城市表层土壤重金属污染分析摘要:城市表层土壤重金属污染分析是研究人类活动对城市环境质量影响的重要环节。

本文对某城区表层土壤八种主要重金属污染进行分析。

基于统计方法运用surfer绘图软件和spss分析软件分别对数据进行处理，得到八种重金属元素在该地区的空间分布情况，运用地质累积指数法，结合空间分布图，分析出工业区和交通区的重金属为强度污染，生活区和公园绿地区为中度污染，山区无污染；基于比较分析法确定重金属污染的主要原因是工业生产、汽车尾气排放、汽车轮胎磨损及人类生产生活所产生的大量各种重金属直接扩散到周围环境中；运用因子分析法，建立数学模型，利用变量之间存在的相关性，用少数几个因子来描述重金属污染物许多指标或因素之间的联系，实现以较少几个因子来反映传播特征规律，确定重金属的污染源；最后对所建模型的优缺点进行客观评价，并运用指数平滑法优化城市地质环境演变模式的研究方案。

关键词:重金属污染地质累积指数污染源因子分析法指数平滑法一、问题重述1.1基本信息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（附件1）。

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（附件2）。

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3）。

1.2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1.假设各采样点严格属于某一类区；2.假设附件中所给的数据真实可靠且具有一般性；3.假设背景值采样点没有受到任何人为因素的影响，完全属于自然区；4.假设在采样前该城区没有发生重金属泄漏事故；5.不考虑除人类活动以外的因素对该城市重金属污染的影响。

三、符号说明符号说明Cs样品元素S的浓度Bs样品S对应的背景值K 系数N 样本个数P 每个样本含有的变量个数lij原变量在各主成分上的载荷X 1-X8As等8种元素Z 1--Z5主要因子变量四、名词解释背景值：通常以一个国家或一个地区的土壤中某元素的平均含量作为背景值，以便与污染区土壤中同一元素的平均含量进行对比，超过背景值即属土壤污染。

地质累积指数（lgeo）：通常称为Muller指数，不仅考虑了自然地质过程造成的背景值的影响，而且也充分注意了人为活动对重金属污染的影响。

该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为因素影响的重要参数。

因子分析（Factor analysis）：指用少数几个因子来描述许多指标或因素之间的联系，以较少几个因子来反映原资料大部分信息的统计学分析方法。

指数平滑法：指在移动平均法基础上发展起来的一种时间序列分析预测法。

它是通过计算指数平滑值，配合一定的时间序列预测模型对现象的未来进行预测。

其原理是任一期的指数平滑值都是本期实际观察值与前一期指数平滑值的加权平均。

五、问题分析问题一，对题目及所给的数据进行分析，运用专业的地理信息绘图软件surfer 直接导入数据绘制出8种重金属元素的空间分布图。

再结合地质累积指数法，分析该城区内不同区域重金属的污染程度。

问题二，应先分离各区域的数据，得到不同区域的8种重金属元素的含量，并利用分析法比较同一元素在不同功能区的地质累积指数，来得出每种重金属污染的主要原因。

问题三，影响重金属污染物传播的因素很多，其相应的处理方法也很多，在不同条件下很难用单一的理论确定其污染源的位置，而因子分析能够用少数几个因子去描述许多变量之间的关系。

因此采用因子分析法建立模型，确定污染源的位置。

问题四，结合所建立的数学模型，分析其优缺点；增加相应的变量参数，建立新的模型，使新模型能更好地适应城市地质环境演变模式的研究。

六、模型建立及求解6.1问题一的求解6.1.1金属元素空间分布图运用surfer软件直接通过数据导入生成8种主要重金属元素在该地区的空间分布图。

功能区重金属元素采样点分布图和重金属元素空间分布图采用surfer绘制。

功能区重金属元素采样点分布图见图1。

8种重金属元素空间分布图见图2-图9（图3-图9见附录）[1]。

从图中可以看出：相比较其他7种元素，As的分布没有出现明显的富集，Cu、Zn、Hg含量在工业区与交通区土壤中明显高于其他区域，Cd、Pb、Ni主要富集在工业地区，Cr主要富集在生活区跟交通区。

图1功能区重金属元素采样点分布图图2 As 元素空间分布图6.1.2土壤重金属污染程度评价 6.1.2.1评价方法考虑到人为活动对重金属污染的影响，我们采用地质累积指数（lgeo ）来评价重金属污染程度。

地质累积指数（lgeo ）通常称为Muller 指数，不仅考虑了自然地质过程对背景值造成的影响，而且也充分注意了人为活动对重金属污染的影响，因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为因素影响的重要参数。

