城市表层土壤重金属污染分析

□梁玉兰

( 山西大同大学朔州师范分校，山西 朔州 036000)



城市表层土壤重金属污染分析

□梁玉兰

( 山西大同大学朔州师范分校，山西 朔州 036000)

通过某城市土壤地质环境采集的319个取样点，分析所得到的砷(As)、镍(Ni)、铅(Pb)、汞(Hg)、铜( cu)、锌(Zn)、铬(Cr)、镉(Cd)等在城市土壤中主要重金属元素的浓度，与实际相结合，利用样点的数据，借助Matlab数学软件中mesh函数绘制出三维模型，一个取样地样分区图，八个八种重金属元素浓度分布图，九个俯视图，对问题所做工作进行评价，总结优缺点，对城市环境的演变模式研究给出展望。

重金属污染；因子分析法；单项污染指数；内梅罗综合污染指数

一、问题的提出及研究意义

我们通过对城市表层土进行取样、编号、定位、分析，获得了8种化学元素的浓度数据，并在自然区取样，将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。工业区(10.06012)>交通区(8.76412)>生活区(4.369964)> 公园绿地区(3.49275)> 山区(0.679365)。通过对生活区、工业区、山区、交通区及公园绿地区的研究得出：生活区污染的主要原因是生活垃圾、废旧电池、临近工厂工业废气废物的排放；工业区污染的主要原因是工厂产生的废渣、废水、废气排入外界环境，山区主要是由于临近工业区随意排放废弃物造成的污染，交通区主要是汽车尾气排放造成的污染，公园绿地区的污染主要是由工厂和汽车排放的污染物造成的。通过对重金属污染物的传播特征分析，运用excel软件对所给数据进行分析，并作出不同元素在不同位置和基础对照组的距离与该元素浓度的散点图，从而给出回归方程与相关系数，确定了污染源位置。

二、问题的分析

对于问题中8种化学元素的浓度数据进行分析整合，根据内梅罗指数法计算出该城区内对生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地地区位置、海拔及8种化学元素的浓度数据进行整合，得出8中重金属元素在不同区域的相关系数矩阵及相关显著性检测、特征根与方差贡献、旋转前因子载荷矩阵、方差极大正交旋转后因子载荷矩阵，确定因子个数，通过对上述问题的解答，对照所做的不同元素在不同区域的浓度含量图，从而认为选取一组数据，作为基础对照组。本文利用excel对所给数据进行分析，并作出不同元素在不同位置和基础对照组的距离与该元素浓度的散点图，从而给出回归方程与相关系数，结合图像与数据确定污染源。对于由于城市地质环境的变化还受到土壤地质、化学性质、含水量、吸附率及紧实程度等的影响，在不考虑空气影响的前提下，建立模型，求出重金属污染物在饱和的土壤中进行传播的方程，通过污染物在土壤中的传播特性来分析城市地质环境的变化模式。下面我们给出模型假设：假设该城市不同区域8种化学元素的浓度数据不受空气影响、假设实际测量数据真实可靠、假设重金属污染物是在饱和的土壤中进行传播、假设测量仪器产生的误差忽略不计。

三、模型建立及求解

土壤中各重金属总含量统计结果分析可知：各土地类型中，Hg的总量距其平均值排序为工业区土壤(642.36)> 交通区土壤(446.82)>公园绿地区土壤(114.99)>生活区土壤(93.04)>山区土壤(81.59)。公式如下：重金属元素的污染指数等于重金属含量实测值减去土壤背景值除以土壤环境质量标准值减去土壤背景值。单因子指数单项污染程度分级标准为：重金属元素的污染指数小于等于1污染水平为非污染，重金属元素的污染指数小于等于2大于1污染水平为轻污染，重金属元素的污染指数小于等于3大于2污染水平为中污染、重金属元素的污染指数大于3污染水平为重污染。综合污染指数计算方法如下：采样点的综合污染指数等于单因子指数平均值的平方加上采样点重金属污染物单项污染指数中的最大值的平方除以再开平方。内梅罗土壤综合污染程度分级标准：土壤综合污染指数小于等于0.7污染程度为安全，污染水平为清洁、土壤综合污染等级为一级；土壤综合污染指数小于等于1.0大于0.7污染程度为警戒线，污染水平为尚清洁，土壤综合污染等级为二级；土壤综合污染指数小于等于2.0大于1.0污染程度为轻污染，污染水平为污染物超过起始污染值、土壤综合污染等级为三级；土壤综合污染指数小于等于3.0大于2.0污染程度为中污染，污染水平为土壤和作物污染明显，土壤综合污染等级为四级；土壤综合污染指数大于等32.0污染程度为重污染，污染水平为土壤和作物污染严重，土壤综合污染等级为五级。内梅罗评价结果：通过对单向污染指数的观察及分析可得出在各个采样点的各重金属的污染水平比较， 根据上述得出的数据分析出生活区除外，其他重金属均属于轻微污染和中污染。由此可以看出，生活区的污染物的来源比较复杂。这可能由于生活区布局不合理，受到工业企业的影响；另外，区域工程废气沉降、汽车尾气排放、酸雨侵蚀对生活区土壤产生了一定的污染。

