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城市表层土壤重金属污染分析摘要：文章利用单项污染指数衡量各区域内每种重金属元素对各监测点的污染程度，由尼梅罗算法得到8种重金属元素对各区域的污染程度；用因子分析法得到各种重金属元素污染的主要原因；由重金属元素的传播特征利用优化方法确定了污染源位置。
关键词:重金属污染尼梅罗算法因子分析法1 引言在以经济建设为一切工作重心的今天，工业化进程突飞猛进的同时重金属污染问题日趋严重。
重金属一旦进入土壤很难在生物循环过程中分解，当重金属在土壤中累积量超过土壤本身的承受能力时，不仅会影响土壤动植物的生长发育，而且还会通过植物的吸收、富集，并最终通过食物链进入人体，给人体健康带来巨大的危害。
目前，关于土壤重金属污染的研究已成为一个热点问题。
本文以2011年全国大学生数学建模竞赛题为背景，就某城区As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn八种主要重金属对土壤的污染状况展开研究。
考虑到不同的区域环境受人类活动影响的程度不同，所以按照功能，将城区划分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区。
研究过程中主要采用标点检测取样的办法获得各重金属的浓度数据，在此基础上给出了土壤重金属污染的研究办法。
具体做法是先由尼梅罗算法确定各区域的污染程度，同时利用因子分析法寻求污染原因，而后依据重金属的传播特征进行回溯，这样即可确定污染源的位置。
2 各区域重金属的污染程度对于重金属对土壤环境的污染程度，由于涉及多种元素，可用单项污染指数来衡量某一监测点某种元素对该点的污染程度，并用综合污染指数来衡量这八种重金属元素对该点的综合污染程度。
研究过程中，监测取样的方法获得的只是各金属在某一监测点的浓度，而通过这些数据很难直接评价污染程度，所以可选取一个统一的标准，将这些元素的浓度进行转化。
将各金属元素浓度背景值的上限作为标准，以浓度值在背景上限值中所占的比重作为污染程度。
可定义单项污染指数为：参照国家GB15618-1995《土壤环境质量标准》中对土壤质量等级给出的标准，就能得到重金属元素对各功能区的污染程度。
一 、问题重述土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。
然而随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加以及人类随着经济和社会及科学的发展逐渐向原始生态环境的扩进，土壤重金属污染日益严重。
目前，全世界各类重金属的排放量居高不下，其中Ni 的排放量大约100万吨、Mn 的排放量约在1500万吨、Pb 大约500万吨、Cu 约340万吨、Hg 大约在1.5万吨。
另据我国农业部进行的全国污灌区调查显示，土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类的健康，总体上治理和恢复的难度较大。
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。
本文针对题目提出的几个问题，就以下四个方面展开讨论：（1） 应用点模式空间分析概念给出8种主要重金属元素在该城区的空间分布，这里不仅考虑每种重金属元素在该城区的空间分布，还考虑了不同区域中8中不同重金属元素的空间分布，从而结合不同的视角分析该城区内不同区域重金属的污染程度；（2） 重金属污染源主要来自随着大气沉降进入土壤的重金属、随污水进入土壤的重金属、随固体废弃物进入土壤的重金属和随农用物资进入土壤的重金属4个主要方面，本文结合主成分分析，给出该城区主要的污染源以及不同类型区域的污染源，进而结合实际讨论重金属污染的主要原因；（3） 针对现有数据的分布特征，包括该城区8种重金属空间分布和不同类型区域的重金属空间分布，建立数学规划模型，讨论了重金属扩散的中心位置和扩散方向，确定了污染源的位置；（4） 讨论了模型的优缺点，并分析了各类重金属污染对地质变化的前瞻性后果预测，具体给出了不同重金属对于环境污染的危害程度，提出了可能的解决方案，主要是针对预测结果的土壤重金属污染修复的可能性规划方案。
土壤重金属污染调查报告一、引言土壤是人类赖以生存的重要自然资源之一，它为植物生长提供了必要的养分和支撑。
然而，随着工业化、城市化进程的加速以及农业生产中化学物质的大量使用，土壤重金属污染问题日益严重，对生态环境和人类健康构成了潜在威胁。
