論文 城市表層土壤重金屬污染分析_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p>  城市表層土壤重金屬污染分析</p><p><b>  摘要</b></p><p>  本文就重金屬在某城市五類區(qū)域的濃度分布,利用Surfer軟件繪出了八種重金屬在該城區(qū)的分布圖,我們保持單一變量法,對(duì)每種元素在整個(gè)區(qū)域的分布情況,利用會(huì)等高線思想?yún)R出圖1至圖8。</p><p>  問(wèn)題一根據(jù)單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)(

2、和分別表示污染物的測(cè)量值和背景值)確定五個(gè)城區(qū)的金屬污染程度。并利用(表示每種污染物的相對(duì)重要性比值,為各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重)對(duì)內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行了加權(quán)平均修正,得出:</p><p>  在問(wèn)題二中,本文先進(jìn)行橫縱比較,初步得工業(yè)區(qū)Hg的污染程度最嚴(yán)重,然后建立主成分分析模型,利用模型一中的單因子指數(shù),建立矩陣,利用matlab進(jìn)行處理后,得到相關(guān)系數(shù)矩陣,計(jì)算的八個(gè)特征值分別為:6.3757,0.9437,0.4392

3、,0.2415,0,0,0,0。據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率得出三個(gè)主成分,由此確定工業(yè)區(qū)Hg、Cu,交通區(qū)As、Hg,生活區(qū)Cu為重金屬污染的主要原因。</p><p>  問(wèn)題三從三個(gè)側(cè)面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,判斷重金屬污染物的三個(gè)傳播特征:以污染源為圓心逐步向外擴(kuò)散;以工業(yè)區(qū)為主要傳播重心,隨以重金屬富集明顯的路徑進(jìn)行傳播;某些重金屬不會(huì)擴(kuò)散,其在土壤的穩(wěn)定性很強(qiáng),在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)傳播。參考地震源的位置確定采用Geiger定位方法

4、,考慮單一污染物的濃度分布情況,利用Inglada方法進(jìn)行初值的計(jì)算得(和分別為污染源、觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),分別為觀測(cè)點(diǎn)、污染源濃度)。</p><p>  利用Geiger方法迭代校正,確定Cu污染源位置在,的范圍。</p><p>  在問(wèn)題四中,我們充分考慮了模型三的靜態(tài)特征,還應(yīng)該收集土壤的固相、液相、氣相和PH值以及重金屬元素的毒理性的相關(guān)信息。此外,我們還化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)加入時(shí)間參變量,提

5、高了模型三的準(zhǔn)確度。整合以上信息,可以利用差分方程建立模型求解。</p><p>  關(guān)鍵詞:?jiǎn)我蜃又笖?shù) 內(nèi)梅羅指數(shù) 主成分分析法 Geiger定位法 Inglada方法</p><p><b>  一、問(wèn)題重述</b></p><p>  隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的不斷增加,人類活動(dòng)對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。對(duì)城市土壤地質(zhì)

6、環(huán)境異常的查證,以及如何應(yīng)用查證獲得的海量數(shù)據(jù)資料開展城市環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),研究人類活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式,日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。</p><p>  按照功能劃分,城區(qū)一般可分為生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、山區(qū)、主干道路區(qū)及公園綠地區(qū)等,分別記為1類區(qū)、2類區(qū)、……、5類區(qū),不同的區(qū)域環(huán)境受人類活動(dòng)影響的程度不同。</p><p>  現(xiàn)對(duì)某城市城區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查。為此,將所考察的城區(qū)

7、劃分為間距1公里左右的網(wǎng)格子區(qū)域,按照每平方公里1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)表層土(0~10 厘米深度)進(jìn)行取樣、編號(hào),并用GPS記錄采樣點(diǎn)的位置。應(yīng)用專門儀器測(cè)試分析,獲得了每個(gè)樣本所含的多種化學(xué)元素的濃度數(shù)據(jù)。另一方面,按照2公里的間距在那些遠(yuǎn)離人群及工業(yè)活動(dòng)的自然區(qū)取樣,將其作為該城區(qū)表層土壤中元素的背景值。</p><p>  附件1列出了采樣點(diǎn)的位置、海拔高度及其所屬功能區(qū)等信息,附件2列出了8種主要重金屬元素在采樣點(diǎn)

