城市表層土壤重金屬污染分析

□梁玉蘭

( 山西大同大學(xué)朔州師范分校，山西 朔州 036000)

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城市表層土壤重金屬污染分析

□梁玉蘭

( 山西大同大學(xué)朔州師范分校，山西 朔州 036000)

通過(guò)某城市土壤地質(zhì)環(huán)境采集的319個(gè)取樣點(diǎn)，分析所得到的砷(As)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、汞(Hg)、銅( cu)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鎘(Cd)等在城市土壤中主要重金屬元素的濃度，與實(shí)際相結(jié)合，利用樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，借助Matlab數(shù)學(xué)軟件中mesh函數(shù)繪制出三維模型，一個(gè)取樣地樣分區(qū)圖，八個(gè)八種重金屬元素濃度分布圖，九個(gè)俯視圖，對(duì)問(wèn)題所做工作進(jìn)行評(píng)價(jià)，總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)城市環(huán)境的演變模式研究給出展望。

重金屬污染；因子分析法；單項(xiàng)污染指數(shù)；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

一、問(wèn)題的提出及研究意義

我們通過(guò)對(duì)城市表層土進(jìn)行取樣、編號(hào)、定位、分析，獲得了8種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)，并在自然區(qū)取樣，將其作為該城區(qū)表層土壤中元素的背景值。工業(yè)區(qū)(10.06012)>交通區(qū)(8.76412)>生活區(qū)(4.369964)> 公園綠地區(qū)(3.49275)> 山區(qū)(0.679365)。通過(guò)對(duì)生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、交通區(qū)及公園綠地區(qū)的研究得出：生活區(qū)污染的主要原因是生活垃圾、廢舊電池、臨近工廠工業(yè)廢氣廢物的排放；工業(yè)區(qū)污染的主要原因是工廠產(chǎn)生的廢渣、廢水、廢氣排入外界環(huán)境，山區(qū)主要是由于臨近工業(yè)區(qū)隨意排放廢棄物造成的污染，交通區(qū)主要是汽車尾氣排放造成的污染，公園綠地區(qū)的污染主要是由工廠和汽車排放的污染物造成的。通過(guò)對(duì)重金屬污染物的傳播特征分析，運(yùn)用excel軟件對(duì)所給數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并作出不同元素在不同位置和基礎(chǔ)對(duì)照組的距離與該元素濃度的散點(diǎn)圖，從而給出回歸方程與相關(guān)系數(shù)，確定了污染源位置。

二、問(wèn)題的分析

對(duì)于問(wèn)題中8種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算出該城區(qū)內(nèi)對(duì)生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地地區(qū)位置、海拔及8種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得出8中重金屬元素在不同區(qū)域的相關(guān)系數(shù)矩陣及相關(guān)顯著性檢測(cè)、特征根與方差貢獻(xiàn)、旋轉(zhuǎn)前因子載荷矩陣、方差極大正交旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣，確定因子個(gè)數(shù)，通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的解答，對(duì)照所做的不同元素在不同區(qū)域的濃度含量圖，從而認(rèn)為選取一組數(shù)據(jù)，作為基礎(chǔ)對(duì)照組。本文利用excel對(duì)所給數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并作出不同元素在不同位置和基礎(chǔ)對(duì)照組的距離與該元素濃度的散點(diǎn)圖，從而給出回歸方程與相關(guān)系數(shù)，結(jié)合圖像與數(shù)據(jù)確定污染源。對(duì)于由于城市地質(zhì)環(huán)境的變化還受到土壤地質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、含水量、吸附率及緊實(shí)程度等的影響，在不考慮空氣影響的前提下，建立模型，求出重金屬污染物在飽和的土壤中進(jìn)行傳播的方程，通過(guò)污染物在土壤中的傳播特性來(lái)分析城市地質(zhì)環(huán)境的變化模式。下面我們給出模型假設(shè)：假設(shè)該城市不同區(qū)域8種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)不受空氣影響、假設(shè)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠、假設(shè)重金屬污染物是在飽和的土壤中進(jìn)行傳播、假設(shè)測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生的誤差忽略不計(jì)。