为了深入了解土壤重金属污染的现状、来源和危害，我们进行了本次调查。
二、调查目的本次调查的主要目的是：1、了解研究区域土壤重金属的含量水平和分布特征。
2、分析土壤重金属的来源，包括自然来源和人为来源。
3、评估土壤重金属污染对生态环境和人类健康的潜在风险。
4、提出针对性的土壤重金属污染防治措施和建议。
三、调查区域概况本次调查选择了具体区域名称作为研究区域，该区域位于地理位置，面积约为具体面积。
该区域具有多样化的土地利用类型，包括农田、工业用地、居民区和林地等。
区域内的气候条件为气候类型，年平均降水量为具体降水量，年平均气温为具体气温。
四、调查方法1、土壤样品采集根据研究区域的土地利用类型和地形地貌特征，采用网格布点法和随机布点法相结合的方式，共采集了具体数量个土壤样品。
每个采样点采集表层土壤（0 20 cm），使用不锈钢土钻采集，将多个子样混合为一个样品。
2、样品处理与分析土壤样品带回实验室后，经过自然风干、去除杂质、研磨过筛等预处理步骤。
采用电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）和原子吸收分光光度法（AAS）等方法测定土壤中重金属（如铅、镉、汞、铬、砷等）的含量。
3、数据处理与分析运用统计分析软件对土壤重金属含量数据进行描述性统计分析，包括平均值、标准差、最大值、最小值等。
采用地统计分析方法（如克里金插值法）绘制土壤重金属含量的空间分布图。
五、调查结果1、土壤重金属含量水平研究区域土壤中重金属含量的测定结果表明，铅、镉、汞、铬、砷等重金属的平均含量分别为具体含量。
与国家土壤环境质量标准（GB 15618-2018）相比，部分采样点的镉、汞等重金属含量超过了标准限值。
2、土壤重金属分布特征空间分布上，土壤重金属含量呈现出明显的不均匀性。
城市表层土壤重金属污染分析一、引言随着城市化进程的加快，城市土壤受到重金属等污染物的威胁问题日益凸显。
城市表层土壤是城市生态环境中的重要组成部分，受到重金属污染的影响会对人类健康和生态系统造成重大影响。
因此，对城市表层土壤中重金属污染的分析具有重要意义。
二、重金属在城市表层土壤中的来源城市表层土壤中重金属主要来源于工业排放、交通尾气、生活垃圾填埋和农药施用等活动。
这些活动导致了土壤中重金属含量的逐渐积累，从而引发了土壤污染问题。
三、常见的城市表层土壤重金属污染物种城市表层土壤中常见的重金属污染物种包括铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）等。
这些重金属对人体健康和环境造成严重危害，需要引起重视。
四、城市表层土壤重金属污染的影响1.对人体健康的影响–长期暴露于重金属污染土壤中会导致慢性中毒，严重影响身体健康。
–儿童和孕妇更容易受到重金属污染的影响，引起神经系统和生殖系统的损伤。
2.对生态系统的影响–土壤中的重金属会影响土壤微生物的活性，破坏土壤生态系统平衡。
–重金属还会进一步污染地下水，威胁周围生态环境的稳定性。
五、城市表层土壤重金属污染分析方法1.采样方法–选择合适的采样点位，并采用土壤钻孔或其它方法获取土壤样品。
2.实验分析–利用化学分析方法，对土壤样品中的重金属进行检测和分析，包括原子吸收光谱等技术手段。
3.数据处理–对实验数据进行统计分析和处理，得出城市表层土壤中重金属的含量及分布情况。
六、城市表层土壤重金属污染治理建议1.减少污染源–减少工业废气排放、加强交通管理，从源头减少重金属排放。
2.土壤修复–利用植物吸收、土壤修复技术等手段，对污染土壤进行修复和改良。
3.加强监测–定期对城市表层土壤进行监测，及时发现并处理重金属污染问题。
结论城市表层土壤中的重金属污染是一个严重的环境问题，对人类健康和生态系统造成威胁。
因此，开展城市表层土壤重金属污染的分析研究具有重要意义，可以为环境保护和城市可持续发展提供科学依据。
城市表层土壤重金属污染分析
城市表层土壤重金属污染是指城市地区表层土壤中存在着超出安全标准的重金属元素。
这些重金属元素包括镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、汞（Hg）、铅（Pb）和锌（Zn）等。
分析城市表层土壤重金属污染需要进行以下步骤：
1. 采样：在城市不同区域选择代表性的采样点，并按照一定的网格密度进行采样。
采样深度一般为0-20厘米。
2. 样品处理：将采集的土壤样品进行样品分割、筛分、干燥等预处理步骤，以获得均匀的土壤样品。
3. 重金属含量测定：采用化学分析方法，如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等对土壤样品中的重金属元素含量进行测定。
