基于模糊综合评价的土壤重金属污染程度分析毕业论文.pdf
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1、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。本文利用2011年全国大学生数学建模竞赛A题 所给数据,借助MATLAB软件绘制了采样点的位置分布图。通过MAP GI S软 件的空间分析功能分别绘制了各重金属的空间分布等值线和表面图。通过 对污染指数、变异系数等的计算,对研究区的重金属污染进行了定量的分 析;建立因子分析模型研究了采样区的重金属污染的主要原因。在以上分 析的基础上,为对该城区不同区域的重金属污染程度进行综合评价,将污 染等级分为清洁、尚清洁、轻污染、中污染以及重污染五级,利用熠值法 确定了八种污染物的权重,然后利用模糊综合评价法对不同区
2、域的的重金 属污染程度进行了评价,通过实证分析表明该方法是合理、可行的。最后,针对以上的分析结果,提出了应对城市土壤重金属污染的对策。关键词:城市土壤;重金属污染;数学软件;因子分析;模糊综合评价Abstrac t:Ac c ording to the development of ec onomy and the c ities inc reased,human ac tivities have a noteworthy influenc e in the environment of urban.Based on the dates of heavy metal elements in s
3、oils from CUMCM 2011.The distribution map of the loc ation of sampling points was drawn with MATLAB;the spatial distribution of the c ontour and surfac e maps of various heavy metals were drawn with the spac e analysis func tions of MAP GI S software.By the c alc ulation of the pollution index,c oef
4、fic ient of variation and so on,the 目录1绪论.31.1 研究背景.31.2 研究意义.41.3 国内外研究现状.61.4 本文解决的主要问题.92研究区土壤重金属污染概况.102.1 研究分区与采样点的收集.102.2 采样区重金属元素空间分布.122.3 采样区重金属污染定量分析.182.4 采样区重金属污染传播特征分析.23fac toranalysis;fuzzyc omprehensiveevaluationKeywords:urbansoils;heavymetalpollution;mathematic alsoftware;rational.
5、urbansoil.Theresultsshowthatthemethodmoresc ientificandisusedtoevaluatethec harac teristic sofheavymetalpollutionintheaboveanalysis,themethodofentropyweighingfuzzymathematic sforheavymetalc ontaminationofthesamplingarea.Onthebasisofthefac toranalysismodelwasestablishedtostudythemainreasonstudied;And
6、thenquantitativeanalysisofheavymetalpollutionoftheareawas.2附录.53参考文献.51谢辞.494控制城市土壤重金属污染的对策.473.4总结.473.3实证分析.413.2模糊综合评价法的步骤.393.1模糊综合评价法的概述.383土壤重金属污染程度的模糊综合评价.382.5采样区重金属污染主要原因分析.25.1绪论1.1 研究背景人类工业文明的发展促进了社会经济得以迅速发展,但工业的发展、城市的扩张、人口的增长已使环境质量日趋恶化,并对农业生产、工业布 局、城市发展、食品安全等带来了一系列问题。土壤作为沉积物的一种存 在形式,是人类生
