有效控制重金属污染奠定坚实基础。可以预见的是，随着我国经济社会的快速发展，人口增长、工业化和城镇化的加快推进，涉及重金属行业正保持着较强的增长势头，由此带来的重金属污染压力必将有增无减。1.2重金属及土壤重金属污染 重金属是指比重大于或等于5.0的45种元素。环境学家把原子量在40以上的金属称为“重金属”。这类元素
8、的生理功能取决于它们的浓度，低浓度时可能是植物生存所必需的元素，或者只是被动吸收，而不产生生理功能；但在高浓度有时就对生物产生毒害作用，因而常常被视为“有毒”元素。环境污染方面所说的重金属，主要是指生物毒性显著的Hg、Pb、Cd、Cr等金属和类金属As等，以及具有一定毒性的Cu、Co、Ni、Sn、V、Zn等金属。目前最引人注目的是Hg、Pb、Cd、Cr和As五种毒重金属。土壤是自然地理要素之一，能够为人类提供食物等生产资料，是社会经济可持续发展的基础。随着经济快速发展和人类活动加剧，各种人为源释放的污染物进入土壤，土壤中重金属的积累不仅会使土壤的生物量减少，而且还引起生物种群的结构、功能甚至遗
9、传多样性发生改变，从而可能会导致土壤生态系统的退化。土壤重金属污染会使污染物在植(作)物中积累，并通过食物链富集人体和动物体内，危害人畜健康，引发疾病和癌症，发病和死亡率增高。其危害主要如下：(1)污染农作物有些重金属如铜、锌、锰、铝等，在浓度较低时，对各种酶系产生催化作用进而促进植物的生长，这时它们是农作物生长的微量营养元素；然而当浓度过高时反会破坏植物正常的生长代谢功能，使植物的发育受到抑制并影响对其它元素的吸收和代谢。还有些重金属元素如镉、铅、镍、汞等，常常会使植物生长受到毒害，造成植物死亡。(2)污染恶化水体环境当土壤受到污染后，重金属浓度较高的污染表土又会通过径流和雨水冲刷作用进入地
10、表水和地下水，使水文环境受到恶化，并可能通过身体接触、食物链等多种途径威胁人类的健康安全。如堆放的尾矿、废渣以及产生的酸性废水等，在地表径流和雨水的携带下污染地表水体或下渗污染地下水体，使得人、畜通过饮水和饮食可引起中毒。(3)大气环境遭受次生污染遭受污染的土壤，其表土中含重金属浓度较高，而表土又比较容易在风力的作用下成为扬尘进入到大气环境中，导致大气污染、生态退化等次生生态环境问题，并且通过呼吸作用进入人体，对人类健康造成很大危害。1.3城市土壤重金属的主要来源城市化是导致土壤重金属污染的主要影响之一，这种影响主要体现在污染物的大量产生和转移上。全球范围内只有不到2% 的地表为城市所覆盖，但
11、80% 的工业和生活污染物来源于城市，这其中的很大一部分污染物都直接或间接地进入城市和周边地区的土壤生态系统。因此，城市化过程加强了土壤重金属的外源输入速率。一、交通污染城市交通运输是城市土壤重金属污染的一个重要来源。随着城市化发展，交通工具的数量急剧增加，向周围环境中释放的污染物也逐年增多，造成城市土壤中的重金属不断累积。汽车尾气排放、汽车汽油、发动机、轮胎、润滑油和镀金部分都能燃烧或磨损而释放出Pb、Cd、Cu、Zn等重金属，进入周围的土壤环境，既是城市大气的主要污染源，也引起公路两侧农业土壤的重金属污染。二、工矿业污染工矿业活动所排放的重金属一部分赋存在烟尘上，以气溶胶的形式进入大气，经
12、过干湿沉降进入土。工业活动所产生的废渣是重金属的重要载体，尤其是一些金属冶炼厂，废渣中的重金属含量极高，无处理堆放或直接混入土壤，对土壤环境造成潜在危害。矿产冶炼加工、电镀、塑料、电池、化工等行业是排放重金属的主要工业源，它们以三废形式不断向城市土壤排放重金属，在某些工厂企业的周围有些土壤的Zn、Pb 质量分数甚至高达3000mg /kg。此外，在不同工矿企业周围，土壤重金属含量还表现出明显的特异性，如Zn矿冶炼厂废弃物的排放即可导致其周边城市土壤Zn含量特异。同时公园与花园绿化过程中污水、污泥堆肥的广泛使用也明显影响到城市土壤中的重金属组成与含量。三、燃煤燃煤释放也是土壤重金属重要来源之一。
13、长期的燃煤所释放的重金属沉降至城市土壤中，会对城市生态系统、环境及人体健康产生长期效应。四、生活垃圾城市内大量垃圾的堆放，其产生的大量废弃物经常未经处理随意堆放，导致重金属元素向四周环境扩散渗漏释放到土壤中，使城市土壤局部重金属含量增加，部分重金属元素含量超标。1.4生态风险评价概况为了衡量和描述环境质量状况，研究人类活动对环境产生的影响，使人类社会更好的可持续发展，20世纪60年代中期，加拿大和美国学者提出了“环境评价”(environmental assessment)的概念。土壤环境评价即通过调查研究，了解区域土壤的污染源和污染现状，掌握污染物质的迁移转化规律、净化和积累消长趋势。在此基
14、础上，进一步作出土壤环境质量预断、预控，为确定污染物质的排放量，土壤污染物质的最高允许浓度，灌溉水质量，施用化学农药、肥料的种类和数量，以及制定防治土壤污染的措施，提供科学依据。土壤重金属污染生态风险评价是土壤环境评价的一部分，长期以来，国内外专家对土壤重金属污染评价进行了大量研究，形成了多种评价方法和标准，如潜在生态危害指数法等。这些评价方法各具特色，适用范围不一，应用也各有局限性。1.5数据来源本文中所用数据是选取自2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目。其数据选取如下：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
15、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。提供了以下数据：1.列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息，2.列出了8种主要重金属元素在采样点处的浓度，3.列出了8种主要重金属元素的背景值。1.6研究意义在城市化进程不断发展的今天，利用相关数学模型对
16、城市土壤重金属污染定量分析并进行生态风险评价。在此基础上对城市环境污染治理和城市可持续发展提出科学的建议，不仅有利于城市生态环境的良性发展，有利于人类与自然的和谐发展，也有利于人类社会健康和城市经济的可持续发展。2. 城市表层土壤重金属污染空间分布分析对城市重金属污染模拟，通过插值计算才能将勘测所得的离散的、稀疏的采样数据处理成规则的、信息丰富的结构化体数据，为城市表层土壤重金属污染分析提供充足的数据基础。选择适宜的空间插值方法，直观显示城市重金属污染三维效果，是描述城市重金属污染真实情况、揭示其内部属性及其变化规律的关键。2.1.整体数据收集与处理针对题中给出的该城区的采样点坐标，进行收集归类。得到五个区域内的采样点个数以及相关坐标点。各区域采样点分布情况如下表所示：表2-1：各区域采样点数目统计 Tab. 2-1 The s