8、處的濃度,附件3列出了8種主要重金屬元素的背景值。</p><p>  現(xiàn)要求你們通過(guò)數(shù)學(xué)建模來(lái)完成以下任務(wù):</p><p>  (1) 給出8種主要重金屬元素在該城區(qū)的空間分布,并分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度。</p><p>  (2) 通過(guò)數(shù)據(jù)分析,說(shuō)明重金屬污染的主要原因。</p><p>  (3) 分析重金屬污染物的傳播

9、特征,由此建立模型,確定污染源的位置。</p><p>  (4) 分析所建立模型的優(yōu)缺點(diǎn),為更好地研究城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式,還應(yīng)收集什么信息?有了這些信息,如何建立模型解決問(wèn)題?</p><p><b>  二、問(wèn)題分析</b></p><p>  本問(wèn)題是關(guān)于環(huán)境生物和地址學(xué)相結(jié)合的模型問(wèn)題,附件給出了區(qū)域、采樣點(diǎn)的坐標(biāo)位置、海拔以及污染

10、物濃度一系列的數(shù)據(jù)。四個(gè)問(wèn)題從不同的側(cè)面要求我們討論污染程度、主要原因、傳播特征以及污染源的位置確定,最終是希望我們客觀全面的研究地質(zhì)環(huán)境的演變模式,從而有效地解決環(huán)境污染問(wèn)題。</p><p>  問(wèn)題一:基于附件1中采樣點(diǎn)的位置和附件2中8中重金屬元素在各個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布情況,運(yùn)用surfer軟件繪出下列8個(gè)等濃度圖??紤]重金屬在該城區(qū)的空間分布情況時(shí),我們針對(duì)每種元素對(duì)不同的5個(gè)區(qū)域進(jìn)行了繪制,在分析該城區(qū)重

11、金屬的污染程度時(shí),我們針對(duì)每類區(qū)域的8種重金屬的濃度,采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行污染程度的分析。并且在此基礎(chǔ)上,我們對(duì)內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行了修正,得出比較客觀的修正值,讓結(jié)果變得更加準(zhǔn)確。</p><p>  問(wèn)題二:首先進(jìn)行橫向比較和縱向比較,初步進(jìn)行直觀判斷,然后進(jìn)行主成分分析,得出三個(gè)主成分,和初步分析的結(jié)果基本吻合。</p><p>  問(wèn)題三:分別從不同側(cè)面進(jìn)行分析,即

12、:縱橫坐標(biāo)、海拔、區(qū)域以及重金屬污染物固有的一些特性,然后跟確定地震源的確定方法進(jìn)行比較和借鑒,我們采用了經(jīng)典的Geiger定位法,并且還運(yùn)用Inglada方法進(jìn)行初值的計(jì)算。然后再用Geiger進(jìn)行迭代校正。這樣是結(jié)果更加精準(zhǔn)。</p><p>  問(wèn)題四:這一問(wèn)屬于開放性問(wèn)題,所以在模型三的基礎(chǔ)上,我們只要加上相關(guān)的參數(shù),并且將模型三有靜態(tài)改為動(dòng)態(tài)模型,這樣我們加上時(shí)間參變量,對(duì)其進(jìn)行模型改造。利用差分方程進(jìn)

13、行有效的解決。</p><p><b>  三、模型假設(shè)</b></p><p>  1、假設(shè)每類區(qū)表層土壤中每種重金屬含量連續(xù)變化;</p><p>  2、在對(duì)采樣點(diǎn)分析時(shí),忽略土壤PH值、溫度、氣候等因素對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響;</p><p>  3、在對(duì)每類區(qū)域的污染程度進(jìn)行分析的時(shí)候,忽略考察的8種元素以外的重金屬