三、模型建立及求解

土壤中各重金屬總含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知：各土地類型中，Hg的總量距其平均值排序?yàn)楣I(yè)區(qū)土壤(642.36)> 交通區(qū)土壤(446.82)>公園綠地區(qū)土壤(114.99)>生活區(qū)土壤(93.04)>山區(qū)土壤(81.59)。公式如下：重金屬元素的污染指數(shù)等于重金屬含量實(shí)測(cè)值減去土壤背景值除以土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值減去土壤背景值。單因子指數(shù)單項(xiàng)污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：重金屬元素的污染指數(shù)小于等于1污染水平為非污染，重金屬元素的污染指數(shù)小于等于2大于1污染水平為輕污染，重金屬元素的污染指數(shù)小于等于3大于2污染水平為中污染、重金屬元素的污染指數(shù)大于3污染水平為重污染。綜合污染指數(shù)計(jì)算方法如下：采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)等于單因子指數(shù)平均值的平方加上采樣點(diǎn)重金屬污染物單項(xiàng)污染指數(shù)中的最大值的平方除以再開平方。內(nèi)梅羅土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：土壤綜合污染指數(shù)小于等于0.7污染程度為安全，污染水平為清潔、土壤綜合污染等級(jí)為一級(jí)；土壤綜合污染指數(shù)小于等于1.0大于0.7污染程度為警戒線，污染水平為尚清潔，土壤綜合污染等級(jí)為二級(jí)；土壤綜合污染指數(shù)小于等于2.0大于1.0污染程度為輕污染，污染水平為污染物超過(guò)起始污染值、土壤綜合污染等級(jí)為三級(jí)；土壤綜合污染指數(shù)小于等于3.0大于2.0污染程度為中污染，污染水平為土壤和作物污染明顯，土壤綜合污染等級(jí)為四級(jí)；土壤綜合污染指數(shù)大于等32.0污染程度為重污染，污染水平為土壤和作物污染嚴(yán)重，土壤綜合污染等級(jí)為五級(jí)。內(nèi)梅羅評(píng)價(jià)結(jié)果：通過(guò)對(duì)單向污染指數(shù)的觀察及分析可得出在各個(gè)采樣點(diǎn)的各重金屬的污染水平比較， 根據(jù)上述得出的數(shù)據(jù)分析出生活區(qū)除外，其他重金屬均屬于輕微污染和中污染。由此可以看出，生活區(qū)的污染物的來(lái)源比較復(fù)雜。這可能由于生活區(qū)布局不合理，受到工業(yè)企業(yè)的影響；另外，區(qū)域工程廢氣沉降、汽車尾氣排放、酸雨侵蝕對(duì)生活區(qū)土壤產(chǎn)生了一定的污染。

工業(yè)區(qū)主要以汞、銅為主，且均屬于重污染。主要原因是：一方面，當(dāng)?shù)鼗ば∑髽I(yè)長(zhǎng)期亂排污；另一方面，由于生產(chǎn)中燃煤、礦產(chǎn)品加工等排放的高濃度煙塵、飄塵、廢水和廢渣導(dǎo)致了區(qū)域性的土壤污染。交通區(qū)主要以汞、銅、鋅污染為主，也都達(dá)到重度污染水平。主要原因：由于機(jī)動(dòng)車流量較大，車輛表面鍍層的不斷磨損，破裂以及滑動(dòng)軸承的磨損而產(chǎn)生顆粒塵埃會(huì)進(jìn)入土壤；此外，尾氣的大量排放也會(huì)造成重金屬在空氣中傳播并沉降于表土。公園綠地區(qū)主要以汞污染為主，很明顯造成這種現(xiàn)象的原因是由于工業(yè)區(qū)的布局不合理，且長(zhǎng)期亂排污。

通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合污染指數(shù)的計(jì)算可得出各區(qū)域的污染指數(shù)。生活區(qū)綜合污染指數(shù)為4.369964、工業(yè)區(qū)綜合污染指數(shù)為10.06012、山區(qū)綜合污染指數(shù)為0.679365、交通區(qū)綜合污染指數(shù)為8.76412、公園綠地區(qū)綜合污染指數(shù)為3.49275。

從以上數(shù)據(jù)分析中可得出結(jié)論，第一因子為鎘、鉛和汞，第二因子為砷、鎳和銅，第三因子為鋅和鉻，鎘和鉛在來(lái)源上關(guān)聯(lián)較密切，鎘可來(lái)源于車輛表面電鍍層的不斷磨損，輪胎的磨損也是鎘的主要來(lái)源，鉛主要來(lái)自市中心交通源汽車尾氣的排放以及生活區(qū)的廢棄生活垃圾，銅是車輛的機(jī)械磨損產(chǎn)生的塵埃，鉻可來(lái)源于車體構(gòu)建表面鍍層和滾動(dòng)軸的磨損，廢舊電池的污染以及鄰近的工業(yè)區(qū)的廢氣排放均可造成汞的含量過(guò)高。鉻、銅、鋅、鉛是由垃圾施用引起的?？梢姡豌~的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)最大，為 0.983，其次為銅和鉻，汞和鉻相關(guān)系數(shù)分別為 0.920和 0.902。

