城市表层土壤重金属污染分析模型课件.ppt

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1、城市表层土壤重金属污染分析模型模型应处理问题8种主要重金属元素在该城区的空间分布不同区域的污染程度重金属元素污染的原因污染源的确定数据的预处理不同的重金属元素具有不同的背景值，也意味着，在相同的浓度下，重金属元素对环境造成的污染程度是不同的，为了便于以后统计比较，可以使用单因子指数法将数据标准化：污染物i的单因子指数值即实测浓度比土壤环境质量标准，在这里可以取为土壤浓度背景值。8种主要重金属元素在该城区的空间分布问题的分析利用题目中的数据我们能够画出如下散点图，在平面上表示取样点的位置：图1：采样点分布散点图反距离加权平均法（S

2、hepard法）设在区域T=[a,b]×[c,d]上散乱分布N个节点(xi,yi),其数据值为Pi,记定义二元函数：8种主要重金属元素在该城区的空间分布由以上算法，采用C＋＋编译，每隔200米取一个插值点，作出如下图形：8种主要重金属元素在该城区的空间分布图2：该地区海拔示意图8种主要重金属元素在该城区的空间分布图3：砷的空间分布不同区域污染程度Graham法求凸包首先对所有点进行排序：将纵坐标作为第一关键值，横坐标作为第二关键值，进行升序排序.我们设置两个关于候选点的堆栈L和R来解决凸包问题。其中L处理直线x=P0.x左方的点

3、，R处理直线x=P0.x右方的点。初始时P0和P1、P2作为初始凸包相继入堆栈R。扫描过程中，由于我们是沿逆时针方向通过凸包的，因此如果栈顶元素是凸包的顶点，则它应该向左转指向当前被扫描的点Pi。如果它不是向左转，则它不属于凸包中的顶点，应从堆栈R中移出。在弹出了所有非左转的顶点后，我们就把Pi推入堆栈R，继续扫描序列中的下一个点Pi+1。当算法结束时，堆栈R中仅包含凸包的顶点，其顺序为各点在边界上出现的逆时针方向排列的顺序。判断当前栈顶元素是否向左转指向扫描点Pi，只需计算向量(PiPtop-1)和(PtopPtop-1)的叉

4、积的值，其中top为栈顶指针，Ptop-1为次栈顶元素：若叉积大于等于0，说明线段在的顺时针方向或共线，Ptop末向左转。不同区域污染程度污染分级清洁轻度污染中度污染重度污染不同区域污染程度以生活区为例：重金属AsCdCrCuHgNiPbZn最大3.027.1523.9646.55110.295.551334.42最小0.670.690.610.780.460.730.80.65中位数1.662.261.553.396.851.421.872.62平均1.702.462.205.9410.521.542.233.47标准差0.3

5、40.781.575.9111.420.401.082.55清洁1%1%1%0%0%2%1%1%轻污染80%31%67%8%4%89%56%27%中污染19%41%10%34%9%8%20%31%重污染0%27%22%58%86%1%23%42%重金属元素污染原因主成分分析的数学模型重金属元素污染原因相关矩阵由此确定主成分个数m，即提取主成分对应的特征值大于1的前m个主成分。就本题而言可以确定2个主成分，求出每个主成分的累积百分率后可得到各个变量在各个主成分的权系数，得到初始因子系数矩阵。重金属元素污染原因旋转成分矩阵与主成分表

6、达式重金属元素污染原因由主成分分析结合Shepard法作图图4：F1影响下分布示意图重金属元素污染原因图5：F2影响下分布示意图重金属元素污染原因由主成分分析法我们可以发现，Cr、Ni、Zn、As四种重金属元素在F1中所占比例较大，Cd、Cu、Hg、Pb四种重金属元素在F2中所占比例较大，于是可以将它们近似看做同样的源头。分析已知材料可以知道F1可能是由电镀等工业污染造成的；F2可能是由交通运输中产生的尾气经大气沉降，或含重金属元素的肥料不合理的施用造成的。污染源的确定对流－弥散方程此方程讨论的是在各向同性的土壤中传播的情况，对

7、于地表，设v1、v2分别表示水平传播速度与垂直传播速度，D1、D2分别表示横向弥散系数与纵向弥散系数，点(x,y)在x方向上的偏导数与水平面的夹角为α，在y方向上的偏导数与水平面的夹角为β，则污染源的确定污染源的确定相关参数的近似值上述偏微分方程要求解析解是困难的，就此我们可以采用逆向思维的方法，使用有限差分方法将原偏微分方程化为差分方程，通过origin8作图得到一系列数据点。根据假设，在非污染源点方程与实际数据有较高的拟合性，而在污染源应该出现在偏差的极大值点。同时结合主成分分析法，我们得到下面两幅图像：污染源的确定图6：稳

8、定态下主成分一浓度变化率等高线分布图污染源的确定图7：稳定态下主成分二浓度变化率等高线分布图污染源的确定污染源的大致坐标对于主成分一（3200，5800），（4600，4400），（9400，4200），（13800，9400）对于主成分二（15200，9000