数学建模城市表层土壤重金属污染分析[学习].pdf

A 题 城市表层土壤重金属污染分析 摘要 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。通过对城市土壤重金属的调查，应用数学方法对数据进行 处理。得到城市环境质量的演变，已是人们日益关注的焦点。 对于问题一，用附件一中给出的数据，用 matlab 插值法建立三维模型，总 共有 9 个图，一个是取样地点的地形图，另外八个是八种重金属元素的浓度分 布图，通过模型图我们可以清楚的看到各种元素不同的空间分布。然后通过均 值法，算出不同区域内各种重金属元素的污染程度。 对于问题二，通过对问题一结论的分析得出，生活区和工业区是污染比较 厉害的地区。目前我国由于在重金属的开采、冶炼、加工过程中，造成不少重 金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤引起严重的环境污染。人类生活 中各种用品都含有不同量的重金属元素，比如说废旧电池，含有较多的汞、铬、 锰、铅、镍、锌等重金属。它们通过自然和生物降解，随着雨水进入到土壤和 河流当中。 对于问题三，根据前两问的结论分析重金属的传播特征，主要有从高海拔 到低海拔，从高浓度区向低浓度区扩散。我们建立扩散模型，求出函数的极值， 从而确定污染源的位置。 对于问题四，我们仔细分析了模型的优缺点。为更好地研究城市地质环境 的演变模式，还应收集该地区的每年生活、工业等重要污染源的垃圾排放量， 以及每年的生物降解量，降雨量对重金属元素扩散的影响，空气污染也应该考 虑进去。有了这些数据以后建立因子分析法，回归分析，曲线拟合等模型解决 问题。 关键词：插值法、均值法、扩散模型、因子分析、回归分析。 一、问题重述与分析 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 1 / 28 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，日益成为人们关注的焦点。 按照功能划分，城区一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公 园绿地区等，分别记为 1 类区、2 类区、……、5 类区，不同的区域环境受人类 活动影响的程度不同。 现对某城市城区土壤地质环境进行调查。为此，将所考察的城区划分为间 距 1 公里左右的网格子区域，按照每平方公里 1 个采样点对表层土（0~10 厘米 深度）进行取样、编号，并用 GPS 记录采样点的位置。应用专门仪器测试分析， 获得了每个样本所含的多种化学元素的浓度数据。另一方面，按照 2 公里的间 距在那些远离人群及工业活动的自然区取样，将其作为该城区表层土壤中元素 的背景值。 附件 1 列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息，附件 2 列 出了 8 种主要重金属元素在采样点处的浓度，附件 3 列出了 8 种主要重金属元 素的背景值。 现在通过数学建模来完成以下任务： (1) 给出 8 种主要重金属元素在该城区的空间分布，并分析该城区内不同 区域重金属的污染程度。 (2) 通过数据分析，说明重金属污染的主要原因。 (3) 分析重金属污染物的传播特征，由此建立模型，确定污染源的位置。 (4) 分析你所建立模型的优缺点，为更好地研究城市地质环境的演变模式， 还应收集什么信息？有了这些信息，如何建立模型解决问题？ 二、模型假设 一、污染源的重金属浓度不在增加。 二、取样点的数据较好的反映了该地区的污染物浓度。 三、符号约定 四、模型的建立与求解 2 / 28 问题一： 3 / 28 4 / 28 5 / 28 6 / 28 1、生活区