我們按照同一元素在不同區(qū)域的分布情況來(lái)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算出其余地區(qū)距離基礎(chǔ)對(duì)照組的距離，再根據(jù)相應(yīng)的濃度作出散點(diǎn)圖(以距離基礎(chǔ)對(duì)照組的距離作為橫坐標(biāo)，以該點(diǎn)的濃度作為縱坐標(biāo))并擬合出對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)線，求出其相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)R的平方。分析可得，該污染物的濃度根據(jù)隨著距離基礎(chǔ)對(duì)照組的距離越遠(yuǎn)大致呈遞減趨勢(shì)。重金屬在大氣、水體、土壤、生物體中廣泛分布，而土壤往往是重金屬的儲(chǔ)存庫(kù)，重金屬污染主要集中在工業(yè)區(qū)，其次是交通區(qū)和生活區(qū)，山區(qū)和公園綠地區(qū)污染最為輕微。

通過(guò)問(wèn)題一的相關(guān)數(shù)據(jù)分析可知：1.研究砷元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出砷元素的污染源主要集中距離10000m—12000m之間。屬于交通區(qū)。該城區(qū)中工業(yè)區(qū)和交通區(qū)砷污染較嚴(yán)重，可能有冶煉廠、玻璃制造廠等等，也可能通過(guò)河流、雨水或者風(fēng)向傳播到交通區(qū)。2.研究鎘元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出鎘元素的污染源主要集中在距離10000m—12000m之間。屬于交通區(qū)。所以該城區(qū)中Cd元素的污染區(qū)主要在生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、交通區(qū)和公園綠地區(qū)。3.研究鉻元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出鉻元素的污染源主要集中8000m—12000m之間。屬于工業(yè)區(qū)。該城區(qū)在生活區(qū)、交通區(qū)污染最嚴(yán)重，其次是工業(yè)區(qū)和山區(qū)，生活區(qū)來(lái)源于人們使用劣質(zhì)化妝品，工業(yè)區(qū)中可能有金屬加工、電鍍、制革等行業(yè)，交通區(qū)體現(xiàn)在人們使用汽油等排放的廢氣。4.研究銅元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出銅元素的污染源主要集中在12000m—20000m之間。屬于山區(qū)。廢水中含銅量也較高。該城區(qū)工業(yè)區(qū)Cu污染很嚴(yán)重，其次是生活區(qū)和交通區(qū)，含銅農(nóng)藥化肥等均可使土壤含銅量嚴(yán)重超標(biāo)，使得公園綠地區(qū)的Cu含量高。5.研究汞元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出汞元素的污染源主要集中在3000m—8000m之間。屬于交通區(qū)與工業(yè)區(qū)。該城區(qū)Hg污染特別嚴(yán)重，具體體現(xiàn)在工業(yè)區(qū)和交通區(qū)，其次是生活區(qū)和公園綠地區(qū)。工業(yè)排放是該城區(qū)表層土壤Hg污染的另一個(gè)重要來(lái)源，在大面積污染的濃集中心在工業(yè)區(qū)，造成了公園綠地區(qū)汞含量也較高。6.研究鎳元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出鎳元素的污染源主要集中在3000m—5000m之間。屬于生活區(qū)。Ni(鎳)的污染源也屬于面積型的，后隨雨水沉降到土壤中。該城區(qū)生活區(qū)、山區(qū)、交通區(qū)鎳污染比較嚴(yán)重，可能山區(qū)是鎳礦石的開采和冶煉地，之后隨著河流和降水進(jìn)入生活區(qū)和交通區(qū)。7.研鉛究元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出鉛元素的污染源主要集中在2000m—3000m之間。屬于工業(yè)區(qū)。Pb主要來(lái)自市中心交通源汽車尾氣的排放、汽車橡膠輪胎老化磨損、車體自身的磨損、路面材料的老化磨損，該城區(qū)生活區(qū)和工業(yè)區(qū)Pb污染最為嚴(yán)重，在工業(yè)區(qū)可能主要是有礦區(qū)冶煉廠、蓄電池廠、油漆廠，冶煉排放的廢水含有Pb，經(jīng)河流和降水涉及生活區(qū)，還有生活區(qū)的居民使用塑料袋也使得鉛污染。8.研究鋅元素的濃度在不同區(qū)域的分布情況圖，對(duì)照不同點(diǎn)的濃度大小，從而確定出鋅元素的污染源主要集中在5000m—12000m之間。屬于交通區(qū)。該城區(qū)生活區(qū)、工業(yè)區(qū)和交通區(qū)的Zn污染比較嚴(yán)重，可能是在工業(yè)區(qū)有鋅元素的排放的工廠。