4. 数据分析：将测定得到的重金属元素含量与环境质量标准进行比较，评估土壤重金属污染状况。
可以使用统计学方法对数据进行处理和分析。
5. 风险评估：根据土壤重金属污染状况，结合土壤用途和人体暴露途径，进行风险评估，评估不同重金属对人体健康和环境的潜在风险。
6. 污染防治：根据评估结果，采取相应的污染防治措施，如土壤修复、农田污染控制、废弃物管理等，降低土壤重金属污染对环境和人体健康的潜在风险。
需要注意的是，城市表层土壤重金属污染分析是一个复杂的过程，需要搜集大量的样品和数据，并结合多种分析方法进行综合评估，以准确评估土壤重金属污染的程度和潜在风险。
城市表层土壤重金属污染分析摘要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。
为此通过获得的海量数据资料，应用数学软件对数据进行处理，开展了城市土壤环境质量的评价，则得到城市地质环境的演变模式已成为了解决此问题的关键。
基于问题一：利用附件1和附件2给出的调查数据，做出相应的统计分类处理。
然后用MATLAB绘制出该城区各重金属元素的三维曲面模型，这些模型表示了8种主要重金属在该城区的空间分布情况。
然后运用单因子分析和内梅罗污染指数综合评价法对该城区土壤表层重金属元素污染进行评价，从而确定出该城区内不同区域金属元素的污染程度。
针对问题二：通过问题一的分析，我们可以判断出了工业区，交通区，生活区污染程度比较严重，再根据各重金属在各功能区的含量平均值、标准差求出变异系数，根据变异系数的大小可初步判断该城区的污染受到人为因素的影响，为了找出各重金属的主要污染原因，我们又运用了相关系数来进行相关分析，从而综合判断了各功能区污染的主要来源。
如：生活区的污染主要来自于生活垃圾的排放，工业区和交通区污染的主要原因是工业/三废的大量排放，汽车含铅汽油的大量使用，轮胎老化磨损自造出含锌粉尘等等。
对于问题三要求分析重金属污染物的传播特征，并由此建立模型，确定污染的位置，我们通过数据对其进行了空间传播分析，运用扩散通量，菲克定律推出了传播特征，然后将已知的坐标数据和重金属含量数据进行了拟合，找出了各重金属元素的污染源的相对坐标位置。
问题四中我们评价了模型的优缺点，为更好的研究城市地质环境的演变模式，提出相关的信息以及模型来解决问题。
关键字：内梅罗综合污染指数单项污染指数统计分析变异系数相关系数扩散通量菲克定理拟合函数目录1. 问题重述 (2)2. 问题分析 (2)3. 模型假设 (3)4. 符号说明 (3)5. 模型建立与模型求解 (4)6. 模型的评价 (19)7. 模型的改进与推广 (21)8.参考文献 (21)1.问题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。
城市表层土壤重金属污染分析摘要本文在分析某市大量土壤采样数据的基础上，研究了城市表层土壤重金属的污染评价问题、原因分析问题、源反演问题，并分析了地质环境演化模式。
为了分析城市表层土壤的重金属分布情况，我们建立了双三次插值模型对给定的采样点进行数据内插加密，而后利用做出等值线型的重金属空间分布图，并且结合的分布直方图，观察并分析各种重金属的分布情况。
为了评价污染情况，我们应用“基于地质累积和内梅罗指数的污染评价模型”， 分别计算不同功能区的污染指数，得到结果按污染程度由弱到强依次是山区<公园区<居民区<交通区<工业区。
在上一步评价模型的基础上，我们计算出五个功能区中八种元素各自的污染指数，并对各组元素做相关性分析，结合对重金属污染原因的实际认识，综合分析出造成重金属污染的主要原因，按影响程度由大到小依次为：工业生产和交通运输主要造成了、、污染，居民生活活动造成了污染，综合影响程度由大到小依次为工业生产、交通运输、居民生活活动。
矿藏也是造成地表金属富集的一大原因。
我们根据重金属污染物的传播特征，建立起点污染源的高斯函数分布模型20x bu A A S e-=+⋅；通过高斯模型建立污染源范围的反演模型。
我们将污染源看做一个有面积的圆，圆心向外的强度辐射满足高斯分布，定义出源边界的“阈值条件”，假设采样极值点在污染源的半径内，利用采样极值点和周围采样点推算高斯分布的参数，并依据得出的参数进行对污染源中心点范围和半径的反演计算。
