城市表層土壤重金屬污染分析

□梁玉蘭

( 山西大同大學朔州師范分校，山西 朔州 036000)

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城市表層土壤重金屬污染分析

□梁玉蘭

( 山西大同大學朔州師范分校，山西 朔州 036000)

通過某城市土壤地質環境采集的319個取樣點，分析所得到的砷(As)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、汞(Hg)、銅( cu)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鎘(Cd)等在城市土壤中主要重金屬元素的濃度，與實際相結合，利用樣點的數據，借助Matlab數學軟件中mesh函數繪制出三維模型，一個取樣地樣分區圖，八個八種重金屬元素濃度分布圖，九個俯視圖，對問題所做工作進行評價，總結優缺點，對城市環境的演變模式研究給出展望。

重金屬污染；因子分析法；單項污染指數；內梅羅綜合污染指數

一、問題的提出及研究意義

我們通過對城市表層土進行取樣、編號、定位、分析，獲得了8種化學元素的濃度數據，并在自然區取樣，將其作為該城區表層土壤中元素的背景值。工業區(10.06012)>交通區(8.76412)>生活區(4.369964)> 公園綠地區(3.49275)> 山區(0.679365)。通過對生活區、工業區、山區、交通區及公園綠地區的研究得出：生活區污染的主要原因是生活垃圾、廢舊電池、臨近工廠工業廢氣廢物的排放；工業區污染的主要原因是工廠產生的廢渣、廢水、廢氣排入外界環境，山區主要是由于臨近工業區隨意排放廢棄物造成的污染，交通區主要是汽車尾氣排放造成的污染，公園綠地區的污染主要是由工廠和汽車排放的污染物造成的。通過對重金屬污染物的傳播特征分析，運用excel軟件對所給數據進行分析，并作出不同元素在不同位置和基礎對照組的距離與該元素濃度的散點圖，從而給出回歸方程與相關系數，確定了污染源位置。

二、問題的分析

對于問題中8種化學元素的濃度數據進行分析整合，根據內梅羅指數法計算出該城區內對生活區、工業區、山區、主干道路區及公園綠地地區位置、海拔及8種化學元素的濃度數據進行整合，得出8中重金屬元素在不同區域的相關系數矩陣及相關顯著性檢測、特征根與方差貢獻、旋轉前因子載荷矩陣、方差極大正交旋轉后因子載荷矩陣，確定因子個數，通過對上述問題的解答，對照所做的不同元素在不同區域的濃度含量圖，從而認為選取一組數據，作為基礎對照組。本文利用excel對所給數據進行分析，并作出不同元素在不同位置和基礎對照組的距離與該元素濃度的散點圖，從而給出回歸方程與相關系數，結合圖像與數據確定污染源。對于由于城市地質環境的變化還受到土壤地質、化學性質、含水量、吸附率及緊實程度等的影響，在不考慮空氣影響的前提下，建立模型，求出重金屬污染物在飽和的土壤中進行傳播的方程，通過污染物在土壤中的傳播特性來分析城市地質環境的變化模式。下面我們給出模型假設：假設該城市不同區域8種化學元素的濃度數據不受空氣影響、假設實際測量數據真實可靠、假設重金屬污染物是在飽和的土壤中進行傳播、假設測量儀器產生的誤差忽略不計。

三、模型建立及求解

土壤中各重金屬總含量統計結果分析可知：各土地類型中，Hg的總量距其平均值排序為工業區土壤(642.36)> 交通區土壤(446.82)>公園綠地區土壤(114.99)>生活區土壤(93.04)>山區土壤(81.59)。公式如下：重金屬元素的污染指數等于重金屬含量實測值減去土壤背景值除以土壤環境質量標準值減去土壤背景值。單因子指數單項污染程度分級標準為：重金屬元素的污染指數小于等于1污染水平為非污染，重金屬元素的污染指數小于等于2大于1污染水平為輕污染，重金屬元素的污染指數小于等于3大于2污染水平為中污染、重金屬元素的污染指數大于3污染水平為重污染。綜合污染指數計算方法如下：采樣點的綜合污染指數等于單因子指數平均值的平方加上采樣點重金屬污染物單項污染指數中的最大值的平方除以再開平方。內梅羅土壤綜合污染程度分級標準：土壤綜合污染指數小于等于0.7污染程度為安全，污染水平為清潔、土壤綜合污染等級為一級；土壤綜合污染指數小于等于1.0大于0.7污染程度為警戒線，污染水平為尚清潔，土壤綜合污染等級為二級；土壤綜合污染指數小于等于2.0大于1.0污染程度為輕污染，污染水平為污染物超過起始污染值、土壤綜合污染等級為三級；土壤綜合污染指數小于等于3.0大于2.0污染程度為中污染，污染水平為土壤和作物污染明顯，土壤綜合污染等級為四級；土壤綜合污染指數大于等32.0污染程度為重污染，污染水平為土壤和作物污染嚴重，土壤綜合污染等級為五級。內梅羅評價結果：通過對單向污染指數的觀察及分析可得出在各個采樣點的各重金屬的污染水平比較， 根據上述得出的數據分析出生活區除外，其他重金屬均屬于輕微污染和中污染。由此可以看出，生活區的污染物的來源比較復雜。這可能由于生活區布局不合理，受到工業企業的影響；另外，區域工程廢氣沉降、汽車尾氣排放、酸雨侵蝕對生活區土壤產生了一定的污染。

