城市表层土壤重金属污染分析Word格式.docx
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一、问题的背景与提出
1、问题背景
重金属是指密度大于或等于5.0g/cm
的金属元素,如铜(Cu),铅(Pb),锌(Zn),镍(Ni),镉(Cd),铬(Cr),汞(Hg)等。
砷(As)是一种类金属,但由于其化学性质和环境行为与重金属有相似之处,通常也归并于重金属的研究范围内。
尽管重金属中包含生命活动所需要的微量元素,但是大部分重金属如汞,镉,铅等并非生命活动所必须,而且超过一定浓度都对人体产生很大的毒害作用。
重金属一般以天然浓度广泛存在于自然界中,但由于人类对金属矿的开采,冶炼,加工及商业制造活动日益增多,造成不少重金属如铅,汞,镉,钴等进入大气,水,土壤,引起严重的环境污染。
土壤重金属污染就是指由于人类活动使重金属在土壤中的累积量,明显高于土壤环境背景值或土壤环境质量标准。
1995年,国家环境保护局制定了适用于农田,蔬菜地,茶园,果园,牧场,林地,自然保护区等地的《土壤环境质量标准》(GB15618-1995),其中列出了十项土壤环境质量标准值中,有八项是重金属元素,分别为Cd、Hg、As、Cu、Cr、Pb、Zn和Ni。
土壤重金属污染可能造成现存的或潜在的土壤质量退化、生态与环境恶化等现象,并具有长期性,不可逆性、分布广泛以及对人体的危害性严重等特点,给自然环境和人类健康带来了极大的威胁。
对城市土壤地质环境异常的查证,应用查证获得的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。
建立重金属浓度的空间分布,分析重金属污染的主要原因以及确定污染源的位置,不仅可以更好地研究城市地质环境的演变模式,还可以为政府部门更有效的控制污染提供有力的支持。
2、问题的提出
由于城市按照功能划分,可以分为生活区、工业区、山区、主干道路和公园绿地区,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。
对城市各城区土壤地质进行抽样检查样本中含有的重金属的浓度数据,就可以大体反映出当地的污染情况。
我们对远离人群以及工业活动的自然区进行取样,将其中重金属的自然含量作为该城区土壤中元素的背景值,它是制定土壤环境质量的主要指标和基础资料,也是判断土壤污染程度的重要依据。
题目中分别给出了城市采样点的位置、海拔高度以及所属功能区等信息,8种主要重金属元素(Cd、Hg、As、Cu、Cr、Pb、Zn和Ni)在采样点处的浓度以及8种主要重金属的背景值。
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。
分析建立模型的优缺点,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、模型假设
1、污染源的重金属浓度不再增加。
2、取样点的数据较好的反映了该地区的污染物浓度。
3、使用Kriging插值法绘图时图略了河流,湖泊对土壤的隔断,而认为这些区域均匀分布着土壤;
三、数据分析
我们根据附件1给出的采样点的位置、海拔,模拟该城区的地貌曲面如图1所示,并将采样点做出标记。
然后将采样点向
平面做投影,如图2所示
图1:
城区地貌及采样点分布图2:
采样点的二维平面图
3.1回答问题一:
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。
下面八幅图是八种重金属在城区的空间分布
图3:
重金属在城区的空间分布图
通过模型图我们可以清楚的看到各种元素在城区的空间分布状况。
下面我们给出八种重金属元素在五个功能区的密度比较以及超标状况,其中两条横的蓝线中间是背景值的范围。
(a)As在五个功能区的浓度(b)Cd在五个功能区的浓度
(c)Cr在五个功能区的浓度(d)Cu在五个功能区的浓度
(e)Hg在五个功能区的浓度(f)Ni在五个功能区的浓度
(g)Pb在五个功能区的浓度(h)Zn在五个功能区的浓度
图4:
8种重金属在不同功能区的密度比较
综合分析上面八幅图,我们可以很容易的对各个功能区的污染状况有个大概了解,五个功能区均有不同程度的重金属污染,其中2,4区八种重金属污染程度均较大。
下面我们在Excel中用单因素方差分析的方法分析在每个功能区内各种重金属的污染程度的差异。
由于各种重金属的背景值有较大的差别,所以不能直接运用题目中给出的各种金属的浓度进行方差分析。
为了消除背景值的影响,我们把各种重金属的浓度与各自的背景值做比值,把这些比值作为单因素方差分析的数据。
我们验证了那些比值服从正态分布,并且在同一个功能区内利用方差分析的不同重金属的方差不能差别太大,就近似认为是相同的;
对于方差差异较大的那些金属要单独处理,所幸的是实践证明,方差有较大差异的那些重金属的平均比值与其他金属相比也有较大的差异,所以很容易做出判定。
首先分析在生活区内各种重金属的污染程度的差异。
方差分析:
单因素方差分析
SUMMARY
组
观测数
求和
平均
方差
As
44
76.63889
1.741793
0.35674
Ni
65.61463
1.491242
0.21192
方差分析
差异源
SS
df
MS
F
P-value
Fcrit
组间
1.38107
1
4.857284
0.030201
3.951882
组内
24.45236
86
0.28433
总计
25.83343
87
由于统计量的观测值4.857大于临界值3.952,则说明这两种重金属在生活区内的污染程度有显著的差别,从平均值来看Ni的污染程度要小于As。
Cr
97.96161
2.2264
12.11294
Pb
98.08645
2.229238
5.443217
Cd
98.14077
2.230472
1.996368
0.000384
2
0.000192
2.94E-05
0.999971
3.066391
840.7588
129
6.51751
840.7592
131
由于统计量的观测值2.94E-05小于临界值3.066,则说明这三种重金属在生活区内的污染程度没有显著的差别,可以认为是一样的。
Hg
116.9654
2.658305
8.644005
6.090791
3
2.030264
0.288016
0.834013
2.65714
1212.451
172
7.049134
1218.542
175
由于统计量的观测值2.88大于临界值2.657,则说明这四种重金属在生活区内的污染程度有显著的差别,从平均值来看Hg的污染程度要大于其他三种重金属。
Cu
164.6773
3.742665
12.76595
Zn
151.1359
3.434908
41.339
2.083723
0.077025
0.782036
2326.513
27.05248
2328.597
由于统计量的观测值0.077小于临界值3.952,则说明这两种重金属在生活区内的污染程度没有显著的差别,可以认为是一样的。
综上分析,在生活区内,Ni的污染程度最小,其次是As,As的污染程度明显小于Cr,Pb,Cd,而Cr/Pb/C这三种金属的污染程度可以认为是一样的,明显低于Hg,Cu和Zn的污染程度是一样的,也是最大的.即
我们应用均值法,算出生活区各种重金属元素的污染程度。
同理,我们算出其他四个功能区的污染程度如图5所示
图5:
不同功能区重金属污染程度
为了更直观的了解到除了监测点以外的区域重金属的分布情况,我们使用Kriging插值拟合重金属密度函数所表示的曲面,绘图工具用ArcGIS,结果如下面几幅图所示
图6:
ArcGIS作图,各种重金属的分布,颜色越深代表密度越大
从图中可以很容易看出,该城区西南部重金属污染均较重,这里恰好对应工业
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