城市表層土壤重金屬污染分析模型

陳偉娜 李維 葛丹丹

摘 要：針對(duì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口的不斷增加和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響也日益加劇的現(xiàn)狀，該文對(duì)某城市城區(qū)表層土壤重金屬進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。針在單因子指數(shù)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)土壤的綜合污染，比較該城區(qū)的各個(gè)功能區(qū)重金屬的污染程度?；谥亟饘僭诖髿?、水體中傳播特性的不同，利用高斯擴(kuò)散推廣模型確定重金屬污染程度較大的污染源位置。為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，還應(yīng)收集的信息有該城市常年的風(fēng)速、沖洗系數(shù)、亨利系數(shù)；通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析，建立重金屬污染物在氣體和土壤中擴(kuò)散模型。

關(guān)鍵詞：指數(shù)法 因子分析 重金屬污染 高斯擴(kuò)散改進(jìn)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-0-02

1 問(wèn)題分析

針對(duì)海量數(shù)據(jù)，應(yīng)從整體上對(duì)污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。而內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤的綜合污染，以突出最高一項(xiàng)污染指數(shù)的作用。在土壤中有很多重金屬元素有相似的存在形式和傳播途徑，并且有相同的污染源，因此在進(jìn)行通過(guò)數(shù)據(jù)分析，說(shuō)明重金屬污染的主要原因時(shí)，基于統(tǒng)計(jì)原理建立起來(lái)正態(tài)模型，不同的重金屬有不同的傳播方式，其大體分為大氣傳播、水體傳播、固體傳播，因金屬元素在土壤中大部分以穩(wěn)定形態(tài)存在，故忽略重金屬元素在固體土壤中的傳播。根據(jù)收集的信息和題目中的有關(guān)資料對(duì)重金屬污染物的傳播特征的分析，可將8種重金屬污染物分為兩類(lèi)。一類(lèi)是在大氣中傳播，而大氣傳播的污染物最終經(jīng)空氣沉降進(jìn)入土壤；一類(lèi)是在土壤中傳播。對(duì)于在大氣中傳播的重金屬污染物，文章建立重金屬污染物在氣體中擴(kuò)散模型，根據(jù)所在的空間任意位置土壤表面的重金屬污染物濃度的多少來(lái)確立污染源的位置，函數(shù)的最大值即為污染源的位置；同理建立了重金屬污染物在土壤中的傳播模型。

2 模型建立及求解

2.1 土壤的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)

2.1.1 單因子指數(shù)法

2.1.3 評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

該文采用GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)參考了《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)綱要》中規(guī)定進(jìn)行分級(jí)，等級(jí)劃分為1等級(jí)屬清潔水平適合發(fā)展有機(jī)食品；2級(jí)屬尚清潔水平適合發(fā)展無(wú)公害食品生產(chǎn)；3級(jí)以后屬于污染水平，不適宜無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

計(jì)算得到綜合污染評(píng)價(jià)指標(biāo)后，通過(guò)分析比較得出該城區(qū)的各個(gè)功能區(qū)重金屬的污染程度由高至低排序?yàn)椋汗I(yè)區(qū)﹥主干道區(qū)﹥生活區(qū)﹥公園綠地區(qū)﹥山區(qū)。

2.2 重金屬污染的原因分析

（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)陣，求出相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和特征向量。

（3）進(jìn)行正交變換，使用方差最大法。得到5個(gè)主因子提供了源資料的87.756%的信息，滿足因子分析的原則，而且從上表可以看出旋轉(zhuǎn)前后總的累計(jì)貢獻(xiàn)率沒(méi)有發(fā)生變化，即總的信息量沒(méi)有損失，采用此標(biāo)準(zhǔn)下的分析結(jié)果。

（4）確定因子個(gè)數(shù)，計(jì)算因子得分，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2 金屬元素污染原因