工業區主要以汞、銅為主，且均屬于重污染。主要原因是：一方面，當地化工小企業長期亂排污；另一方面，由于生產中燃煤、礦產品加工等排放的高濃度煙塵、飄塵、廢水和廢渣導致了區域性的土壤污染。交通區主要以汞、銅、鋅污染為主，也都達到重度污染水平。主要原因：由于機動車流量較大，車輛表面鍍層的不斷磨損，破裂以及滑動軸承的磨損而產生顆粒塵埃會進入土壤；此外，尾氣的大量排放也會造成重金屬在空氣中傳播并沉降于表土。公園綠地區主要以汞污染為主，很明顯造成這種現象的原因是由于工業區的布局不合理，且長期亂排污。

通過對上述數據進行綜合污染指數的計算可得出各區域的污染指數。生活區綜合污染指數為4.369964、工業區綜合污染指數為10.06012、山區綜合污染指數為0.679365、交通區綜合污染指數為8.76412、公園綠地區綜合污染指數為3.49275。

從以上數據分析中可得出結論，第一因子為鎘、鉛和汞，第二因子為砷、鎳和銅，第三因子為鋅和鉻，鎘和鉛在來源上關聯較密切，鎘可來源于車輛表面電鍍層的不斷磨損，輪胎的磨損也是鎘的主要來源，鉛主要來自市中心交通源汽車尾氣的排放以及生活區的廢棄生活垃圾，銅是車輛的機械磨損產生的塵埃，鉻可來源于車體構建表面鍍層和滾動軸的磨損，廢舊電池的污染以及鄰近的工業區的廢氣排放均可造成汞的含量過高。鉻、銅、鋅、鉛是由垃圾施用引起的。可見，汞和銅的相關性最好，相關系數最大，為 0.983，其次為銅和鉻，汞和鉻相關系數分別為 0.920和 0.902。

我們按照同一元素在不同區域的分布情況來建立相應的數學模型，通過兩點間距離公式計算出其余地區距離基礎對照組的距離，再根據相應的濃度作出散點圖(以距離基礎對照組的距離作為橫坐標，以該點的濃度作為縱坐標)并擬合出對應的趨勢線，求出其相應的相關系數R的平方。分析可得，該污染物的濃度根據隨著距離基礎對照組的距離越遠大致呈遞減趨勢。重金屬在大氣、水體、土壤、生物體中廣泛分布，而土壤往往是重金屬的儲存庫，重金屬污染主要集中在工業區，其次是交通區和生活區，山區和公園綠地區污染最為輕微。

通過問題一的相關數據分析可知：1.研究砷元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出砷元素的污染源主要集中距離10000m—12000m之間。屬于交通區。該城區中工業區和交通區砷污染較嚴重，可能有冶煉廠、玻璃制造廠等等，也可能通過河流、雨水或者風向傳播到交通區。2.研究鎘元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出鎘元素的污染源主要集中在距離10000m—12000m之間。屬于交通區。所以該城區中Cd元素的污染區主要在生活區、工業區、交通區和公園綠地區。3.研究鉻元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出鉻元素的污染源主要集中8000m—12000m之間。屬于工業區。該城區在生活區、交通區污染最嚴重，其次是工業區和山區，生活區來源于人們使用劣質化妝品，工業區中可能有金屬加工、電鍍、制革等行業，交通區體現在人們使用汽油等排放的廢氣。4.研究銅元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出銅元素的污染源主要集中在12000m—20000m之間。屬于山區。廢水中含銅量也較高。該城區工業區Cu污染很嚴重，其次是生活區和交通區，含銅農藥化肥等均可使土壤含銅量嚴重超標，使得公園綠地區的Cu含量高。5.研究汞元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出汞元素的污染源主要集中在3000m—8000m之間。屬于交通區與工業區。該城區Hg污染特別嚴重，具體體現在工業區和交通區，其次是生活區和公園綠地區。工業排放是該城區表層土壤Hg污染的另一個重要來源，在大面積污染的濃集中心在工業區，造成了公園綠地區汞含量也較高。6.研究鎳元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出鎳元素的污染源主要集中在3000m—5000m之間。屬于生活區。Ni(鎳)的污染源也屬于面積型的，后隨雨水沉降到土壤中。該城區生活區、山區、交通區鎳污染比較嚴重，可能山區是鎳礦石的開采和冶煉地，之后隨著河流和降水進入生活區和交通區。7.研鉛究元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出鉛元素的污染源主要集中在2000m—3000m之間。屬于工業區。Pb主要來自市中心交通源汽車尾氣的排放、汽車橡膠輪胎老化磨損、車體自身的磨損、路面材料的老化磨損，該城區生活區和工業區Pb污染最為嚴重，在工業區可能主要是有礦區冶煉廠、蓄電池廠、油漆廠，冶煉排放的廢水含有Pb，經河流和降水涉及生活區，還有生活區的居民使用塑料袋也使得鉛污染。8.研究鋅元素的濃度在不同區域的分布情況圖，對照不同點的濃度大小，從而確定出鋅元素的污染源主要集中在5000m—12000m之間。屬于交通區。該城區生活區、工業區和交通區的Zn污染比較嚴重，可能是在工業區有鋅元素的排放的工廠。