14、污染;</p><p>  4、忽略重金屬由于土壤特性和氧化還原等一系列的物理和化學(xué)作用,給污染程度評(píng)價(jià)帶來(lái)的誤差。</p><p>  5、由于不好判斷五類區(qū)的地理分布情況,我們就將問(wèn)題理想化,考慮每類區(qū)的8種重金屬污染程度;</p><p>  6、假設(shè)附件給出的數(shù)據(jù)對(duì)于建立模型已經(jīng)足夠充分;</p><p>  7、假設(shè)每個(gè)采樣點(diǎn)的采集

15、時(shí)間相同,重金屬的含量不會(huì)因?yàn)椴杉瘯r(shí)間的差異出現(xiàn)變化;</p><p>  8、忽略污染化合物之間的相關(guān)影響;</p><p>  9、忽略重金屬污染物之間的交叉污染;</p><p>  10、在第三問(wèn)中,我們將土壤理想化成成分均勻的介質(zhì)。</p><p><b>  四、符號(hào)說(shuō)明</b></p><

16、;p>  :土壤重金屬污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)</p><p>  :土壤重金屬污染物采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)</p><p>  :土壤重金屬污染物的實(shí)際測(cè)量值</p><p>  :土壤重金屬污染物的背景值</p><p>  :本文重金屬污染物種類總數(shù)</p><p><b> ?。壕C合環(huán)境質(zhì)量指數(shù)</b&

17、gt;</p><p><b> ?。合鄬?duì)重要性比值</b></p><p><b>  :各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重</b></p><p> ?。壕C合環(huán)境質(zhì)量指數(shù)修正值</p><p><b>  :污染源坐標(biāo)</b></p><p><b> ?。?/p>

18、污染源坐標(biāo)校正量</b></p><p><b> ?。簼舛刃U?lt;/b></p><p><b> ?。簻y(cè)定濃度的偏差</b></p><p>  五、模型的建立與求解 </p><p><b>  5.1問(wèn)題一</b></p><p>

19、  5.1.1 八種重金屬元素的空間分布</p><p>  在考慮8種重金屬在該城區(qū)的空間分布時(shí),本文抓住問(wèn)題的核心:?jiǎn)我辉卦谖孱悈^(qū)域的空間分布。這樣我們利用附件一和附件二使用matlab軟件繪出8種重金屬在整個(gè)區(qū)域的空間分布等高線(見圖1-8)。</p><p>  圖1 重金屬元素As的空間分布圖</p><p>  圖2 重金屬元素Cd的空間分布圖<

20、/p><p>  圖3 重金屬元素Cr的空間分布圖</p><p>  圖4 重金屬元素Cu的空間分布圖</p><p>  圖5 重金屬元素Hg的空間分布圖</p><p>  圖6 重金屬元素Ni的空間分布圖</p><p>  圖7 重金屬元素Pb的空間分布圖</p><p>  圖8 重金屬

21、元素Zn的空間分布圖</p><p>  5.1.2不同地區(qū)重金屬的污染程度</p><p>  在分析該城區(qū)內(nèi)不同區(qū)域重金屬的污染程度時(shí),本文使用單因子指數(shù)法和綜合因子指數(shù)法。</p><p><b>  1、評(píng)價(jià)方法</b></p><p>  首先采用單因子污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算公式為:</

22、p><p>  然后采用綜合因子指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算公式為:</p><p>  式中,為土壤污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);為土壤污染物的實(shí)際測(cè)量值;為土壤污染物的背景值;是土壤污染物采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù);為重金屬種類總數(shù)。</p><p><b>  2、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)</b></p><p>  采用國(guó)家《土壤重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》

