城市表层土壤重金属污染分析

摘要 随着近代工业的不断发展，人们对重金属的需求量也越来越大，但是土壤中重金属的含量也越来越高。当含量超过一定的范围时，就会对生态环境造成一定的影响和破坏，甚至会危害人的身体健康。本文使用层次分析、地累积指数法、相关分析、主成分分析等模型解决了城市土壤重金属污染的分析。 一．提出问题

随着全球经济化的迅速发展，含重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成了土壤严重污染。土壤重金属污染可能导致大气和地下水质量的进一步恶化，因此土壤重金属问题也引起了世界各国的广泛重视。

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（ 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。 本文根据测的的数据，对城市表层土壤重金属的污染进行分析。具体问题研究如下：

问题一：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；

问题二：通过数据分析，说明重金属污染的主要原因；

问题三：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； 二．模型的假设

1.假设本文只考虑这8种重金属元素的污染情况，其他重金属元素的污染可以忽略不计；

2.假设各采样点为随机进行采样，数据具有随机性； 3.假设采样过程中，各采样点的污染物浓度无明显变化；

4.假设各重金属元素相互独立，互不影响，且无其他化学物质的影响； 5.不考虑除此城市外其他地区污染源对该城区重金属污染的影响；

6.假设远离人群及工业活动的自然区不受重金属污染，其背景值是合理的； 7.

四 模型的建立与求解 1、数据的分析

8种主要重金属元素的浓度分布大致如下表： 图5.1 各取样点的方位图

五种不同功能区分别用不同的符号和颜色表示。从上图可以看出，交通区遍布全市，山区主要集中在一起，公园和生活区都是较零散分布的，工业区较为集中，主要分布在城区的边缘，但是城区和山区中也有工业区的分布。 2、问题一的分析和求解

为了求解出重金属元素对每个功能区的污染浓度，必须要把每种重金属元素

的权重值求解出来，我们在这里使用更加简单明了的层次分析法来求每种重金属元素的权重。

重金属元素浓度超标赋权法：采用实测值与各级标准的平均值，然后进行归一化处理所得的数值，设 为 样品的 元素的权重， 为 采集点 元素的实际浓度值。 建立层次分析模型：我们以重金属元素的污染程度作为目标层，以8种不同元素作为对象层进行分析；

故判断矩阵的不一致程度在容许范围之内，即所用的层次分析法是合理的。 的数值由附表中的数据可以得出，根据污染浓度模型 ，把权重值和各重金属元素的实际浓度值代入模型中，调用MATLAB程序，计算得出各功能区的污染浓度为：

3、问题二的分析与求解

基于数据相关性分析法的数学模型的建立：相关性分析能定性地对环境变量之间的关系进行研究。相关性分析方法有多种，在环境研究中最常采用Pearon相关分析法，因此本文也采用此方法来分析数据。该分析方法所计算出的值介于 之间，绝对值越接近1，关系越密切，绝对值越接近0，关系越疏远，其值大于零称为正相关，小于零称为反相关，否则称为不相关。

为了分析各功能区各种土壤重金属的来源，我们采用Pearson相关分析对各功能区8种重金属含量数据进行了相关分析。相关性分析结果可以发现： 1）生活区，土壤中 、 、 显著正相关，且相关性较强；

2）工业区，土壤中 显著正相关，且相关性强，其次为 间也达到了显著的正相关；

3）山区，土壤中 、 显著正相关，且相关性较强；

4）交通区，土壤中 、 、 显著性正相关，且相关性较强；

5）公园绿地区，土壤中 、 、 显著性正相关，且相关性较强。

基于主成分分析法的数学模型的建立：立多变量的研究中，由于变量个数较多，并且彼此之间往往存在一定的相关性，因此使观察的数据反映的信息在一定程度上重叠，本文采用主成分分析法进行分析，利用降维的思想把多指标转化为少数几个综合指标，由前面计算相关系数中，我们已计算出了任意两个的相关系数值。

因子分析的主要目的是将具有相近的因子载荷的各个变量置于一个公因子之下，变量与某个因子的联系系数绝对值（荷载）越大，则该因子与变量关系越近。根据五个不同功能区因子载荷矩阵，我们分析结果如下：

1）生活区。生活区分为3个主成分，主成分1为 ，表明两者可能有相似的来源，主成分2为 的组合，这说明这几种土壤重金属污染物可能是同一来源或相似来源。主成分3为 。通过因子分析结果并参照土壤重金属的主要来源，认为生活区土壤重金属污染物可能来自于生活区周围的排污企业等，在区域影响上应该是工业区的影响较大，其次人为因素的影响也是很大的。

2）工业区。工业区分为2个主成分，主成分1为 的组合，主成分2为 的组合。通过因子分析结果并参照土壤重金属的主要来源，认为工业区土壤重金属污染物可能主要来自于自己内部的一些排污企业等，并且工业区的成分明显高于其他区域，可见工业区受自身区域性的影响较大。

3）山区。山区分为2个主成分，主成分1为 的组合，主成分2为 。通过因子分析结果并参照土壤重金属的主要来源，认为山区的污染物可能主要来自于矿产开采、冶炼、加工排放的废气、废水和废渣等，这些工厂一般都是建在山区的工厂，由于山区上工厂较少且海拔较高，受周围区域的影响较小，故山区的成分明显低于其他区域。

4）交通区。交通区分为2个主成分，主成分1为 的组合，主成分2为 。通过因子分析

结果并参照土壤重金属的主要来源，认为交通区的污染物主要来自于汽车尾气以及工厂排放的废气废水废渣等。由于交通区遍布全市，受到各个区域的影响，特别是工业区的影响较大，使得交通区的重金属污染程度也较高。

5）公园绿地区。公园绿地区分为2个主成分，主成分1为 的组合，主成分2为 。通过因子分析结果并参照土壤重金属的主要来源，认为公园绿地区的污染物主要来自于工业的排污等，由于公园绿地对污染物有天然的净化作用，因此公园绿地区的污染程度也较轻。 4、问题三分析与求解

目前工厂排放重金属污染物基本是通过废渣废水废气三种途径进行排放，因此在考虑金属污染物的椽笔特征时，本文认为重金属元素的传播途径分为三类，一类是在土壤中传播，一类是通过河流传播，还有一类是在大气中传播，分别对应工厂排放废物的废渣废水和废气。对三种不同传播途径进行分析如下：

通过以上对重金属污染物传播特征的分析可知：污染物浓度大小与距污染源的距离和所处的地理特征等因素有关。本文在建立模型确定污染源位置之前，先分析海拔高度 与污染物浓度 的相关性。

根据此表可知，海拔高度与污染物浓度的相关性很小，即在分析污染物的传播时可忽略海拔高度的影响。

根据问题一做出的各种重金属污染物浓度在空间分布的状态，找出图形中凸起部分中的最高点（且此点不应为变异点），将此点假想为污染源，那么在此污染源附近的区域内，污染物浓度值的大小将随距污染源距离的变化而变化，因此设：

根据此表我们可以看出重金属元素的污染源主要为交通区和工业区，特别是交通区。分析原因，一方面，交通区汽车较多，汽车尾气的排放是重金属气体传播的重要来源之一；另一方面，交通区遍布全市，污染点的坐标可能有一些误差，结果使其落入交通区。分析后我们发现，这一模型还是对问题进行了表较好的解答。最终结果虽有一定的偏差，但是总体符合我们的要求。说明该模型还有需要改进的地方，相信对模型进行改进后，其结果会更加精确