城市表層土壤重金屬污染分析

龔佃選　秦法寶　張梓婷　高　曄

（華北理工大學(xué)河北唐山063009）

城市表層土壤重金屬污染分析

龔佃選秦法寶張梓婷高曄

（華北理工大學(xué)河北唐山063009）

本文通過對某城市土壤地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)分析，對不同功能區(qū)進(jìn)行污染程度的評估和劃分，并用統(tǒng)計(jì)插值、主成分分析和聚類分析等方法分析出重金屬污染的主要原因，并確定污染源。做出各個(gè)重金屬濃度的等值線圖，并用污染負(fù)荷指數(shù)法，將各區(qū)域進(jìn)行比較，得出重金屬對各區(qū)的影響程度，即：工業(yè)區(qū)＞交通區(qū)＞生活區(qū)＞公園綠地區(qū)＞山區(qū)。運(yùn)用主成分系數(shù)矩陣，找到污染程度嚴(yán)重的重金屬，進(jìn)而得出污染程度最高點(diǎn)的坐標(biāo)值和其所屬功能區(qū)。分析得出污染主要來自工業(yè)區(qū)和交通區(qū)，且Hg和Cd的污染最為顯著。再由重金屬從高濃度向低濃度擴(kuò)散的特點(diǎn)，確定了污染源的位置。

統(tǒng)計(jì)差值；污染負(fù)荷指數(shù)；主成分分析法；聚類分析

1　相關(guān)背景和問題提出

本文的目的在于通過對大量的數(shù)據(jù)分析，解決下列三個(gè)問題：(1)描述該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度。(2)說明重金屬污染的主要原因。(3)根據(jù)重金屬污染物的傳播特征，確定污染源的位置。現(xiàn)對某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，按城市功能劃分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)、公園綠地區(qū)等，不同功能區(qū)，受人類活動(dòng)影響不同。我們主要有采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)的信息。8種主要重金屬元素在采樣點(diǎn)處的濃度，8種主要重金屬元素的背景值。

在此，我們假設(shè)：(1)假設(shè)該城區(qū)土質(zhì)具有一般性；(2)假設(shè)在取樣背景值時(shí)所取樣點(diǎn)足夠多，認(rèn)為背景值等于平均值；(3)假設(shè)采樣點(diǎn)之間的重金屬濃度是連續(xù)變化的。

2　問題分析與求解

2.1污染程度描述

為確定各個(gè)區(qū)域的污染程度和污染重金屬對各區(qū)的影響程度，做出了各個(gè)重金屬濃度的等值線圖，運(yùn)用污染負(fù)荷指數(shù)法，判斷各個(gè)區(qū)域的污染程度，并將各區(qū)域進(jìn)行比較，得出重金屬對各區(qū)的影響程度。

2.1.1等值線圖分析

從圖1中可以直觀的看到。以x=10000,y=6000為分界線，圖中左上角，右上角，左下角，右下角。分別有一個(gè)重金屬元素較為富集的地方。我們按順時(shí)針給出編號：A,B,C,D。

這里我們將四個(gè)中心處的數(shù)目從橙黃色的一根等值線起算的數(shù)值定義為某種元素在某富集點(diǎn)的污染等級，而將某富集點(diǎn)的所有元素的污染等級之和定義為此點(diǎn)處的污染等級。

通過污染等級的分析確定了金屬元素富集的兩個(gè)地方，同時(shí)對不同金屬分布范圍有了比較直接的了解。從圖中可以看出左下角的D點(diǎn)是各種重金屬元素集中富集的地方，而右上角的B處是As,Cd,Zn,Hg等分布范圍較廣的重金屬的富集之處。

通過各種重金屬元素的等值線圖以及PLI的等值線圖與地形的等值線圖和該城市的功能分區(qū)圖比對，可大致排除地形因素對重金屬污染物分布的影響，并確定功能分區(qū)與重金屬的分布關(guān)系密切。

圖1　等值線圖分析

2.1.2污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法是將人從事重金屬污染水平的分級研究中提出來的一種評價(jià)方法。該指數(shù)由評價(jià)區(qū)域所包含的多種重金屬成份共同構(gòu)成,它能直觀地反映各個(gè)重金屬對污染的貢獻(xiàn)程度,以及重金屬在時(shí)間、空間上的變化趨勢,應(yīng)用比較方便。

表1　各功能區(qū)的PLI平均值及污染程度劃

對各個(gè)功能區(qū)的PLI平均值，及污染程度劃分。通過比對，發(fā)現(xiàn)污染程度和功能區(qū)有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。即：污染程度工業(yè)區(qū)＞交通去＞生活區(qū)＞公園綠地區(qū)＞山區(qū)。

2.2污染的主要原因

針對土地評價(jià)中污染物因素較多,數(shù)據(jù)信息量大的特點(diǎn)。運(yùn)用主成分分析法，可以使土地評價(jià)中所采集的大量信息盡可能地減少損失，也可通過數(shù)學(xué)變換將原有的多個(gè)因素因子轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)相互線性無關(guān)的主要分量，從而實(shí)現(xiàn)簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；并根據(jù)主成分的方差貢獻(xiàn)率客觀地確定權(quán)重，避免評價(jià)指標(biāo)的共線性和權(quán)重確定的人為性，使評價(jià)結(jié)果更趨客觀合理。

2.3確定污染源

由上述分析可認(rèn)為重金屬的分布式連續(xù)的，物質(zhì)的擴(kuò)散從高濃度向低濃度進(jìn)行。運(yùn)用聚類分析方法得出各個(gè)金屬的富集區(qū)域，我們假設(shè)污染源是污染重金屬的富集區(qū)域并結(jié)合結(jié)論二得出的重金屬污染最為嚴(yán)重區(qū)為工業(yè)區(qū)和交通區(qū)，進(jìn)而確定污染源的位置。

2.3.1總體數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析

圖2　聚類分析樹狀圖

將八個(gè)元素分成三組，As和Hg單獨(dú)一組，其余為一組。根據(jù)前述繪出的濃度圖和計(jì)算出的濃度較高值所處的位置，大致估計(jì)所有重金屬污染物的污染源位置坐標(biāo)為（2300,3000）。

2.3.2坐標(biāo)范圍X＞10000,Y＞5000的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類

將八個(gè)元素分為兩組，As.Cr.Ni比較特殊，分為一組，根據(jù)已做出的圖像和數(shù)據(jù)分析，可以得到污染源的位置坐標(biāo)（15000,9000）。

3　改進(jìn)方向

本文研究了某時(shí)間的重金屬污染情況，并提出了分析和確定污染源位置的方法。但沒有考慮到不同時(shí)期，不同的土層中各種重金屬的含量是不同的。需要收集土壤深度和重金屬濃度的數(shù)據(jù)，建立動(dòng)態(tài)的模型，由此更直接的確定污染與工業(yè)發(fā)展的聯(lián)系，并且能對今后的污染情況作出預(yù)測。

[1]孫碩.城市表層土壤重金屬污染物的擴(kuò)散分析.時(shí)代金融, 2012,475:307-308.

[2]馮長春.城鎮(zhèn)土地評價(jià)中國主成分分析法的應(yīng)用.中國國土資源經(jīng)濟(jì),05:27-31,2007.

[3]祈軼宏.基于GIS的銅陵地區(qū)土壤重金屬元素的空間分布.合肥工業(yè)大學(xué),2006.

受中國自然科學(xué)基金（No.?61170317,?11301120）和河北省自然科學(xué)基金（A2013209295，A2015209189）及河北省青年拔尖人才項(xiàng)目支持資助。本文基于2011年高教社杯全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽A題。