23、(GB15618-1995)[1]進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1、2:</p><p>  表1 土壤各元素污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>  表2 土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)</p><p><b>  3、評(píng)價(jià)結(jié)果</b></p><p>  使用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理,得到如下評(píng)價(jià)結(jié)果:</p>&l

24、t;p>  表3. 不同區(qū)域重金屬的污染指數(shù)</p><p>  單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果:生活區(qū)中,Cu和Zn屬于重度污染;工業(yè)區(qū)中,Hg和Cu的污染程度及其嚴(yán)重;山區(qū)各重金屬污染程度均較低;交通區(qū)中也是Hg的污染相當(dāng)嚴(yán)重;公園綠地區(qū)各重金屬污染程度相對(duì)還好。

25、

26、 </p><p>  5.1.3修正內(nèi)梅羅指數(shù)法</p><p>  顯然,用此方法的計(jì)算結(jié)果會(huì)突出最大污染物產(chǎn)生的影響,但卻沒(méi)有考慮污染因子的危害性差異 [2] 。會(huì)引入很大的誤差,因此,將此式修改如下:</p><p>  將污染指數(shù)平均值改為加權(quán)平均,根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)環(huán)境及人體的危害性來(lái)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,具體做法如下:</p>&

27、lt;p>  首先將綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)按由小到大的順序排列為,…將最大的一個(gè)記為,令表示第種評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性比值,則為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。下面運(yùn)用Excel進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算,結(jié)果如下(表4):</p><p>  表4 修正后的綜合污染指數(shù)</p><p>  修正后得到不同城區(qū)的綜合污染程度(表5)。</p><p>  表5 不同城區(qū)綜合污染程度</p&g

28、t;<p>  綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果:工業(yè)區(qū)污染指數(shù)為8.374,屬于重度污染,其次是交通區(qū),污染指數(shù)為5.784,生活區(qū)和公園綠地區(qū)屬于中度污染,污染指數(shù)分別為2.569和2.227,山區(qū)屬于輕度污染,污染指數(shù)為1.214。</p><p><b>  5.2問(wèn)題二</b></p><p><b>  5.2.1初步分析</b>&

29、lt;/p><p>  通過(guò)問(wèn)題一中對(duì)于重金屬污染的數(shù)據(jù)表3和表5,我們分別從橫向和縱向進(jìn)行分析,找出重金屬污染的主要原因。</p><p><b>  I.橫向比較</b></p><p>  橫向比較五類綜合污染指數(shù),可以清晰地看出,工業(yè)區(qū)所占比例明顯高出其他四類區(qū)域,交通區(qū)次之,生活區(qū)和公園綠化區(qū)持平居后,山區(qū)的污染程度最輕。這說(shuō)明工業(yè)污染導(dǎo)

30、致重金屬污染的成分最重,交通區(qū)主要以排放的污染氣體為主,被污染的大氣長(zhǎng)期滯留,這樣就會(huì)污染到土壤表層。對(duì)于生活區(qū)和公園綠化區(qū),分析得知,他們的日常生活基本一致,然而公園綠化區(qū)的污染程度要比生活區(qū)稍輕一些,這根實(shí)際情況是相吻合的。下圖給出了五類區(qū)的污染指數(shù)所占比例:</p><p>  圖9 五類區(qū)域綜合污染指數(shù)所占比例</p><p>  橫向分析可以看出,工業(yè)區(qū)的綜合指數(shù)最高,這與實(shí)際規(guī)

31、律相符,說(shuō)明工業(yè)區(qū)周圍的治理污染工作還不到位,橫向主要原因?yàn)楣I(yè)污染。</p><p><b>  II.縱向比較</b></p><p>  縱向比較污染程度最嚴(yán)重的區(qū)域(工業(yè)區(qū)),分析8種重金屬的單因子指數(shù),這樣可以明顯找出導(dǎo)致污染的主要因素。</p><p>  圖10 工業(yè)區(qū)單因子污染指數(shù)</p><p>  由

