城市表层土壤重金属污染分析建模论文.doc

第页，共NUMPAGES1页城市表层土壤重金属污染分析摘要随着全球经济化的迅速发展，人类活动对城市地质环境影响日益显著，重金属污染物通过各种途径进入土壤，土壤重金属污染造成了生态系统严重破坏。模型一：将采样点的空间坐标与重金属污染物浓度综合起来，绘制出元素的空间分布图（三维图和等高图），综合使用空间分布图，可直观的看出各功能区的密集程度以及各种重金属污染物浓度。通过地质累积指数、内梅罗指数可求出每种元素在每个区域内的综合污染指数，利用各种重金属元素的综合污染指数，建立重金属污染物对环境污染程度的模糊综合评判矩阵，并运用贴近度算法，求出各功能区的相对污染程度，得到各区域污染程度大小序列：交通区>工业区>生活区>公园绿地区>山区。模型二：利用因子分析法和主成分分析法，求出各金属元素的相关系数矩阵，求得两个主成分：对第一个主成分贡献较大的元素有Hg、Cu，对第二主成分贡献较大的元素有As、Cr、Ni。最终得出结论：该城区的污染主要是由人为活动影响的。交通污染和工业污染是主要原因。根据各功能区各种重金属元素的综合污染指数，绘制出重金属元素污染指数直方图，可直观地观察出在不同区域内其主要污染元素，并寻找其源头及造成因素。模型三：综合考虑重金属污染物的传播特征，根据重金属污染的不同传播特征，建立两个不同的污染源确定模型。一、根据污染物传播特征（高浓度向低浓度扩散），判断污染源可能在浓度较高的位置。利用各重金属元素的污染指数生成归一化矩阵，按照各污染物的综合污染指数，将污染区域的位置分成三个模块。利用fminsearch函数最优解算法和初始模糊猜测值求目标函数最优解对应的空间坐标。从而得到模糊最优污染源位置。二、利用城区地貌特征和污染物传播特征（高海拔向低海拔扩散），判断原始污染源可能在海拔较高的位置，运用曲线拟合和微分方程的性质，可得到多个近似污染源；对重金属污染源位置分类讨论，得出原始污染源：（15600，15286，118）。模型四：通过对模型三的综合评价，可看出该模型缺乏重金属污染源的分布随时间而产生的变化，及其对污染源位置确定的影响。采取按一定时间梯度在整个城区进行取样考察的方法，对不同时间城市地貌进行插值逼近，求出城市地质环境中重金属污染物以及污染源在不同时间内的分布规律，进一步的探索人类活动影响下城市地质环境的演变模式。关键词：内梅罗指数、模糊综合评判、主成分分析一、问题的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（0~10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。下面我们通过建立数学模型解决以下问题：(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，说明重金属污染的内在因素和人为因素。(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)分析问题（3）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，还应收集哪方面信息，以及如何利用这些信息，建立更优化的模型来确定污染源的位置。二、问题的分析由样本点的坐标，各种重金属元素的浓度，可以绘制出三维图形。通过内梅罗指数方程，确定各浓度污染物的权重，结合数据可确定各重金属污染物对环境影响的综合污染指数，并对内梅罗综合污染指数贴近度模糊评判，从而确定不同区域的重金属污染物对环境的污染程度。对各种重金属元素进行因子分析和主成分分析，确定各城区重金属污染主要由某几种元素造成，具体分析该元素浓度大的原因。观察地貌图结合重金属污染物的传播特征，将其分为两方面进行考虑（即高浓度向低浓度扩散：求浓度较高点为污染源；高海拔向低海拔扩散：求海拔较高点）。可以对数据进行拟合，或者运用fminsearch函数求最优解求出污染源的大概最优位置。研究城市地质环境的演变模式，需要结合时间问题来综合