工业区主要以汞、铜为主，且均属于重污染。主要原因是：一方面，当地化工小企业长期乱排污；另一方面，由于生产中燃煤、矿产品加工等排放的高浓度烟尘、飘尘、废水和废渣导致了区域性的土壤污染。交通区主要以汞、铜、锌污染为主，也都达到重度污染水平。主要原因：由于机动车流量较大，车辆表面镀层的不断磨损，破裂以及滑动轴承的磨损而产生颗粒尘埃会进入土壤；此外，尾气的大量排放也会造成重金属在空气中传播并沉降于表土。公园绿地区主要以汞污染为主，很明显造成这种现象的原因是由于工业区的布局不合理，且长期乱排污。

通过对上述数据进行综合污染指数的计算可得出各区域的污染指数。生活区综合污染指数为4.369964、工业区综合污染指数为10.06012、山区综合污染指数为0.679365、交通区综合污染指数为8.76412、公园绿地区综合污染指数为3.49275。

从以上数据分析中可得出结论，第一因子为镉、铅和汞，第二因子为砷、镍和铜，第三因子为锌和铬，镉和铅在来源上关联较密切，镉可来源于车辆表面电镀层的不断磨损，轮胎的磨损也是镉的主要来源，铅主要来自市中心交通源汽车尾气的排放以及生活区的废弃生活垃圾，铜是车辆的机械磨损产生的尘埃，铬可来源于车体构建表面镀层和滚动轴的磨损，废旧电池的污染以及邻近的工业区的废气排放均可造成汞的含量过高。铬、铜、锌、铅是由垃圾施用引起的。可见，汞和铜的相关性最好，相关系数最大，为 0.983，其次为铜和铬，汞和铬相关系数分别为 0.920和 0.902。

我们按照同一元素在不同区域的分布情况来建立相应的数学模型，通过两点间距离公式计算出其余地区距离基础对照组的距离，再根据相应的浓度作出散点图(以距离基础对照组的距离作为横坐标，以该点的浓度作为纵坐标)并拟合出对应的趋势线，求出其相应的相关系数R的平方。分析可得，该污染物的浓度根据随着距离基础对照组的距离越远大致呈递减趋势。重金属在大气、水体、土壤、生物体中广泛分布，而土壤往往是重金属的储存库，重金属污染主要集中在工业区，其次是交通区和生活区，山区和公园绿地区污染最为轻微。

