城市土壤表层重金属污染分析模型

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1、城市土壤表层重金属污染分析模型摘要本文通过运用Mathmatica软件对问题中预先给定的数据进行查找，图像生成，拟合等处理后进行相关分析，得到相应的定性结果，从而完成对问题的解答。首先，通过城市主要表层土壤中的重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的含量，利用单因子污染指数法，结合该城市近几年土壤表层重金属背景值及国家标准，进行重金属污染评价。对问题一：为了确定重金属元素在该城市的空间分布，我们先对给定的数据进行分析并通过三维数据插值(反距离加权平均法)、数据的转换、数据的拟合得到每种元素在城区的分布，再通过计算、比较，从而得出该城

2、区内不同类区重金属的污染程度。对问题二：先通过数据分析，采用Granger因果关系检测法，通过变量的变化来说明重金属污染的主要原因。对问题三：通过对生活中的一些规律及其各种重金属污染物传播的相关了解和对一些有关重金属污染物传播的资料进行分析并处理，通过有关软件建立数学模型并分析，再分析该城区各种重金属的空间分布和比较，利用该城区不同区域对重金属污染程度的各种值和各区域不同元素的污染指数分布柱形图分析，从而能够准确确定污染源的位置。对问题四：为了能保证回答的完整性，应该从各方面收集相关信息。关键词：三维数据插值；数据拟合；单因子污染指数法；内梅罗综

3、合污染指数法；数据转换法。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

4、~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。现要求我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。(2)分析该城区内不同区域重金属的污染程度。(3)通过数据分析，说明重金属污染的主要原因。(4

5、)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。(5)分析你所建立模型的优缺点。(6)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、背景分析污染土壤的生态环境影响是污染物自身性质与环境条件的综合反映。污染土壤的生态危害及其风险大小，取决于污染物生物毒性、土壤中污染物浓度、土壤理化性质，以及地形地貌条件、水文条件影响下的活化迁移方式、人体暴露途径（土壤或扬降尘接触、饮水、农产品食物链摄入、皮肤吸收等因素，经由食物、饮水摄入是污染土壤危害人体健康的重要方式。由于土壤中有害物毒性受诸多环境因

6、素的影响,污染土壤作用于生物、人体途径的复杂性，制订土壤环境标准的技术难度远大于水、大气。土壤中的化学物质可分为低有害性（Fe、Ca、Mg、Mn等）、中有害性（Al、Zn等）、高有害性（Co、Cu、非六价Cr、Ni、V等）和极高有害性（As、Pb、Cd、Hg、Cr等）4类。土壤环境质量评价时，低有害性指标一般可不考虑，中、高有害性指标进行一般性评价，而把极高有害性指标作为严控指标处理；各国制定土壤标准的原则依据基本相同，即以污染物对动植物、人体健康的环境基准值作为定值的基础依据。重金属通过在土壤中的积累，直接影响土壤理化性状与生物活性，阻碍养分有

7、效吸收，降低土壤微生物量与活性细菌菌落数；通过土壤水分在渗流区的运动进入水体，伴随水分进入生态系统，通过食物链，被动物与植物吸收富集，通过多种形式威胁人类健康，土壤中的重金属主要来源于地质因素和土壤母质因素，但工矿业生产；城市化垃圾废弃物的排放等因素均可导致土壤重金属含量的增加，此外农业生产中的污水灌溉；化肥农药等不合理使用，也可显著影响到土壤重金属的存在形式和含量。三、基本假设、符号说明（一）、模型假设（1）假设题目说给的数据都是准确无误的，实验结果都是可信的；（2）假设该城区无地震以及泥石流等自然现象；（3）假设每个采样点都严格按照每平方公里

8、1个采样点对表层土（0-10厘米深度）进行取样；（4）假设对每个采样点取样的时间一致,累积的过程不考略；（5）将远离人群的自然区重金属元