32、圖10可以看出Hg的污染指數(shù)最高,工業(yè)區(qū)土壤中Hg明顯富集,這與工業(yè)區(qū)的Hg元素及含Hg的化合物滲透土壤的污染物比較多,下面我們采用主成分分析法進(jìn)行污染物的主要原因的確定。</p><p>  5.2.2主成分分析</p><p>  先利用問(wèn)題一處理的結(jié)果,建立五個(gè)區(qū)域和八種元素的五行八列的單因子矩陣</p><p>  然后利用matlab計(jì)算X的相關(guān)系數(shù)方陣R

33、</p><p>  其中為R中行列的元素,其計(jì)算公式為</p><p>  由此公式可以知道,然后計(jì)算上述方陣的特征值,令,由matlab計(jì)算結(jié)果為:</p><p>  然后進(jìn)行排序,這樣得到特征向量,得到貢獻(xiàn)率:,累計(jì)貢獻(xiàn)率:,利用matlab計(jì)算結(jié)果見下表:(表6)</p><p>  表6 特征值、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率</p&g

34、t;<p><b>  表7 特征向量</b></p><p>  取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85%—95%的特征值所對(duì)應(yīng)的第一、第二…第的主成分,那么就得到主成分有三個(gè),分別為第一主成分第二主成分第三主成分:</p><p>  由此確定污染主要原因?yàn)椋汗I(yè)區(qū)Hg、Cu,交通區(qū)As、Hg,生活區(qū)Cu,分別為重金屬污染的主要原因。</p><p&

35、gt;<b>  5.3問(wèn)題三</b></p><p>  5.3.1重金屬污染物的傳播特征</p><p>  對(duì)于重金屬污染物的空間分布,結(jié)合數(shù)據(jù)的變化情況,我們首先從幾個(gè)側(cè)面分析污染物的傳播特征,然后根據(jù)最速下降法進(jìn)行方向追蹤污染源的位置。</p><p>  我們整合了題目給的附表一和附表二的數(shù)據(jù),建立了表一(見附錄),有數(shù)據(jù)直觀分析出

36、,從平面角度:以污染物濃度較高的地理位置一圓心擴(kuò)散,從區(qū)域劃分角度:工業(yè)區(qū)交通區(qū)生活區(qū)公園綠化區(qū)山區(qū)。然而,值得注意的是,從元素的種類上分析時(shí),我們發(fā)現(xiàn),對(duì)于某些重金屬不會(huì)擴(kuò)散,也就是說(shuō),其在土壤的穩(wěn)定性很強(qiáng),在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)傳播,那么我們?cè)诖_定傳染源的時(shí)候,就進(jìn)行模糊聚類,將一些傳播明顯的元素進(jìn)行梯度分析,進(jìn)而得到最速下降最快的方向,也就得到了污染源的位置。</p><p>  5.3.2土壤重金屬污染來(lái)源介紹

37、</p><p>  土壤中重金屬元素主要有自然來(lái)源和人為干擾輸入兩種途徑。[3]在自然因素中,成土母質(zhì)和成土過(guò)程對(duì)土壤重金屬含量的影響很大。在各種人為因素中,則主要包括工業(yè)和交通等來(lái)源引起的土壤重金屬污染。以下主要就受人為作用影響的土壤重金屬污染來(lái)源進(jìn)行介紹。</p><p>  1、不同工礦企業(yè)對(duì)重金屬積累的影響</p><p>  工業(yè)過(guò)程中廣泛使用重金屬元素

38、,工礦企業(yè)將未經(jīng)嚴(yán)格處理的廢水直接排放,使得它們周圍的土壤容易富集高含量的有毒重金屬。企業(yè)排放的煙塵、廢氣中也含有重金屬,并最終通過(guò)自然沉降和雨淋沉降進(jìn)入土壤。礦業(yè)和工業(yè)固體廢棄物在堆放或處理過(guò)程中,由于日曬、雨淋、水洗等,重金屬極易移動(dòng),以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤擴(kuò)散,固體廢棄物也可以通過(guò)風(fēng)的傳播而使污染范圍擴(kuò)大。</p><p>  2、交通運(yùn)輸對(duì)土壤重金屬污染的影響</p><p>

