基于MATLAB的城市表层土壤重金属污染分析

郭舒，张玲，刘富坤，魏众

（1.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 2300031）

1 引言

随着城市工业的飞速发展，城镇化进程的加快，自然资源不合理开采以及农业生产活动所带来的重金属污染时有发生[1]。重金属是毒性大、难以降解、容易积累的常见污染物，还可以进入食物链，威胁人类健康，重金属污染是当前环境保护研究的重点对象[2]。

黄毅、邓志英[3]课题组对湖南省湘潭市姜畲镇2个村、鹤岭镇1个村，株洲市茶陵县虎踞镇1个村等重金属污染比较严重的区域进行了现场调研，对该环境下耕地轮作休耕试点中存在的问题进行了剖析，最终为其治理提出了合理的对策与建议；李冠杰[4]分析了2000-2010年发生在全国范围内45起造成人体健康损害重金属污染事件的分析，得出重金属污染具有自身特殊性，与基层环境监管密不可分。李凤国[5]等人采用电感耦合等离子质谱仪研究赣江上游表层沉积物重金属污染程度，分析污染物可能的来源及评价其存在的生态风险，为保护赣江流域水体环境和鄱阳湖生态环境提供科学依据。

8种重金属元素浓度的空间分布和平面分布图形

随着城市经济的快速发展和城市人口的不断增加，人类活动对城市环境质量的影响日显突出。对城市土壤地质环境异常的查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价，研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式，也日益成为人们关注的焦点。本文通过对某城市城区土壤地质环境进行调查，获得了 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8种主要重金属元素浓度的相关数据。本文基于MATLAB对相关数据进行分析，建立数学模型，分析出该城区内不同区域重金属的污染程度，并进一步说明重金属污染的主要原因，为该地区环境治理工作提供参考价值。

各区域重金属元素平均表 表1

8种重金属元素在各区域内的标准偏差 表2

8种重金属元素对各城区的污染指数 表3

土壤环境质量综合评价分级标准 表4

2 模型假设

结合实地调研收集到的数据，建立如下假设：

①在小区域范围内重金属元素含量的浓度不突变；

②重金属元素不易流动；

③只考虑地表重金属元素的分布情况；

④不考虑植物吸收等自然因素对重金属元素浓度分布的影响；

⑤取样点的数据较好的反映了该区域的重金属元素的浓度。

3 模型的建立与求解

3.1 问题分析

采用统计学中分层抽样方法分析调研获取的数据，用MATLAB软件模拟出各重金属元素的空间分布，对各功能区每种重金属元素的浓度进行统计计算，从而确定各区域的污染程度，进而估计出重金属污染的主要原因。同时，分析出重金属污染物的传播特征，确定出污染源的位置，并且就此提出合理地解决重金属污染的方案。

3.2 模型的建立

建立一个各金属元素二维空间分布的模型。二维坐标x,y一旦给定，空间坐标h就唯一确定，因此可以用二维坐标x,y确定各金属元素的平面浓度函数。根据假设（1）、（4）用插值方法模拟出各金属浓度的空间分布的一个二元连续函数图形，用MATLAB软件插值出8种主要重金属元素的浓度平面分布图形，如下图所示。

3.3 模型的求解

采用数理统计中平均值和标准差的计算方法，由上图得出了8种重金属元素在该城区内不同区域分布浓度的平均值和标准差，如表1、表2。

采用内梅罗综合污染指数法，得出8种重金属元素在城市各区域的综合污染指数来判断区域内各种重金属元素的整体污染程度，求解结果如表3所示。

由表3数据整理归纳出该城市表层土壤因重金属污染环境质量综合评价分级标准，如表4所示。

4 结论

由以上统计出来的数据，可以得出以下结论：

①除重金属元素Cr在生活区浓度最高外，其他各种重金属元素均是在工业区的浓度最高，由此可以推测出重金属污染的主要原因可能是工业排放以及生活污物排放；

②Cd、Cu、Cr、Hg、Zn 等五种重金属元素在交通区的浓度较高，由此可以推测出各种车辆尾气排放也是导致重金属元素污染的原因之一；

③各种重金属元素在山区的浓度均是最低，各种重金属元素在公园绿地区的浓度比较低；

④从每一种重金属元素的综合污染指数来看，As、Cr、Ni三种重金属元素在土壤中的污染相对来说不明显，Cd、Cu、Hg、Pb、Zn五种重金属元素在该城区的污染较为严重；

⑤各种重金属污染程度综合在一起，在工业区、交通区为重污染，生活区、公园绿地区为中度污染，山区土壤较清洁；因此，工业区、交通区应该是该城市环境治理部门重点治理的区域。