城市表層土壤重金屬污染分析

龔佃選　秦法寶　張梓婷　高　曄

（華北理工大學河北唐山063009）

城市表層土壤重金屬污染分析

龔佃選秦法寶張梓婷高曄

（華北理工大學河北唐山063009）

本文通過對某城市土壤地質環境數據分析，對不同功能區進行污染程度的評估和劃分，并用統計插值、主成分分析和聚類分析等方法分析出重金屬污染的主要原因，并確定污染源。做出各個重金屬濃度的等值線圖，并用污染負荷指數法，將各區域進行比較，得出重金屬對各區的影響程度，即：工業區＞交通區＞生活區＞公園綠地區＞山區。運用主成分系數矩陣，找到污染程度嚴重的重金屬，進而得出污染程度最高點的坐標值和其所屬功能區。分析得出污染主要來自工業區和交通區，且Hg和Cd的污染最為顯著。再由重金屬從高濃度向低濃度擴散的特點，確定了污染源的位置。

統計差值；污染負荷指數；主成分分析法；聚類分析

1　相關背景和問題提出

本文的目的在于通過對大量的數據分析，解決下列三個問題：(1)描述該城區內不同區域重金屬的污染程度。(2)說明重金屬污染的主要原因。(3)根據重金屬污染物的傳播特征，確定污染源的位置?，F對某城市城區土壤地質環境進行調查，按城市功能劃分為生活區、工業區、山區、主干道路區、公園綠地區等，不同功能區，受人類活動影響不同。我們主要有采樣點的位置、海拔高度及其所屬功能區的信息。8種主要重金屬元素在采樣點處的濃度，8種主要重金屬元素的背景值。

在此，我們假設：(1)假設該城區土質具有一般性；(2)假設在取樣背景值時所取樣點足夠多，認為背景值等于平均值；(3)假設采樣點之間的重金屬濃度是連續變化的。

2　問題分析與求解

2.1污染程度描述

為確定各個區域的污染程度和污染重金屬對各區的影響程度，做出了各個重金屬濃度的等值線圖，運用污染負荷指數法，判斷各個區域的污染程度，并將各區域進行比較，得出重金屬對各區的影響程度。

2.1.1等值線圖分析

從圖1中可以直觀的看到。以x=10000,y=6000為分界線，圖中左上角，右上角，左下角，右下角。分別有一個重金屬元素較為富集的地方。我們按順時針給出編號：A,B,C,D。

這里我們將四個中心處的數目從橙黃色的一根等值線起算的數值定義為某種元素在某富集點的污染等級，而將某富集點的所有元素的污染等級之和定義為此點處的污染等級。

通過污染等級的分析確定了金屬元素富集的兩個地方，同時對不同金屬分布范圍有了比較直接的了解。從圖中可以看出左下角的D點是各種重金屬元素集中富集的地方，而右上角的B處是As,Cd,Zn,Hg等分布范圍較廣的重金屬的富集之處。

通過各種重金屬元素的等值線圖以及PLI的等值線圖與地形的等值線圖和該城市的功能分區圖比對，可大致排除地形因素對重金屬污染物分布的影響，并確定功能分區與重金屬的分布關系密切。

圖1　等值線圖分析

2.1.2污染負荷指數法

污染負荷指數法是將人從事重金屬污染水平的分級研究中提出來的一種評價方法。該指數由評價區域所包含的多種重金屬成份共同構成,它能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻程度,以及重金屬在時間、空間上的變化趨勢,應用比較方便。

表1　各功能區的PLI平均值及污染程度劃

對各個功能區的PLI平均值，及污染程度劃分。通過比對，發現污染程度和功能區有很強的相關關系。即：污染程度工業區＞交通去＞生活區＞公園綠地區＞山區。

2.2污染的主要原因

針對土地評價中污染物因素較多,數據信息量大的特點。運用主成分分析法，可以使土地評價中所采集的大量信息盡可能地減少損失，也可通過數學變換將原有的多個因素因子轉化為少數幾個相互線性無關的主要分量，從而實現簡化數據結構；并根據主成分的方差貢獻率客觀地確定權重，避免評價指標的共線性和權重確定的人為性，使評價結果更趨客觀合理。

2.3確定污染源

由上述分析可認為重金屬的分布式連續的，物質的擴散從高濃度向低濃度進行。運用聚類分析方法得出各個金屬的富集區域，我們假設污染源是污染重金屬的富集區域并結合結論二得出的重金屬污染最為嚴重區為工業區和交通區，進而確定污染源的位置。

2.3.1總體數據進行聚類分析

圖2　聚類分析樹狀圖

將八個元素分成三組，As和Hg單獨一組，其余為一組。根據前述繪出的濃度圖和計算出的濃度較高值所處的位置，大致估計所有重金屬污染物的污染源位置坐標為（2300,3000）。

2.3.2坐標范圍X＞10000,Y＞5000的數據進行聚類

將八個元素分為兩組，As.Cr.Ni比較特殊，分為一組，根據已做出的圖像和數據分析，可以得到污染源的位置坐標（15000,9000）。

3　改進方向

本文研究了某時間的重金屬污染情況，并提出了分析和確定污染源位置的方法。但沒有考慮到不同時期，不同的土層中各種重金屬的含量是不同的。需要收集土壤深度和重金屬濃度的數據，建立動態的模型，由此更直接的確定污染與工業發展的聯系，并且能對今后的污染情況作出預測。

[1]孫碩.城市表層土壤重金屬污染物的擴散分析.時代金融, 2012,475:307-308.

[2]馮長春.城鎮土地評價中國主成分分析法的應用.中國國土資源經濟,05:27-31,2007.

[3]祈軼宏.基于GIS的銅陵地區土壤重金屬元素的空間分布.合肥工業大學,2006.

受中國自然科學基金（No.?61170317,?11301120）和河北省自然科學基金（A2013209295，A2015209189）及河北省青年拔尖人才項目支持資助。本文基于2011年高教社杯全國大學生數學建模競賽A題。