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地表層土壤重金屬污染傳播模型
地表層土壤重金屬污染傳播模型【1】
摘 要：本文在獲取地表層土壤的主要重金屬污染元素分布數(shù)據(jù)的前提下，根據(jù)實際土壤中重金屬元素的傳播特性及影響因素，建立了傳播特性微分方程模型，以此可進一步確定污染源位置并進行污染預(yù)警。
關(guān)鍵詞：重金屬;插值;污染源;微分方程
隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類工業(yè)活動中產(chǎn)生的重金屬污染對城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。
因此，研究人類活動影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關(guān)注的焦點。
本文以某城市地表層土壤的八種主要重金屬元素的分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實際土壤中重金屬元素的傳播影響因素，建立傳播特性微分方程模型，以確定污染源及對可能污染區(qū)域進行預(yù)警。
為了分析重金屬污染物的傳播特征，確定污染源的位置，首先分析在土壤中重金屬污染物的傳播方式，繼而分析影響傳播的因素。
重金屬污染物的傳播方式主要有自然傳播和人類活動影響傳播兩方面，自然傳播主要指通過土壤中泥沙顆粒的擴散來實現(xiàn)，人類活動影響主要來自大氣的沉降、水體的污染、固體廢物的堆放以及礦產(chǎn)資源的開發(fā)和冶煉等。
大氣的沉降：能源、運輸、冶金、建筑等工業(yè)，汽車尾氣的排放及輪胎的磨損，化石能源的燃燒產(chǎn)生的氣體和粉塵含有大量重金屬，這些元素最終通過自然沉降和雨淋沉降融入土壤。
經(jīng)查閱資料，煤所含的Cr、Pb、Hg等金屬和石油所含的Hg等元素，其燃燒時產(chǎn)生的污染物10～30%沉降在排放源十幾公里的范圍內(nèi)。
大氣沉降所帶來的污染與城市的人口密集度，工業(yè)發(fā)達程度，交通的便利程度有直接的關(guān)系，離污染源越近污染程度就越高。
水體的污染：水體的污染主要來源于未經(jīng)處理的生活污水、石油化工污水，工業(yè)廢水、污水灌溉以及滲水坑處理污水的方式。
各種污水都不同程度的含有重金屬等污染物質(zhì)，例如，被鉛鋅礦廢水污染的農(nóng)田土壤中含鎘高達10～136mg/kg。
固體廢物的堆放：固體廢物主要包括工業(yè)固體、化工原料、礦產(chǎn)業(yè)、城市垃圾等廢棄物，其種類繁多，成分復(fù)雜，不同種類其危害方式和污染程度不同，其中礦業(yè)和有毒的工業(yè)固體廢棄物污染最為嚴重。
其污染范圍一般以廢棄堆為中心向四周擴散。
有一些固體廢棄物被直接或通過加工作為肥料施入土壤，對土壤造成更為嚴重的污染，并且通過土壤污染地下水，將污染物流向其他地方。
礦產(chǎn)資源的開發(fā)和冶煉：金屬礦山的開采、冶煉、重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆放等，可以被酸溶出含重金屬離子的礦山酸性廢水，隨著礦山排水和降雨使之帶入水環(huán)境(如河流等)或直接進入土壤，都可以間接或直接地造成土壤重金屬污染，其污染特性是隨著污染源距離延長而逐漸降低。
由于土壤中重金屬元素的擴散傳播是最基本的的傳播方式，所以在本文分析中主要考慮土壤中擴散因素。
以某城市地表層土壤的八種主要重金屬元素的實測分布數(shù)據(jù)，利用不規(guī)則數(shù)據(jù)的二元函數(shù)插值可以繪制出八種重金屬元素在研究區(qū)內(nèi)的二維空間分布圖，得出每種重金屬污染元素的污染程度，同時得到濃度最高值點。
但由于土壤對重金屬元素的擴散傳播特性及土壤表層植被和微生物的降解能力，結(jié)合實際地況的影響，可能導(dǎo)致污染源所在點的污染濃度積累值在一定區(qū)域范圍內(nèi)不是最大值，例如圖1所示，若兩個污染源點處于鞍形地形的峰值點，如圖1中A、B點處，則受地理環(huán)境的影響，土壤顆粒及土壤中的水分受重力影響經(jīng)一定時間的積累后，會攜帶重金屬元素向海拔低處遷移，致使鞍點處最終可能達到此地理區(qū)域內(nèi)的濃度最大值，如圖中C點處。
即經(jīng)過理論分析得到污染濃度最大值點不一定是污染源點。
結(jié)論：由于重金屬元素污染濃度是隨時間變化的值，根據(jù)污染源點的特性可分析得污染濃度隨時間變化量最大處即為污染源點。
下面對重金屬污染傳播特性建立微分方程模型。
1 條件假設(shè)
4 改進模型
式1所示模型的缺點是模型分析過于簡單，受已知數(shù)據(jù)的限制，模型中僅考慮了土壤中重金屬元素的擴散傳播，沒有考慮以下方面：生物、植被的影響;土壤性質(zhì)差異對傳播特性的影響;土壤中水流量的影響;各類區(qū)域間的地理位置關(guān)系;采樣點的采樣誤差等。
在模型的求解時，還將擴散系數(shù)視為等值。
使得求解值與實際值有一定誤差。
為優(yōu)化模型，需要收集以下信息：
(1)第i種重金屬元素在第j個采樣點的土壤顆粒性質(zhì)差異對傳播特性的影響因數(shù)Kij