39、  道路兩側(cè)土壤中的污染物主要來(lái)自汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵的沉降,而污染元素則主要為Pb、Cu、Zn等元素。它們一般以道路為中心成條帶狀分布,強(qiáng)度因距離公路、鐵路、城市以及交通量的大小有明顯的差異。</p><p>  5.3.3定污染源的位置</p><p>  首先,根據(jù)附件,使用MATLB軟件得到城區(qū)區(qū)域分布圖(圖11)</p>&l

40、t;p>  圖11 城區(qū)區(qū)域分布圖</p><p>  為簡(jiǎn)化模型,本文從Cu的污染分布著手,討論污染源位置確定的模型,其他元素依次代入模型即可。</p><p><b>  污染源</b></p><p>  使用INGLADA方法進(jìn)行初值計(jì)算[4]</p><p><b>  設(shè)觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為</

41、b></p><p>  由圖1—圖8初步估計(jì)污染源多于2個(gè)</p><p>  污染源到觀測(cè)點(diǎn)的距離為</p><p>  對(duì)于污染源, (1)</p><p>  對(duì)于污染源, (2)</p><p>  將(1)(2)式

42、展開后相減得到線性方程:</p><p><b> ?。?)</b></p><p><b>  其中</b></p><p>  由于土壤為均勻介質(zhì),傳播速度恒定,得等式</p><p><b>  (4)</b></p><p>  將上述表格的數(shù)據(jù)

43、每三個(gè)一組代入(3)式</p><p>  得到一系列的,從而反演得源位置。</p><p>  由附件所得320組數(shù)據(jù),每四個(gè)一組,共分成80個(gè)組,代入(4)式中,得到80組污染源位置,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后,的波動(dòng)范圍為0—2454,的波動(dòng)范圍為987—1570,從而確定平面污染源的區(qū)域范圍為。</p><p>  由題目中的采樣點(diǎn)是在間距1公里左右的網(wǎng)格子區(qū)域內(nèi),遠(yuǎn)小于和

44、,(3)中的系數(shù)矩陣會(huì)有奇異性,解發(fā)散,這樣更加體現(xiàn)此模型適宜這個(gè)問(wèn)題。</p><p>  1.2用Geiger方法對(duì)初值進(jìn)行迭代校正</p><p>  基于Geiger法的基本思想,建立空間直角坐標(biāo)系:</p><p><b>  (5)</b></p><p>  式中分別為污染源坐標(biāo)校正量,為濃度校正量,為空間

45、偏導(dǎo)數(shù),為測(cè)定濃度的偏差,可寫成矢量形式:</p><p>  ,(其中,) (6)</p><p> ?。?)式中系數(shù)矩陣為矩陣:</p><p><b>  (7)</b></p><p>  將Inglada方法計(jì)算的初值代入(5)式求解,再用求解結(jié)果校正,如此反復(fù)迭代校正,直

46、至滿足一下兩個(gè)條件。</p><p><b> ?、?,為任一小量</b></p><p> ?、诘诖蔚?,為任一小量</p><p>  (6)的求解方法有很多,比如牛頓-高斯算法[5],但對(duì)于此問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜,又比如為提高穩(wěn)定性,可采用中心化、定標(biāo)化、阻尼最小二乘法,但對(duì)于本題求解時(shí),注意到遍歷的數(shù)據(jù)比較多,矩陣較大,所以本文采用共軛梯度法求解