我们将实际污染源分为复合源（影响周围土壤多种元素含量）和单项源（影响周围土壤单一元素含量）两种，通过变成计算，得到两个复合污染源和若干单项污染源，部分结果见下表：复合污染源中心范围和半径为了综合研究地质环境演化模式，我们提出了对采集信息的多样化和动态化要求，构建环境点、污染物、关联事件的环境空间，利用时间序列分析法、污染累积指数模型和多线性回归模型综合分析三者之间的相互关系，得出了预测污染物发展、评价关联事件影响的方法，并通过例子展示了构建的演化模式模型在污染物含量报警和污染责任确定中的实际应用。
关键字：地质累积指数 高斯分布模型 源项反演 时间序列分析 多线性回归城市表层土壤重金属污染分析的数学模型一、问题重述随着人类社会的发展，人类活动对城市环境质量的影响日益凸显。
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。
城区按照功能一般划分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。
现在有对某市土壤地质环境的调查资料，包括不同功能区若干采样点土壤主要的种重金属含量，要求我们根据采集到的数据，求解以下问题：() 给出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。
() 通过数据分析，说明重金属污染的主要原因。
() 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。
() 分析你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，还应收集什么信息？有了这些信息，如何建立模型解决问题？二、问题分析第一、二问要求我们给出种主要金属元素在该城区的空间分布，分析不同功能区的污染程度，并且通过数据说明造成污染的主要原因。
首先我们利用绘制出中元素在不同功能区的平均值柱状图做简单分析，而后我们利用读取采样数据，对数据进行插值和网格化，分别以种元素的含量作为第三维变量，分别绘制出种元素的平面等值线含量图和平面彩色图。
在分析各个功能区重金属的污染程度时，我们采用基于地质累积与内梅罗指数的重金属污染评价法，设定了重金属污染级别的评定标准，并通过编程得到各个功能区的重金属污染等级综合评价。
在此方法的基础上，我们计算了不同功能区各个重金属元素污染指标，从中分析得各个功能区主要的污染元素，依此结合实际考虑污染原因。
第三问要求我们考察重金属污染物的传播特征，并由此建立模型，确定污染源的位置。
我们根据参考资料分析出重金属污染物的传播特征，确定了土壤污染物的高斯分布模型和相应的传播函数。
在高斯分布函数的基础上，我们结合第一、二问中关于种重金属含量的分布情况分区分元素考察关于污染源位置的问题。
集合第一问中所作图形，对于某种重金属元素富集区域进行独立考察，通过统计学方法得到相应这个区域的传播函数参量，而后设定一个重金属含量阈值来确定污染源的边缘，在这里采用常用的3dB -值作为边缘阈值，在峰值采样点附近做一个污染源区。
分别确定不同种元素、不同富集位置的污染源概况后，综合考虑各元素相关性和实际情况，确定污染源性质和大体位置。
三、基本假设() 采样点分布均匀且全面，能够体现重金属含量的基本趋势。
() 污染源在整个分布区间可以被看作点源，污染源内部空间重金属含量变化不明显。
矿产资源在本次研究中也看作污染源。
() 研究区域中存在若干明显污染源，其他较远、较小污染源的影响相对于明显污染源的影响近似可忽略。
() 重金属主要通过大气进行传播，前三问中不考虑风向、地面径流、地下水等情况的影响。
() 点污染源周围的重金属含量分布满足高斯分布函数，不明显的海拔因素不影响分布函数。
() 假设轴增大的方向为东方，轴增大的方向为北方，设定方向只为叙述方便，方向不影响重金属含量分布情况。
() 假设题目所给的数据真实可信。
四、符号说明( 1...319; 1...8;)ij C i j ==：第i 个采样点样品中元素j 的含量； ( 1...8;)j BE j =：第j 种元素的背景值；( 1...319; 1...8;)ij I i j ==：第i 个采样点样品中元素j 的地质累积指数； ( 1...319;)i p i =：第i 个采样点样品的综合污染指数； ( 1...8;)j H j =：第j 种重金属元素的综合污染指数； ( 1...5;)i H i =:第i 个功能区的综合污染指数；五、问题一：重金属含量分布情况与污染评价模型重金属元素的城市空间分布和污染程度分析 5.1.1 重金属功能区分布直方图基于题目给出的表格，通过对数据的统计和整理，分别做出各个元素在不同功能区的平均分布量如下所示。
图 重金属功能区分布直方图图中、、、、、分别代表生活区、工业区、山区、交通区、公园区、和相应元素的背景值。