7、产活动和生存的基础物质资源,是不可再生的资源。土 壤的污染己成为制约区域社会、经济与环境协调发展的瓶颈问题,其中土 壤重金属的污染累积性、生理毒害性、治理难度高、周期性长等问题更为 突出。土壤污染已经成为现代环境污染不可或缺的组成部分。人类在生产 活动中,从自然界取得资源与能量,经过加工、调配、消费最终再以“三 废”的形式直接向土壤或者通过水、大气和生物向土壤中排放和转化。当 输入的污染物质数量超过土壤的容量和自净能力时,必然引起土壤恶化,发生土壤污染。而污染了的土壤又向环境输出污染物质,便引起大气、水 体、生物的进一步污染,从而使环境状况发生变化,环境质量下降,造成 环境污染。由于土壤的组成
8、成分、结构、功能、特性以及土壤在环境生态 系统中的特殊地位和作用,使得土壤污染及不同于大气污染,也不同于水 体污染,而且比他们要复杂的多。土壤是植物,特别是作物的生活环境,作为人类主要食物来源的粮食、蔬菜、家畜、家禽等农副产品,都直接或 间接来自土壤。污染物在土壤中的富集必然引起食物污染进而危害人体健 3.1.2 研究意义重金属污染是人类活动将重金属及其化合物施加到环境中,使环境中 的重金属含量超过一定的标准,导致生态环境日益恶化,最终危及生物生 存和人类健康的现象。重金属对生物具有显著的毒害效应,重金属的浓度 增加可通过减慢光合作用速度,引起禾苗缺水,或由于抑制了有机养分的 矿化而使土壤中氮
9、和磷的供应降低等方式对植物的生长产生抑制作用,重 金属污染对人体和动物的危害有很大的隐蔽性,它可以通过直接的体表接 触,也可以通过生物吸收后以食物链方式进入人体,最终在人体内积累。重金属含量达到一定的量就会对人体造成危害,而且其引起的疾病很难被 4加关注。这些都使污染土壤修复工作迫在眉睫。绿色食品、有机食品、无污染食品的需求愈来愈多,对居住环境问题亦更土壤修复提出更加明确的要求及任务。随着我国居民生活质量的提高,对境的重大威胁。2007年,国务院印发了国家环境保护“十一五”规划,对特别是经济发达地区的重金属污染土壤的问题尤其严重,日益成为当地环大;其中,重金属超标被普遍认为是造成我国土壤污染的
10、主要原因之一,并存、无机有机复合污染的局面;土壤污染途径多,原因复杂,控制难度准体系也未形成;与此同时,我国土壤污染的类型多样,呈现新老污染物导致防治措施缺乏针对性;防治土壤污染的法律还存在空白,土壤环境标点。我国由于土壤污染防治基础薄弱,土壤污染的面积、分布和程度不清,康。土壤污染已成为环境保护研究的核心,污染防治的措施成为研究的重.5一定时间的迁移,对厂区周围的土壤环境也产生了一定的影响。城市土壤的土地受到了严重污染,尤以重金属土壤污染为主。土地中的重金属经过的铅污染。城市建设初期建立的化学、工业企业经过多年发展,企业厂区数开放历史较短、客流量小且相对偏僻的公园而言,表土一般都未见明显史悠
11、久,客流量大且距离市中心较近的公园土壤铅含量明显偏高;对大多程度上影响重金属污染状况。对北京城市公园土壤的铅污染研究发现,历状况、人类活动强度、污染累计时间的长短和距离污染源的远近,在不同人类活动是影响城市土壤污染程度的一个重要因素。不同的土地利用累积,造成植被受害,甚至寸草不生,并会间接引起人畜慢性中毒。硝酸盐和有机氯农药等的污水往往在土壤、植被以至地下水中形成残留和乙醛等有机物的污水极易引起急性中毒;含有无机物如重金属、氟化物、污水所含成分复杂,污水性质不同,对土壤危害程度也不同,如含有三氯为严重,在我国工业化进程较快的城市,土壤的铅含量都非常高。另外,标排污等,使重金属大量沉积于土壤中,
12、其中以铅、锌等金属元素污染最污,使城市土壤化学性质发生重要变化。烟尘、汽车尾气的排放、工业超一系列有关城市土壤污染的研究。城市工业化的发展及与之相伴的工业排1988年成立了城市土壤工作组;美国在上世纪90年代对纽约等城市开始了境质量日益恶化。世界各国对此问题开始予以高度重视,德国土壤学会在质量和人类健康。然而,随着工业的发展和城市化进程加快,城市土壤环城市土壤承载着一定的生态、环境和经济功能,关系到城市生态环境大威胁5,6J检查出来,但是一旦被发现就很难或无法治愈,给人类的生存健康构成巨.1.3 国内外研究现状在我国城市化进程不断加快的形势下,各种各样人类活动引起的城市土 壤重金属积累问题受到
13、关注,我国城市土壤研究在20世纪90年代开始有 零星工作,开展了一些关于郊区土壤重金属污染的初步研究,研究城市土 壤重金属的主要工作在2000年后,现在已有20多个城市进行了土壤重金 属污染状况的调查研究,香港和南京的相关工作取得了一些有意义的结果,2006年国家环保局主持开始全国土壤污染状况调查工作。总体而言,这方 面的研究正处于上升期,今后将更为人们所关注,研究也会更加深化。关 6含量分布、化学形态,进行适当合理的评价具有重要的意义。生态学学者们研究关注的焦点。因此,研究城市土壤的重金属污染的源、响。城市土壤重金属的背景值测定,评价标准以及风险预测,是当前城市生变化,同时对植物的生长发育,
