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城市表层土壤重金属污染分析 摘 要 问题一：重金属元素在该城区的空间分布，通过surfer软件,用kriging插值法对已知点进行插值,做出各种重金属元素的空间分布图,(z坐标为重金属的浓度),我们用Hakanson的潜在生态危害指数来衡量该城区内不同区域重金属的污染程度(其中,Ti为重金属的毒性系数,Ci,Cni分别为重金属的测量浓度和背景值)。生活区,工业区,山区,主干道,公园绿地的污染程度分别为：生活区属于中度污染，工业区属于严重污染，山区属于低度污染，主干道路区属于严重污染，公园绿地区属于中度污染。 问题二：我们通过分析每个区域内的不同重金属污染的相关性情况,找出他们是否来源于同一污染源。并分析各个区域重金属污染的不同程度，结合区域的特点,查找相关资料,确定每个区域内的重金属污染的主要原因。 问题三：由菲克定律和质量守恒定律推导出重金属污染物的传播方程，其中分别为重金属污染物的分布方程和污染源的分布方程。因为重金属污染物的分布为动态平衡，所以重金属污染物的分布满足，由此可以推导出的通解。对于各向同性的情况，建立的模型一，对于各向异性的情形，可以建立的模型二，然后利用最小二乘法与实际采样点的重金属污染物浓度相比较，从而解出式中变量，这样污染源的位置和浓度就可以求出。 问题四：本题中所给的重金属污染物的浓度分布是在长时间以后重金属污染物的浓度达到动态平衡时的数据，或是某点平均的重金属污染物的浓度。其给出的数据是不随时间变化的，为了研究城市地质环境的演变模式，必须得到随时间变化的重金属污染物的浓度分布。 关键词：重金属污染 扩散模型 最小二乘法 Kriging插值 问题重述 背景资料与条件 A题 城市表层土壤重金属污染分析 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。 需要解决的问题 (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？ 问题分析 问题的重要性分析（社会背景） 随着工业发展和城市化进程的加剧，通过交通运输、工业排放、市政建设和大气沉降等造成城市土壤重金属的污染越来越严重。由于重金属具有生物富集性，并能通过生物链转移，直接或间接地威胁和危害人体健康，开展工业区周边土壤重金属污染的调查和监测，对于保护人类健康和促进经济的可持续发展都具有十分重要的意义。随着城市经济的快速发展和土地利用形式的多样化，逐渐形成了不同城市功能区，这些功能区在人居环境质量、城市生态功能等方面有着重要的作用。 有关方面在这个问题上做过的研究 传统的土壤重金属污染分析方法——克里格方法，通过满足未采样点局部方差最小而获得土壤污染状况预测结果，算法本身会给估值结果带来光滑作用，并只能提供未采样点的局部不确定性。经过克里格插值得到的重金属空间分布结果不能够反映研究区域的真实状况，特别是当研究者的目标是发现研究区域的全局分布态势或进行热点探测时。因为克里格算法本身具有一定的平滑作用：即将极大值估计偏小，极小值估计偏大，因此插值后的结果趋于平缓。但在某些问题的解决中，人们需要的恰恰是被克里格方法平滑掉的极值，例如在污染分析中，研究者主要是通过污染金属所表现的极值来发现污染源。此外，克里格方法只能为未采样点提供唯一的“最优”估计值，且仅仅能够提供该点估值的局部不确定性。孙英君等人利用空间统计学的模拟方法，对土壤重金属污染状况进行研究，通过获取多幅模拟结果之间的差异来揭示研究区域土壤重金属污染的整体空间分布形