根據(jù)該市空間立體分布圖和各功能區(qū)的分布圖，結(jié)合各個(gè)功能區(qū)的分布特點(diǎn)，由重金屬元素空間分布圖分析可知：（1）主因子1體現(xiàn)出的三個(gè)主要變量因子為Ni、Cu Cr三種重金屬元素。Ni元素廣泛的分布在該城市各個(gè)功能區(qū)。分析可能是易于傳播的污染介質(zhì)造成的，如煤的燃燒產(chǎn)生的粉塵、顆粒，以及含有Ni元素的巖石的風(fēng)化等；Cu元素及Cr元素分布在城市的西南方，分布著工業(yè)區(qū)、生活區(qū)、公園綠地區(qū)、主干道區(qū)。Cu、Cr兩種金屬元素是工業(yè)生產(chǎn)中所形成的廢氣、廢水和固體排放物中均大量存在的污染物。（2）主因子2體現(xiàn)出兩個(gè)主要變量因子為Pb、Cd，其在來(lái)源上關(guān)聯(lián)較密切，兩種重金屬元素的最大值均出現(xiàn)在工業(yè)區(qū)。其在空間上近似可認(rèn)為是一個(gè)帶狀的污染源，這主要因?yàn)镻b主要來(lái)自市中心交通汽車(chē)尾氣的排放，而且在研究取得西北部有兩個(gè)明顯的富集中心，形成一個(gè)高值區(qū)。該市表層土壤中的Cd含量市中心地帶比西北城區(qū)高，東南城區(qū)又比市中心地帶高，恰好與當(dāng)?shù)氐闹黠L(fēng)向相一致，表明大氣中含Cd污染物的干濕沉降也是造成土壤Cd污染的一個(gè)重要原因。（3）主因子3體現(xiàn)出一個(gè)主要變量因子Hg。該金屬元素在生活區(qū)分布含量偏高，污染較為嚴(yán)重，其主要的污染原因可為人類(lèi)活動(dòng)造成水體汞污染，來(lái)自氯堿、塑料、電池、電子等工業(yè)排放的廢水。（4）主因子4體現(xiàn)出一個(gè)主要變量因子As，該金屬元素在各個(gè)功能區(qū)的分布較平均，這是因?yàn)榈奈廴驹炊鄻?。大氣含砷污染除巖石風(fēng)化、火山爆發(fā)等自然原因外，主要來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)及含砷農(nóng)藥的使用、煤的燃燒。含砷廢水、農(nóng)藥及煙塵都會(huì)污染土壤。（5）主因子5體現(xiàn)出一個(gè)主要變量因子，的分布具有明顯的特點(diǎn)，在城市的西部富集，產(chǎn)生一高值區(qū)，該部靠近工業(yè)區(qū)，工業(yè)上的三廢是其富集的主要原因。

2.3 重金屬污染物傳播模型

3 大氣—平均風(fēng)速的廓線模式

大氣擴(kuò)散主要是風(fēng)的作用，平均風(fēng)速的廓線模式是隨高度變化的。在大氣擴(kuò)散模型中平均風(fēng)速的廓線模式定義為風(fēng)速隨高度變化的曲線。風(fēng)速的線性數(shù)學(xué)表達(dá)方式成為風(fēng)速廓線模式。根據(jù)我國(guó)《指定地方天氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》（GB/T 3840-1991）所制定的方法，采用米函數(shù)風(fēng)速廓線模式。

冪函數(shù)分素廓線模式是在近地層、中性層、平坦下墊面的條件下推到出來(lái)的。該模式應(yīng)用高度較高，可達(dá)到300m或更高的高度，且隨應(yīng)用高度增加，精度下降。

4 水體

6 模型評(píng)價(jià)及推廣

6.1 模型評(píng)價(jià)

6.1.1 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)用主成分分析方法將多維因子納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定量化研究、理論成熟的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。通過(guò)分析變量之間的相關(guān)性，使得所反映信息重疊的變量被某一主成分替代，減少了變量數(shù)目，減少了變量數(shù)目，從而降低了系統(tǒng)評(píng)價(jià)的復(fù)雜性。再以方差貢獻(xiàn)率作為每個(gè)主成分的權(quán)重，由每個(gè)主成分的得分加權(quán)即可完成對(duì)水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)。

6.1.2 缺點(diǎn)：題目所給數(shù)據(jù)有限且單一，所建模型不足以全面反映該市土壤環(huán)境污染特征。.對(duì)于模型三，僅考慮了金屬元素傳播的部分途徑，具有局限性。

7 模型推廣

模型一可推廣用于投資風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；模型二可用于研究放射性物質(zhì)的污染；模型三還可推廣到研究病菌在空氣中的傳播；模型四可以推廣到研究灰塵在空氣中的擴(kuò)散規(guī)律。

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