14、体貌特征,生命周期等许多因素产生影至生命划。土壤中的重金属污染不仅会导致植物体内的重金属元素含量产的积累,并通过大气、水体或食物链而直接或间接地威胁着人类的健康甚样的人类活动,将大量的重金属带人城市土壤中,造成这些元素在土壤中断加快,城市生态环境质量日益受到广泛关注叼。在城市环境中,各种各增长的人口对食物和纤维的需要,无暇顾及城市土壤。由于城市化进程不长期以来,土壤研究主要集中在农地和林地土壤上,以确保满足世界不断应者,是城市污染物的汇和源,它关系到城市生态环境质量和人类健康。是城市生态系统的重要组成成分,是城市园林植物生长的介质和养分的供.i i i式中,p为污染物的污染指数;X爪为i污染物
15、的实测值;S为1污染物 i i i的评价标准。尼梅罗综合污染指数的计算公式:P+P 2)/2上综合 L 平均 最大 式中,乙为监测点(评价区)的综合污染指数;P为监测点所有污染 综合 最大物单项污染指数中的最大值;P为监测点所有污染物单项污染指数的平均 平均值。(2)地质累积指数评价地质累积指数(Geoac c umulation index,I geo)是 Muller 于 1969 年提 出定量评价重金属元素污染的参数,是20世纪60年代晚期在欧洲发展起7单项重金属污染指数计算公式:P=x/s综合污染评价,最后评价显示为污染级别。的总体质量。利用该指数评价土壤环境质量分为单因子污染指数评价
16、和作用,能给较严重的单项污染物以较大的权值,能较全面地反映土壤环境时兼顾了单因子污染指数平均值和最高值,可以突出污染较重的污染物的尼梅罗(N emerow)指数评价方法(综合污染指数法)。尼梅罗指数评价同(1)尼梅罗指数评价估。标准与评价项目直接的数学关系,来对土壤的重金属污染状况进行分级评家土壤环境质量标准(GB156181995)中的二级标准值和背景值,建立方法。每种方法的核心思想都是利用一定的标准,通常采用的标准是国主要有尼梅罗指数、地质累积指数、污染负荷指数、潜在生态污染指数等于土壤重金属污染的评价问题,出现了各种各样的环境评价技术方法3,.8r单个重金属的潜在生态危害指数简称屈,其计
17、算公式为:nC表示计算所用的参比值。的实测值;f表式中,c表示某一重金属的污染指数;O表示表层沉积物重金属浓度nfCiCi正Cif单个重金属的污染指数简称C,其计算公式为:的敏感性,对重金属敏感性大的水体R/相对较高。属金属的毒性水平,毒性大的重金属在计算处时所占的比重大;水体对重金重受以下几个因素的影响:表层沉积物中重金属的浓度;重金属的种类;大小及生态危害的方法,即潜在生态危害指数法。潜在生态危害指数(口)值的污染瑞典学者Hakanson于1980年建立了一套应用沉积学原理评价重金属(3)潜在生态污染指数(.)法量分数的自然波动,一般将系数K设定为1.5。nn式中,分别为样品中元素质量分数
18、和该元素的背景值,为消除元素质geo2LnI=logC1(KxB)1中得到了比较广泛的应用口31来的广泛研究沉积物中重金属污染程度的定量指标,在目前地球化学评价.Cii=l i=l n以上评价方法在重金属污染问题中均得到了广泛的应用,但在某些区 域因为评价方法的不一致,存在着污染程度或污染级别的差异性,各自评 价方法都是基于数学模型的结果而对污染程度进行定级,其评价方法与评 价结果各有优劣。1.4 本文解决的主要问题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。本文利用获得的海量数据资料开展城市环境质量 评价,归纳起来,本文的主要研究内容如下:(1)利用M
19、ATLAB软件的绘图功能给出采样点在研究区的位置分布图;(2)利用MAP GI S软件给出研究区重金属污染的空间分布图,分析研 究区土壤重金属的空间分布;(3)分析研究区土壤重金属污染的分布特征和空间变异;(4)通过数据分析,说明重金属污染的主要原因;(5)在研究分析以往评价方法的优缺点的基础上,建立模糊综合评价 模型对研究区土壤重金属污染程度进行综合评价;9RI=Ei,WRI=ZTiJ沉积物中多种重金属潜在生态危害指数简称知,其计算公式为:f式中,人为毒性系数;O某一重金属的污染指数。rrfEi=TiC.2研究区土壤重金属污染概况2.1 研究分区与采样点的收集在研究城市土壤重金属的空间分布时