47、。</p><p>  為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)土壤環(huán)境的污染程度,依據(jù)國(guó)家環(huán)保局頒布的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),土壤中各元素環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)含量范圍采用表8分級(jí)值。[6]</p><p>  表8 土壤金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法)</p><p><b>  5.4問(wèn)題四</b></p><p>  5.4.1分析優(yōu)缺點(diǎn)</p&g

48、t;<p>  模型三中,我們大膽引進(jìn)地震源的位置確定,采用的Geiger定位法是目前比較準(zhǔn)確先進(jìn)的定位方法。但是計(jì)算比較復(fù)雜。</p><p><b>  5.4.2收集信息</b></p><p>  基于以上問(wèn)題的分析,除了題目給出的四個(gè)變量:樣方橫坐標(biāo),樣方縱坐標(biāo),海拔和采樣點(diǎn)的濃度值,我們將條件理想化,建立了以上三個(gè)模型,為了更好的研究城市地質(zhì)

49、環(huán)境的演變模式,還要豐富很多信息和相關(guān)專業(yè)知識(shí)。我們知道,更加全面客觀的評(píng)價(jià)某地區(qū)的土壤污染程度,還需要掌握該區(qū)域土壤特質(zhì)即土壤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu),包括土壤由固相、液相、氣相和PH值以及重金屬元素的毒理性。</p><p>  在模型二中我們采用主成分分析法對(duì)主要原因的分析,還應(yīng)該收集該區(qū)域的地形地貌,每個(gè)區(qū)域的地理分布狀況,土壤特性以及氣候影響。當(dāng)然也不能忽視每個(gè)區(qū)域日常活動(dòng)狀況,其中包括動(dòng)物植物微生物。&l

50、t;/p><p>  在確定污染源的位置時(shí),除了模型三所考慮的因素以外,重金屬元素與化合物的相關(guān)性也應(yīng)該納入模型的計(jì)算,此外還應(yīng)該考慮污染物與時(shí)間的關(guān)系,隨著時(shí)間的推移,污染源的位置將隨之變化,這樣,靜態(tài)模型就變?yōu)閯?dòng)態(tài)模型。</p><p><b>  5.4.3建立模型</b></p><p>  我們會(huì)基于上述城市信息,采用城市的地質(zhì)環(huán)境的數(shù)據(jù)

51、,運(yùn)用時(shí)間序列分析中的自回歸方法建立城市地質(zhì)綜合環(huán)境質(zhì)量演變差分趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型。</p><p>  當(dāng)預(yù)測(cè)對(duì)象隨著時(shí)間呈現(xiàn)某種水平、上升或下降的趨勢(shì),并且無(wú)明顯的季節(jié)波動(dòng),又能找到一條合適的曲線反映這種變化趨勢(shì)時(shí),就可用時(shí)間為自變量,時(shí)序數(shù)值y為因變量,建立趨勢(shì)模型:;</p><p>  正確識(shí)別并選擇趨勢(shì)模型是首要工作,基本方法有兩種:圖形識(shí)別法、差分計(jì)算[7]。在這里我們使用差分法,

52、所謂差分,是變量的微小變化,根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算差分把數(shù)據(jù)修勻,將非平穩(wěn)時(shí)間序列轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)序列,通過(guò)該平穩(wěn)序列的表現(xiàn),來(lái)發(fā)現(xiàn)該套用那個(gè)模型。</p><p><b>  假設(shè)時(shí)間序列為</b></p><p><b>  一階向后差分為:</b></p><p><b>  二階向后差分為:</b><

53、;/p><p><b>  三階向后差分為:</b></p><p><b>  多階以此類推</b></p><p>  再根據(jù)差分特性確定使用的模型。表(9)</p><p>  表9 差分特性對(duì)應(yīng)的模型</p><p>  其中,多次線性模型一般形式為:</p>