(2)各類區(qū)域間的地理位置關(guān)系影響因子Kr
(3)土壤水流量影響因子Kv
地表層重金屬污染成因【2】
摘 要：本文以某城區(qū)表層土壤的八種主要重金屬污染元素為研究對象，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析得出各種污染元素在不同功能區(qū)域的污染分布情況，并以此對八種主要重金屬元素的污染成因進行了分析。
關(guān)鍵詞：污染指數(shù)法;評價;污染程度
隨著人類社會的快速發(fā)展，人類工業(yè)活動中含有大量重金屬的廢氣、廢液、廢渣被排入空氣、水源、土壤中，有害物質(zhì)的過量積累當(dāng)超過一定限度時，對生態(tài)環(huán)境將造成影響和破壞，甚至對人類健康乃至生命也造成危害。
本文從某城市地表層土壤的重金屬污染著手對地表層8重主要重金屬污染成因進行分析。
1 采樣
首先對某城市土壤地質(zhì)環(huán)境進行調(diào)查，將城區(qū)按照功能劃分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)，將考察區(qū)按照每平方公里1個采樣點對表層土進行取樣、編號，并用GPS記錄采樣點的位置。
應(yīng)用專門儀器測試分析，獲得了每個樣本所含的8種主要重金屬元素的濃度數(shù)據(jù)。
同時在遠離人群及工業(yè)活動的自然區(qū)按照2公里的間距取樣，將其作為該城區(qū)表層土壤中元素的背景值。
2 污染分析
3 結(jié)論
土壤中重金屬的來源是多途徑的，根據(jù)上文來分析各種重金屬元素的污染原因：
1、砷(As)元素分布： 工業(yè)區(qū)>生活區(qū)>公園綠地區(qū)>主干道路區(qū)>山區(qū)。
各區(qū)As元素的污染指數(shù)差異及污染等級都較小，由此分析可得該城市的As污染由工業(yè)生產(chǎn)和生活區(qū)農(nóng)藥、燃煤污染及公園綠地區(qū)的共同作用構(gòu)成，并受氣體擴散影響分布較均勻。
2、鎘(Cd)：工業(yè)區(qū)的鎘污染較重，山區(qū)污染最輕。
工業(yè)區(qū)的鎘主要污染因素是電鍍、化工等工業(yè)廢水;在主干道路區(qū)的主要污染因素是汽車輪胎及鍍鉻零件的損耗;其他區(qū)域的主要污染因素是電池和染料的使用不當(dāng)。
3、鉻(Cr)元素分布：生活區(qū)>主干道路區(qū)>工業(yè)區(qū)>公園綠地區(qū)>山區(qū)。
生活區(qū)的鉻污染屬于中度污染，主要污染因素應(yīng)是來自劣質(zhì)化妝品原料和皮革制劑處理不當(dāng);主干道路區(qū)的污染因素是汽車輪胎的摩擦和金屬部件損耗;工業(yè)區(qū)煤和石油燃燒也是構(gòu)成鉻污染的因素。
4、銅(Cu)：工業(yè)區(qū)的Cu元素污染已經(jīng)超出嚴重標(biāo)準(zhǔn)值的3倍之多;主干道路區(qū)和生活區(qū)的銅污染也已經(jīng)相當(dāng)嚴重。
污染主要來源于金屬加工、電鍍廠的排放、汽車的金屬零件的損耗、含銅殺菌劑長期大量使用和城市污泥的堆肥利用以及含銅廢水的灌溉。
5、汞(Hg)的污染指數(shù)達到了所有元素污染指數(shù)的最大值，其主要構(gòu)成因素來自于工業(yè)氯堿、塑料制造工廠的排放，使得工業(yè)區(qū)的污染值超出了嚴重標(biāo)準(zhǔn)值的6倍之多;主干道路上汽車尾氣中化石燃料產(chǎn)生的Hg元素也是污染主要的成因;公園綠地內(nèi)大量含汞農(nóng)藥和含汞污泥肥料使用也造成了較大的污染。
6、鎳(Ni);土壤中的鎳(Ni)主要來源于巖石風(fēng)化，大氣降塵，廢水灌溉，農(nóng)田施肥，植物和動物殘體的腐爛等。
在研究區(qū)內(nèi)Ni元素污染較輕，故可分析其主要污染原因是自然原因及含鎳元素的器具的使用。
7、鉛(Pb)：鉛在工業(yè)區(qū)的污染屬于中度污染，其他區(qū)域均屬于輕度污染。
因此，該研究區(qū)鉛污染的主要原因應(yīng)是工業(yè)生產(chǎn)中有色金屬的冶煉，同時汽車尾氣的排放，蓄電池、裝修材料的使用等因素也是部分誘因。
8、鋅(Zn)：鋅在工業(yè)區(qū)、主干道路區(qū)、生活區(qū)的污染已相當(dāng)嚴重，在公園綠地區(qū)屬于中度污染。
可見該城區(qū)鋅污染主要原因可能是由于鋅礦的開采和工廠排放的鋅污染物，機械及輪胎的磨損，顏料的使用，木材及煤的燃燒等。
城市表層土壤重金屬污染分析模型【3】
摘 要：針對經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市人口的不斷增加和人類活動對城市環(huán)境質(zhì)量的影響也日益加劇的現(xiàn)狀，該文對某城市城區(qū)表層土壤重金屬進行了分析評價。
針在單因子指數(shù)評價基礎(chǔ)上采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價土壤的綜合污染，比較該城區(qū)的各個功能區(qū)重金屬的污染程度。