20、,我们根据国家的标准按照功能 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。现对城区土壤地质环境进行调查Ml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(010厘米深度)进行取样、编号,并用GP S记录采样点的位置(图1、10(6)针对以上的分析结果,给出控制城市土壤重金属污染的对策。.图1采样点位置分布图图2采样点位置对应的等高线分布图表1研究区主要重金属元素的背景值元素 平均值标准偏 范围差it区取样,其作为该城区表层土壤中元素的背景值(表1)。度
21、数据14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图2)。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.2.2 采样区重金属元素空间分布为了更加清晰的描绘8种重金属的空间分布,我们应该采用表面绘图和 等值线绘图,从各个角度来表述重金属的分布情况,能更直观的看出其分 布特点。地理信息系统在地球化学领域的应用已经日趋广泛,在制作地球化学异 常图方面已经日渐成熟。地球化学图的制作正是运用了 GI S强大的空间分 析功能,制作地球化学异常图就是运用在MAP GI S的空间分析功能。对于元 素地球化学异常图的制作方法如下:首先,将数据进行整理,整理成为GI S软件的坐标数据,
22、即X,Y。将 测试出来的样品的目标元素含量作为Z值,并将X,Y,Z值之间的空格用 逗号替换,此时应该注意将光标移至文本的最后,以保证成图的准确性。把整理好的带有X,Y,Z值的文本文件输入导入到MAP GI S中,过程是12Zn(Mg/g)69144197P b(Mg/g)3161943N i(Mg/g)12.33.84.719.9Hg(ng/g)3581951Cu(Mg/g)13.23.66.(T20.4Cr(Mg/g)3191349Cd(ng/g)130307 0190As(Mg/g)3.60.91.85.4.13采用以上方法制作的8种主要重金属元素的空间分布如图3-10所示。围修改为“原始
23、坐标范围”。致,不能套合上,因为生成的等值线图的坐标是系统默认的,所以要将范原始数据范围的话,那么就会使生成的等值线图的坐标与边界的坐标不一据中的坐标,这里强调的是要选择原始数据范围的原因在于如果没有选择网格化”,并且使用的范围是“原始数据范围”,即就是按照原来的文本数需要说明的一点是在做等值线时用的网格化方法是“K ring泛克立格法才是关于元素含量的图。程”数据的选择是点属性数据中的元素含量,只有这样做出来的等值线图面的DTM分析做等值线图,需要注意的是在做等值线图的时候,里面的“高生成点图元的目的是用于做等值线图,再在MAP GI S的空间分析模块下保留的小数与刚才文本数据本身的位数相同
24、,即两位。分隔符,这里指定的分隔符是逗号,属性名称所在的行是X,Y,Z,字段所3)选择数据的读取方式按照行读取,从X-Y的顺序,与此同时要指定进行投影变换。件在这里打开,并且按照要求选择“用户投影参数”和“目的投影参数”2)选用主菜单“投影变换一用户文件投影变换”,将整理好的文本文1)打开整理好的文本文件,检查是否数据准确,确保无误。如下:.27-26-25-24:23-22-21 L20_ 19 L 18 _ 17 _ 16 _ 15 _ 14 _ 13 _ 12_ 11 _ 10 _9-8 _ 7-6-5 _4 _ 315001G10001102 0 5000 10000(“)5000 2
25、0000 25000图3 As的空间分布(g/g)_1350 _1300 _1250 _1200_1150 _1100 _1050 _1000 _950_900 _850 _800,750 _700,650 _600 _550 _500450 _400 _350 _300250 _200.150.10050图4 Cd的空间分布(ng/g)14.浓度y500(1000)1500)20000 25000750700650600550500450400350300250200150100500图5 Cr的空间分布(p g/g)1900 18001700 16001500 14001300 12001
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