基于MATLAB的城市表層土壤重金屬污染模型優化分析

劉富坤，張玲，郭舒，魏眾

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 2300031）

1 引言

隨著城市經濟的快速發展和城市人口的不斷增加，人類活動對城市環境質量的影響日顯突出。對城市土壤地質環境異常的查證，以及如何應用查證獲得的海量數據資料開展城市環境質量評價，研究人類活動影響下城市地質環境的演變模式，日益成為人們關注的焦點。其中，城市表層土壤重金屬污染早已成為國際上的難點問題和熱點問題[1]。代永強[2]等運用基于蛙跳算法的投影尋蹤模型，對城市表層土壤重金屬污染綜合指標作出評價，得到了城市表層土壤重金屬污染綜合評價指標的影響程度。柴立立[3]等以地質累積指數法和潛在生態危害指數法為評價方法，對石家莊城市表層土壤中的8種重金屬元素進行了污染評價和潛在生態危害評價。劉春英[4]等以南昌市居民區、科教區、商業區、工業區、城市公園和郊區這6個功能區的綠化帶土壤為研究對象，采用單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數評價重金屬污染的程度，采用Hakanson潛在生態風險指數法評價土壤重金屬的潛在生態風險。國際上也有不少學者對阿爾及利亞Mediterranea、伊朗 Isfahan地區、意大利西西里島Palermo、巴基斯坦Islamabad、塞維利亞、希臘 Kavala、烏蘭巴托市等地區土壤表層的重金屬含量及其對環境的影響做了大量的研究工作[5～11]。

筆者課題組前期通過對某城市城區土壤地質環境進行實地調研，獲得了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種主要重金屬元素濃度的相關數據，基于MATLAB對相關數據進行分析，建立數學模型，分析出該城區內不同區域重金屬的污染程度，進一步說明了重金屬污染的主要原因。為更好地研究城市地質環境的演變模式，本文針對前述的數學模型進行優化，分析出重金屬污染物的傳播特征，確定出污染源的位置，為城市生態環境重金屬污染治理工作提供了借鑒。

2 模型假設

結合實地調研收集到的數據，建立如下假設：

①在小區域范圍內重金屬元素含量的濃度不突變；

②重金屬元素不易流動；

③只考慮地表重金屬元素的分布情況；

④不考慮植物吸收等自然因素對重金屬元素濃度分布的影響；

⑤取樣點的數據較好的反映了該區域的重金屬元素的濃度。

3 模型的分析與改進

3.1 模型分析

筆者課題組采用統計學中分層抽樣方法分析調研獲取的數據，用MATLAB軟件模擬出各重金屬元素的空間分布，對各功能區每種重金屬元素的濃度進行統計計算，采用內梅羅綜合污染指數法，得出8種重金屬元素在城市各區域的綜合污染指數來判斷區域內各種重金屬元素的整體污染程度，求解結果如表1所示。

8種重金屬元素對各城區的污染指數 表1

各種重金屬元素權重值 表2

圖1 以x為橫坐標

按照單因子重金屬元素污染指數給各重金屬元素賦一個權重，計算得到各種金屬元素的權重如表2所示。

對已建各金屬元素二維空間分布的模型中的坐標x、y分別進行升序排列，將各采樣點的重金屬元素的濃度值進行加權處理，得到加權濃度。用MATLAB處理所得到的數據，分別以采樣點中的x、y作為橫坐標，作為縱坐標，得到圖1、圖2。

考慮到重金屬元素的傳播特征是由污染源向四周擴散，由此可以推測其污染源的位置是重金屬元素濃度大的極值點。因此，根據二元函數分別繪出其對x，對y的圖像。對以x為橫坐標的圖形，可以看出濃度較大的極值點對應的x值主要分布在2300～4000；對以y為橫坐標的圖形，可以看出濃度較大的極大值點所對應的y值分布在3500～5000，6000，9000～10000。根據x值和y值合理確定采樣點編號為：（2883，3617，15）、（2383，3692，7）、（2427，3971，2）、（3299，6018，4），其中（2883，3617，15）、（3299，6018，4）這兩個采樣點屬于交通區，（2383，3692，7） 采樣點屬于工業區，（2427，3971，2） 采樣點屬于生活區，從而確定出污染源位于交通區、工業區以及生活區。

3.2 模型改進

圖2 以y為橫坐標

根據單因子污染指數和綜合污染指數評定法，在合理假設的情況下，很好的估計出了各區域8種重金屬元素污染程度。全過程考慮了問題的主要因素，不過忽略了重金屬元素流動的問題。因此，還應收集的信息有：該城區的年降雨量、該城區不同區域土壤的滲透性能、該城區的水土流動情況。有了以上收集的信息，今后還可以建立更為精確的模型，如：針對該城區的年降雨量，可以建立一個數學模型，找出重金屬元素與降雨量之間的函數關系，從而確定降雨量對重金屬元素流動的影響；針對該城區不同區域土壤的滲透性能，可以建立滲透對重金屬污染影響的數學模型；針對該城區的水土流動情況，可以采取有效的措施去切斷傳播途徑。

4 結論

本文采用單因子污染指數和綜合污染指數兩者相結合的評定方法，分析出了重金屬污染物的傳播特征，確定了污染源的位置，對采用內梅羅綜合污染指數法基于MATLAB建立的數學模型提出了合理的改進建議，為城市生態環境重金屬污染治理工作提供了一定的參考價值。