通过问题一的相关数据分析可知：1.研究砷元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出砷元素的污染源主要集中距离10000m—12000m之间。属于交通区。该城区中工业区和交通区砷污染较严重，可能有冶炼厂、玻璃制造厂等等，也可能通过河流、雨水或者风向传播到交通区。2.研究镉元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出镉元素的污染源主要集中在距离10000m—12000m之间。属于交通区。所以该城区中Cd元素的污染区主要在生活区、工业区、交通区和公园绿地区。3.研究铬元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出铬元素的污染源主要集中8000m—12000m之间。属于工业区。该城区在生活区、交通区污染最严重，其次是工业区和山区，生活区来源于人们使用劣质化妆品，工业区中可能有金属加工、电镀、制革等行业，交通区体现在人们使用汽油等排放的废气。4.研究铜元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出铜元素的污染源主要集中在12000m—20000m之间。属于山区。废水中含铜量也较高。该城区工业区Cu污染很严重，其次是生活区和交通区，含铜农药化肥等均可使土壤含铜量严重超标，使得公园绿地区的Cu含量高。5.研究汞元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出汞元素的污染源主要集中在3000m—8000m之间。属于交通区与工业区。该城区Hg污染特别严重，具体体现在工业区和交通区，其次是生活区和公园绿地区。工业排放是该城区表层土壤Hg污染的另一个重要来源，在大面积污染的浓集中心在工业区，造成了公园绿地区汞含量也较高。6.研究镍元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出镍元素的污染源主要集中在3000m—5000m之间。属于生活区。Ni(镍)的污染源也属于面积型的，后随雨水沉降到土壤中。该城区生活区、山区、交通区镍污染比较严重，可能山区是镍矿石的开采和冶炼地，之后随着河流和降水进入生活区和交通区。7.研铅究元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出铅元素的污染源主要集中在2000m—3000m之间。属于工业区。Pb主要来自市中心交通源汽车尾气的排放、汽车橡胶轮胎老化磨损、车体自身的磨损、路面材料的老化磨损，该城区生活区和工业区Pb污染最为严重，在工业区可能主要是有矿区冶炼厂、蓄电池厂、油漆厂，冶炼排放的废水含有Pb，经河流和降水涉及生活区，还有生活区的居民使用塑料袋也使得铅污染。8.研究锌元素的浓度在不同区域的分布情况图，对照不同点的浓度大小，从而确定出锌元素的污染源主要集中在5000m—12000m之间。属于交通区。该城区生活区、工业区和交通区的Zn污染比较严重，可能是在工业区有锌元素的排放的工厂。

四、模型优缺点评价

优点：在正确、清楚的分析了题意的基础上，建立了合理、科学的模型，模型有很好的通用性和推广性；原创性强，采用专业数学软件，可信度较高；对模型中的众多表格进行分析，找到变量间的潜在联系。

缺点：该模型在进行数据统计及绘图过程中几乎选取了全部元素进行绘图，对于数据的处理不够全面，因此在图形的绘制上出现一定的偏差，从而导致图形在反映数据时有一定的偏差。在计算内梅罗污染指数时，采用了所给的全部原始采样数据。通过计算发现计算所得结果与国家标准对比发现数据偏大，但基本能说明问题。以后采样时要均匀采样，对采样数据要进行初步处理，可以借助正态分布来筛选数据，把不符合正态分布的数据剔除，然后再对数据进行更加精确的处理计算，从而得出更精准的内梅罗污染指数。模型给出的基于WSN三边金属污染源定位算法是根据单个污染源及固定的采样点而言的，今后在研究多个污染源及样本点的动态分布时，模型仍需进一步改进。

为了在以后更好地研究城市地质环境，分析影响地质环境的因素：构造运动，地震作用，岩浆作用，变质作用，风化作用，地面流水地质作用，地下水地质作用，冰川地质作用，海洋地质作用，湖泊和沼泽地质作用，风的地质作用，重力地质作用等，因此我们应该尽量地收集更多的信息。有了这些信息，在模型建立时像地下水流，风力作用以及一些人为因素均应考虑。土壤的紧实程度对重金属污染物的传播有影响。土壤的紧实程度越高，则土壤中的空隙就越少，溶质的对流和扩散速度都要受到影响。所以在原模型的基础上我们还需收集土壤的地质、土壤的化学性质、土壤的含水率、土壤的吸附率及土壤的紧实程度等信息在一定范围为内建立新的模型。

五、模型评价与分析

由于土壤中污染物会在土壤中运移，不同污染物进入土壤环境后可发生一系列的变化，为了提高结论的严密性和准确性，我们在建立模型时还应考虑污染物在土壤中的扩散，通过对土壤溶质浓度、土体含水率以及污染物在土壤中的传播速度等因素的测量建立几何模型、高斯模型、对流弥散传输模型等模型的建立使结果更加准确。

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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

梁玉兰(1968—)，女，山西朔州人 ，山西大同大学朔州师范分校，讲师。

X144

A

1008—8350(2015)01—0103—04