基于MATLAB的城市表層土壤重金屬污染分析

郭舒，張玲，劉富坤，魏眾

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 2300031）

1 引言

隨著城市工業的飛速發展，城鎮化進程的加快，自然資源不合理開采以及農業生產活動所帶來的重金屬污染時有發生[1]。重金屬是毒性大、難以降解、容易積累的常見污染物，還可以進入食物鏈，威脅人類健康，重金屬污染是當前環境保護研究的重點對象[2]。

黃毅、鄧志英[3]課題組對湖南省湘潭市姜畬鎮2個村、鶴嶺鎮1個村，株洲市茶陵縣虎踞鎮1個村等重金屬污染比較嚴重的區域進行了現場調研，對該環境下耕地輪作休耕試點中存在的問題進行了剖析，最終為其治理提出了合理的對策與建議；李冠杰[4]分析了2000-2010年發生在全國范圍內45起造成人體健康損害重金屬污染事件的分析，得出重金屬污染具有自身特殊性，與基層環境監管密不可分。李鳳國[5]等人采用電感耦合等離子質譜儀研究贛江上游表層沉積物重金屬污染程度，分析污染物可能的來源及評價其存在的生態風險，為保護贛江流域水體環境和鄱陽湖生態環境提供科學依據。

8種重金屬元素濃度的空間分布和平面分布圖形

隨著城市經濟的快速發展和城市人口的不斷增加，人類活動對城市環境質量的影響日顯突出。對城市土壤地質環境異常的查證，以及如何應用查證獲得的海量數據資料開展城市環境質量評價，研究人類活動影響下城市地質環境的演變模式，也日益成為人們關注的焦點。本文通過對某城市城區土壤地質環境進行調查，獲得了 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種主要重金屬元素濃度的相關數據。本文基于MATLAB對相關數據進行分析，建立數學模型，分析出該城區內不同區域重金屬的污染程度，并進一步說明重金屬污染的主要原因，為該地區環境治理工作提供參考價值。

各區域重金屬元素平均表 表1

8種重金屬元素在各區域內的標準偏差 表2

8種重金屬元素對各城區的污染指數 表3

土壤環境質量綜合評價分級標準 表4

2 模型假設

結合實地調研收集到的數據，建立如下假設：

①在小區域范圍內重金屬元素含量的濃度不突變；

②重金屬元素不易流動；

③只考慮地表重金屬元素的分布情況；

④不考慮植物吸收等自然因素對重金屬元素濃度分布的影響；

⑤取樣點的數據較好的反映了該區域的重金屬元素的濃度。

3 模型的建立與求解

3.1 問題分析

采用統計學中分層抽樣方法分析調研獲取的數據，用MATLAB軟件模擬出各重金屬元素的空間分布，對各功能區每種重金屬元素的濃度進行統計計算，從而確定各區域的污染程度，進而估計出重金屬污染的主要原因。同時，分析出重金屬污染物的傳播特征，確定出污染源的位置，并且就此提出合理地解決重金屬污染的方案。

3.2 模型的建立

建立一個各金屬元素二維空間分布的模型。二維坐標x,y一旦給定，空間坐標h就唯一確定，因此可以用二維坐標x,y確定各金屬元素的平面濃度函數。根據假設（1）、（4）用插值方法模擬出各金屬濃度的空間分布的一個二元連續函數圖形，用MATLAB軟件插值出8種主要重金屬元素的濃度平面分布圖形，如下圖所示。

3.3 模型的求解

采用數理統計中平均值和標準差的計算方法，由上圖得出了8種重金屬元素在該城區內不同區域分布濃度的平均值和標準差，如表1、表2。

采用內梅羅綜合污染指數法，得出8種重金屬元素在城市各區域的綜合污染指數來判斷區域內各種重金屬元素的整體污染程度，求解結果如表3所示。

由表3數據整理歸納出該城市表層土壤因重金屬污染環境質量綜合評價分級標準，如表4所示。

4 結論

由以上統計出來的數據，可以得出以下結論：

①除重金屬元素Cr在生活區濃度最高外，其他各種重金屬元素均是在工業區的濃度最高，由此可以推測出重金屬污染的主要原因可能是工業排放以及生活污物排放；

②Cd、Cu、Cr、Hg、Zn 等五種重金屬元素在交通區的濃度較高，由此可以推測出各種車輛尾氣排放也是導致重金屬元素污染的原因之一；

③各種重金屬元素在山區的濃度均是最低，各種重金屬元素在公園綠地區的濃度比較低；

④從每一種重金屬元素的綜合污染指數來看，As、Cr、Ni三種重金屬元素在土壤中的污染相對來說不明顯，Cd、Cu、Hg、Pb、Zn五種重金屬元素在該城區的污染較為嚴重；

⑤各種重金屬污染程度綜合在一起，在工業區、交通區為重污染，生活區、公園綠地區為中度污染，山區土壤較清潔；因此，工業區、交通區應該是該城市環境治理部門重點治理的區域。