Muller 指数法表达式为：2lg log [/()]s s eo C K B =⨯（1）式中Cs 是样品元素S 的浓度；Bs 是样品S 对应的背景值；K 为样本差异可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取值为1.5，这里取1.5)，用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响[2]。

6.1.2.2评价和分级标准Muller 地质累积指数分级标准见表1，城市不同功能区表层土壤重金属平均浓度见表2，土壤元素背景值见表3。

表1 Muller 地质累积指数分级标准地质累积指数lego 分级 污染程度5<lego ≤10 6 极严重污染 4<lego ≤5 5 强—极严重污染 3<lego ≤4 4 强污染 2<lego ≤3 3 中等—强污染 1<lego ≤2 2 中等污染 0<lego ≤1 1 轻度—中等污染 lego ≤0 0 无污染表2 城市不同功能区表层土壤重金属平均浓度功能区 As (μg/g) Cd (ng/g) Cr (μg/g) Cu (μg/g) Hg (ng/g) Ni (μg/g) Pb (μg/g) Zn(μg/g)生活区 6.27 289.96 69.02 49.40 93.04 18.34 69.11 237.01 工业区 7.25 393.11 53.41 127.54 642.36 19.81 93.04 277.93 山区4.04152.32 38.96 17.3240.9615.4536.5673.29交通区 5.71 360.01 58.05 62.21 446.82 17.62 63.53 242.85 公园绿地区 6.26280.54 43.6430.19 114.99 15.2960.71 154.24表3 土壤元素背景值8种主要重金属元素的背景值元素平均值标准偏差范围As (μg/g) 3.6 0.9 1.8~5.4Cd (ng/g) 130 30 70~190Cr (μg/g)31 9 13~49Cu (μg/g)13.2 3.6 6.0~20.4Hg (ng/g) 35 8 19~51Ni (μg/g)12.3 3.8 4.7~19.9Pb (μg/g)31 6 19~43Zn (μg/g)69 14 41~976.1.2.3评价结果将不同功能区表层土壤重金属平均浓度值及土壤元素背景平均值代入Mul1er地质累积指数计算公式，得到如下结果，详见表4。

表4城市不同功能区表层土壤重金属Mul1er指数评价功能区生活区工业区山区交通区公园绿地As lgeo 0.22 0.43 -0.42 0.08 0.21 分级 1 1 0 1 1 Cd lgeo 0.57 1.01 -0.36 0.88 0.52 分级 1 2 0 1 1 Cr lgeo 0.57 0.20 -0.26 0.32 -0.09 分级 1 1 0 1 0 Cu lgeo 1.32 2.69 -0.19 1.65 0.61 分级 2 3 0 2 1 Hg lgeo 0.83 3.61 -0.36 3.09 1.13 分级 1 4 0 4 2 Ni lgeo -0.01 0.10 -0.26 -0.07 -0.27 分级0 1 0 0 0 Pb lgeo 0.57 1.00 -0.35 0.45 0.38 分级 1 1 0 1 1 Zn lgeo 1.20 1.43 -0.50 1.23 0.58 分级 2 2 0 2 1分析该城区内不同区域重金属的污染程度。

由上述数据表格可知：生活区内Ni元素属于“无污染”，As、Cd、Cr、Hg、Pb元素属于“轻度-中等污染”，Cu、Zn元素属于“中等污染”。

工业区内As、Cr、Ni、Pb元素属于“轻度-中等污染”，Cd、Zn元素属于“中等污染”， Cu元素属于“中等-强污染”，Hg元素属于“强污染”。

山区内8种元素均属于“无污染”。

交通区内Ni元素属于“无污染”，As、Cd、Cr、Pb元素属于“轻度-中等污染”，Cu、Zn元素属于“中等污染”，Hg元素属于“强污染”。

公园绿地区内Cr、Ni元素属于“无污染”，As、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn元素属于“轻度-中等污染”6.2分析重金属污染的主要原因As在五个功能区地质累积指数lego：工业区（0.43）＞生活区（0.22）＞公园绿地区（0.21）＞交通区（0.08）＞山区（-0.42）。

As污染主要来源于工业区以及人类活动密集的生活区、公园绿地区。

工业废物、人类生活的垃圾等是As污染的主要原因。

Cd在五个功能区地质累积指数lego：工业区（1.01）＞交通区（0.88）＞生活区（0.57）＞公园绿地区（0.52）＞山区（-0.36）。

Cd污染主要来源于工业区和交通区。

工业废物、汽车尾气等是Cd污染的主要原因。