四、模型優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)

優(yōu)點(diǎn)：在正確、清楚的分析了題意的基礎(chǔ)上，建立了合理、科學(xué)的模型，模型有很好的通用性和推廣性；原創(chuàng)性強(qiáng)，采用專業(yè)數(shù)學(xué)軟件，可信度較高；對(duì)模型中的眾多表格進(jìn)行分析，找到變量間的潛在聯(lián)系。

缺點(diǎn)：該模型在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及繪圖過(guò)程中幾乎選取了全部元素進(jìn)行繪圖，對(duì)于數(shù)據(jù)的處理不夠全面，因此在圖形的繪制上出現(xiàn)一定的偏差，從而導(dǎo)致圖形在反映數(shù)據(jù)時(shí)有一定的偏差。在計(jì)算內(nèi)梅羅污染指數(shù)時(shí)，采用了所給的全部原始采樣數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏大，但基本能說(shuō)明問(wèn)題。以后采樣時(shí)要均勻采樣，對(duì)采樣數(shù)據(jù)要進(jìn)行初步處理，可以借助正態(tài)分布來(lái)篩選數(shù)據(jù)，把不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)剔除，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加精確的處理計(jì)算，從而得出更精準(zhǔn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)。模型給出的基于WSN三邊金屬污染源定位算法是根據(jù)單個(gè)污染源及固定的采樣點(diǎn)而言的，今后在研究多個(gè)污染源及樣本點(diǎn)的動(dòng)態(tài)分布時(shí)，模型仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

為了在以后更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境，分析影響地質(zhì)環(huán)境的因素：構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地震作用，巖漿作用，變質(zhì)作用，風(fēng)化作用，地面流水地質(zhì)作用，地下水地質(zhì)作用，冰川地質(zhì)作用，海洋地質(zhì)作用，湖泊和沼澤地質(zhì)作用，風(fēng)的地質(zhì)作用，重力地質(zhì)作用等，因此我們應(yīng)該盡量地收集更多的信息。有了這些信息，在模型建立時(shí)像地下水流，風(fēng)力作用以及一些人為因素均應(yīng)考慮。土壤的緊實(shí)程度對(duì)重金屬污染物的傳播有影響。土壤的緊實(shí)程度越高，則土壤中的空隙就越少，溶質(zhì)的對(duì)流和擴(kuò)散速度都要受到影響。所以在原模型的基礎(chǔ)上我們還需收集土壤的地質(zhì)、土壤的化學(xué)性質(zhì)、土壤的含水率、土壤的吸附率及土壤的緊實(shí)程度等信息在一定范圍為內(nèi)建立新的模型。

五、模型評(píng)價(jià)與分析

由于土壤中污染物會(huì)在土壤中運(yùn)移，不同污染物進(jìn)入土壤環(huán)境后可發(fā)生一系列的變化，為了提高結(jié)論的嚴(yán)密性和準(zhǔn)確性，我們?cè)诮⒛Ｐ蜁r(shí)還應(yīng)考慮污染物在土壤中的擴(kuò)散，通過(guò)對(duì)土壤溶質(zhì)濃度、土體含水率以及污染物在土壤中的傳播速度等因素的測(cè)量建立幾何模型、高斯模型、對(duì)流彌散傳輸模型等模型的建立使結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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The Analysis of Surface Soil Heavy Metals Pollution in the City

Liang Yulan

(Shuozhou Nomal Branch, Shanxi Datong University, Shuozhou, Shanxi, 036000)

Through collecting 319 sampling points from the soil geological environment in a certain city, this paper analyzes the concentration of the eight main heavy metals in urban soil, that is arsenic (As), nickel (Ni), lead (Pb), mercury (Hg), zinc (zinc), chromium (Cr), and cadmium (Cd) and etc. Combining with practice, using the data of sample point, with the aid of mesh function of Matlab mathematical software to draw three-dimensional model, a sampling partition map, a distribution map of eight heavy metals concentration, and the nine top view, this paper evaluates the issue that is done in the work, sums up the advantages and disadvantages, and the prospect of research on the evolution model of city environment is given.

heavy metal pollution; factor analysis method; single pollution index; ROM the comprehensive pollution index

2014—09—10

梁玉蘭(1968—)，女，山西朔州人 ，山西大同大學(xué)朔州師范分校，講師。

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A

1008—8350(2015)01—0103—04