54、<p>  ,預(yù)測(cè)目標(biāo)變量,為時(shí)間,為待定系數(shù)。當(dāng)時(shí),為線性模型;,為二次拋物線模型;,為三次多項(xiàng)式趨勢(shì)模型。</p><p>  估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差SE:,其中,為時(shí)間序列的長(zhǎng)度,為限制條件,即利用最小二乘法時(shí)的所列方程數(shù),可以簡(jiǎn)單理解為直線模型為2,拋物線模型為3,三次曲線為4,最高次數(shù)加1。</p><p>  指數(shù)曲線預(yù)測(cè)模型一般形式為:</p><p&

55、gt;  ,為時(shí)間序列的初期水平,必須大于0。為時(shí)間序列的平均發(fā)展速度,可以為正,負(fù)值。</p><p>  修正指數(shù)曲線預(yù)測(cè)模型后,得,其中為時(shí)間,,一階差分的環(huán)比為常數(shù),,待定系數(shù)的求法采用“三段和值法”進(jìn)行。</p><p><b>  六、模型評(píng)價(jià)與推廣</b></p><p><b>  6.1模型的優(yōu)點(diǎn)</b>

56、</p><p>  在問(wèn)題一中,我們采用目前學(xué)術(shù)界最常用的單因子指數(shù)法可以判斷出環(huán)境中的主要污染因子,是綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的基礎(chǔ)。為了更加全面合理地進(jìn)行污染程度分析,我們采用尼梅羅綜合指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。它不僅考慮了各重金屬對(duì)土壤作用的平均水平,更重要的是突出了較高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,因此,高濃度污染物對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果具有較大影響。這樣突出了污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用,而且此方法操作簡(jiǎn)單,容易實(shí)

57、現(xiàn),給問(wèn)題分析和結(jié)論提供了很好的依據(jù)。</p><p>  模型二中我們利用主成分分析法 進(jìn)行精確計(jì)算,得出主成分。</p><p>  模型三中我們大膽引進(jìn)地震源的位置確定,采用的Geiger定位法是目前比較準(zhǔn)確先進(jìn)的定位方法。</p><p>  模型四中我們發(fā)散思維,綜合考慮了不同側(cè)面,對(duì)問(wèn)題有一個(gè)全面客觀的預(yù)測(cè)。</p><p>&l

58、t;b>  6.2模型的缺點(diǎn)</b></p><p>  單因子指數(shù)法于尼梅羅指數(shù)法只能反映污染的程度而難于反映污染的質(zhì)變特征[8]。</p><p>  模型二中的主成分分析法沿用了模型一中的結(jié)論,這樣對(duì)模型一的依賴性就增強(qiáng)了,這會(huì)對(duì)模型造成使用的局限。</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p>&

59、lt;p>  [1] 于小俸 唐嶷 胡玉,壺瓶山自然保護(hù)區(qū)土壤重金屬含量的空間分布及污染評(píng)價(jià),中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),26(11):358-361,2010。</p><p>  [2] 閆欣榮,修正的內(nèi)梅羅指數(shù)法及其在城市地下飲用水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用,地下水,32(1):6-7,2010。</p><p>  [3] 邵學(xué)新 吳 明 蔣科毅 ,土壤重金屬污染來(lái)源及其解析研究進(jìn)展,

60、http://journal.9med.net/qikan/article.php?id=296504(2011-9-10)</p><p>  [4] 牟磊育 趙仲和 張偉,用INGLADA與GEIGER方法實(shí)現(xiàn)近震精定位,中國(guó)地震,22(3):294-302,2006。</p><p>  [5] 林峰 李庶林 薛云亮 徐宏斌,基于不同初值的微震源定位方法,巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),29(5

61、):996-1002,2010。</p><p>  [6] 楊賢智,李景錕,廖延梅,環(huán)境管理學(xué),北京:高等教育出版社,1990。</p><p>  [7] 姜啟源 謝金星 葉俊,數(shù)學(xué)模型,北京:高等教育出版社,2003。</p><p>  [8] 徐燕 李淑芹 郭書海 李鳳梅 劉婉婷,土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法的比較,安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),36(11):4615-4617

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