四、模型優缺點評價

優點：在正確、清楚的分析了題意的基礎上，建立了合理、科學的模型，模型有很好的通用性和推廣性；原創性強，采用專業數學軟件，可信度較高；對模型中的眾多表格進行分析，找到變量間的潛在聯系。

缺點：該模型在進行數據統計及繪圖過程中幾乎選取了全部元素進行繪圖，對于數據的處理不夠全面，因此在圖形的繪制上出現一定的偏差，從而導致圖形在反映數據時有一定的偏差。在計算內梅羅污染指數時，采用了所給的全部原始采樣數據。通過計算發現計算所得結果與國家標準對比發現數據偏大，但基本能說明問題。以后采樣時要均勻采樣，對采樣數據要進行初步處理，可以借助正態分布來篩選數據，把不符合正態分布的數據剔除，然后再對數據進行更加精確的處理計算，從而得出更精準的內梅羅污染指數。模型給出的基于WSN三邊金屬污染源定位算法是根據單個污染源及固定的采樣點而言的，今后在研究多個污染源及樣本點的動態分布時，模型仍需進一步改進。

為了在以后更好地研究城市地質環境，分析影響地質環境的因素：構造運動，地震作用，巖漿作用，變質作用，風化作用，地面流水地質作用，地下水地質作用，冰川地質作用，海洋地質作用，湖泊和沼澤地質作用，風的地質作用，重力地質作用等，因此我們應該盡量地收集更多的信息。有了這些信息，在模型建立時像地下水流，風力作用以及一些人為因素均應考慮。土壤的緊實程度對重金屬污染物的傳播有影響。土壤的緊實程度越高，則土壤中的空隙就越少，溶質的對流和擴散速度都要受到影響。所以在原模型的基礎上我們還需收集土壤的地質、土壤的化學性質、土壤的含水率、土壤的吸附率及土壤的緊實程度等信息在一定范圍為內建立新的模型。

五、模型評價與分析

由于土壤中污染物會在土壤中運移，不同污染物進入土壤環境后可發生一系列的變化，為了提高結論的嚴密性和準確性，我們在建立模型時還應考慮污染物在土壤中的擴散，通過對土壤溶質濃度、土體含水率以及污染物在土壤中的傳播速度等因素的測量建立幾何模型、高斯模型、對流彌散傳輸模型等模型的建立使結果更加準確。

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The Analysis of Surface Soil Heavy Metals Pollution in the City

Liang Yulan

(Shuozhou Nomal Branch, Shanxi Datong University, Shuozhou, Shanxi, 036000)

Through collecting 319 sampling points from the soil geological environment in a certain city, this paper analyzes the concentration of the eight main heavy metals in urban soil, that is arsenic (As), nickel (Ni), lead (Pb), mercury (Hg), zinc (zinc), chromium (Cr), and cadmium (Cd) and etc. Combining with practice, using the data of sample point, with the aid of mesh function of Matlab mathematical software to draw three-dimensional model, a sampling partition map, a distribution map of eight heavy metals concentration, and the nine top view, this paper evaluates the issue that is done in the work, sums up the advantages and disadvantages, and the prospect of research on the evolution model of city environment is given.

heavy metal pollution; factor analysis method; single pollution index; ROM the comprehensive pollution index

2014—09—10

梁玉蘭(1968—)，女，山西朔州人 ，山西大同大學朔州師范分校，講師。

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1008—8350(2015)01—0103—04