基于重金屬在大氣、水體中傳播特性的不同，利用高斯擴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);通過對以上數(shù)據(jù)的分析，建立重金屬污染物在氣體和土壤中擴散模型。
關(guān)鍵詞：指數(shù)法 因子分析 重金屬污染 高斯擴散改進模型
1 問題分析
針對海量數(shù)據(jù)，應(yīng)從整體上對污染程度進行評價。
而內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價土壤的綜合污染，以突出最高一項污染指數(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，因此在進行通過數(shù)據(jù)分析，說明重金屬污染的主要原因時，基于統(tǒng)計原理建立起來正態(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。
一類是在大氣中傳播，而大氣傳播的污染物最終經(jīng)空氣沉降進入土壤;一類是在土壤中傳播。
對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)量評價與分級
2.1.1 單因子指數(shù)法
2.1.3 評價分級標(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)量綜合評價指數(shù)分級參考了《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價綱要》中規(guī)定進行分級，等級劃分為1等級屬清潔水平適合發(fā)展有機食品;2級屬尚清潔水平適合發(fā)展無公害食品生產(chǎn);3級以后屬于污染水平，不適宜無公害農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。
計算得到綜合污染評價指標(biāo)后，通過分析比較得出該城區(qū)的各個功能區(qū)重金屬的污染程度由高至低排序為：工業(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)進行正交變換，使用方差最大法。
得到5個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)前后總的累計貢獻率沒有發(fā)生變化，即總的信息量沒有損失，采用此標(biāo)準(zhǔn)下的分析結(jié)果。
(4)確定因子個數(shù)，計算因子得分，進行統(tǒng)計分析。
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)合各個功能區(qū)的分布特點，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)出兩個主要變量因子為Pb、Cd，其在來源上關(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為是一個帶狀的污染源，這主要因為Pb主要來自市中心交通汽車尾氣的排放，而且在研究取得西北部有兩個明顯的富集中心，形成一個高值區(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污染的一個重要原因。
(3)主因子3體現(xiàn)出一個主要變量因子Hg。
該金屬元素在生活區(qū)分布含量偏高，污染較為嚴重，其主要的污染原因可為人類活動造成水體汞污染，來自氯堿、塑料、電池、電子等工業(yè)排放的廢水。
(4)主因子4體現(xiàn)出一個主要變量因子As，該金屬元素在各個功能區(qū)的分布較平均，這是因為的污染源多樣。
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)藥及煙塵都會污染土壤。
(5)主因子5體現(xiàn)出一個主要變量因子，的分布具有明顯的特點，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)表達方式成為風(fēng)速廓線模式。
根據(jù)我國《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的。
該模式應(yīng)用高度較高，可達到300m或更高的高度，且隨應(yīng)用高度增加，精度下降。
4 水體
6 模型評價及推廣
6.1 模型評價
6.1.1 優(yōu)點：運用主成分分析方法將多維因子納入同一系統(tǒng)進行定量化研究、理論成熟的多元統(tǒng)計分析方法。
通過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)評價的復(fù)雜性。
再以方差貢獻率作為每個主成分的權(quán)重，由每個主成分的得分加權(quán)即可完成對水質(zhì)的綜合評價。
6.1.2 缺點：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)險評價;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散規(guī)律。
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