由上图可知，在所有重金属元素中，Cu 、Hg 、Pb 在工业区和交通区的含量较高，Zn 、Cd 、Cr 、As 在工业区和生活区含量较高，Ni 的含量都低于或者接近背景值。
5.1.2 双三次插值法原理为了直观显示重金属元素的空间分布，我们首先要对数据进行三次样条插值和网格化，以采样点种元素的含量作为第三维变量，结合采样点的横纵坐标，分别绘制出种元素的平面等值线含量图和平面彩色图，用等值线密度和色彩来表示不同的重金属含量。
在插值方法的选择上，最合适地质系统的插值方法应该是格里金插值法，但是鉴于需要插值的数据较多，我们选择采用其他近似的插值方法，综合比较了临近点插值、线性插值和三次样条插值在插值速度和光滑度上的影响，确定了基于双三次插值的插值方法，插值原理如下：考虑一个浮点坐标(,)i u j v ++周围的相邻各点，目标的插值(,)f i u j v ++可由如下插值公式得到：(,)[]*[]*[]f i u j v A B C ++=()其中，[]A 、[]B 、[]C 分别为：[][(1)(0)(1)(2)]A S u S u S u S u =++-- ()(1,1)(1,0)(1,1)(1,2)(0,1)(0,0)(0,1)(0,2)[](1,1)(1,0)(1,1)(1,2)(2,1)(2,0)(2,1)(2,2)f i j f i j f i j f i j f i j f i j f i j f i j B f i j f i j f i j f i j f i j f i j f i j f i j ---+-+-+⎡⎤⎢⎥+-++++++⎢⎥=⎢⎥+-++++++⎢⎥+-++++++⎣⎦() (1)(0)[](1)(2)S v S v C S v S v +⎡⎤⎢⎥+⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥-⎣⎦() 232312*()()0()1()48*()5*()()1()20()2abs x abs x abs x S x abs x abs x abs x abs x abs x ⎧-+≤<⎪=-+-≤<⎨⎪≥⎩()5.1.3重金属空间分布平面图利用编程实现插值和绘图，结果如下所示。
图 元素空间分布图图 元素空间分布图图元素空间分布图图元素空间分布图图元素空间分布图图元素空间分布图图元素空间分布图图元素空间分布图综上可知，从功能划分上看，工业区、交通区的污染程度较为严重，生活区次之，山区和公园绿地区的污染程度在五个功能区中最低。
从地理划分上看，每种元素都有若干富集区域，并且在坐标范围小于(5000m,5000m)的范围内多数元素都显示出了富集特征。
由此可知，该城区西南平原区污染较为严重，东北山区大部分污染较轻，东北局部地区出现元素点富集现象，初步估计可能是由于在这些采样点的地下存在着相应的矿产资源，使得采样点样品表现出重金属富集现象。
污染程度的量化分析方法为了量化分析各个功能区的污染程度，我们采用“基于地质累积与内梅罗指数的重金属污染分析模型”，对各个区域内不同种元素的污染情况进行指标量化，并借助内梅罗只是进行污染评级。
5.2.1地质累积指数地质累积指数广泛用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标，不仅考虑了沉积成岩作用等自然地质过程造成的背景值的影响，同时充分注意了人为活动对重金属污染的影响，因此该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响。
地质累积指数的表达公式如下：2 1.4ij ij j C I log BE ⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⋅（）式中，ij I ——第i 个样品中元素j 的地质累积指数；ij C ——第i 个样品中元素j 的浓度；j BE ——元素j 的背景浓度；1.4——修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。
5.2.2 改进的内梅罗指数对内梅罗指数进行改进，将单因子指数换成地质累积指数，得到新的综合指数，公式如下：i p =， ()1,2,8j =L （）式中，i p ——第i 个样品的综合污染指数； ave I ——地质累积指数算数平均值；max I ——地质累积指数最大值。
5.2.3分级标准新的综合指数法是在地质累积指数的基础上进行了内梅罗指数的计算，因此对地质累积指数的分级标准加以调整，适用于新的评价分级。
