城市表层土壤重金属污染分析

龚佃选　秦法宝　张梓婷　高　晔

（华北理工大学河北唐山063009）

城市表层土壤重金属污染分析

龚佃选秦法宝张梓婷高晔

（华北理工大学河北唐山063009）

本文通过对某城市土壤地质环境数据分析，对不同功能区进行污染程度的评估和划分，并用统计插值、主成分分析和聚类分析等方法分析出重金属污染的主要原因，并确定污染源。做出各个重金属浓度的等值线图，并用污染负荷指数法，将各区域进行比较，得出重金属对各区的影响程度，即：工业区＞交通区＞生活区＞公园绿地区＞山区。运用主成分系数矩阵，找到污染程度严重的重金属，进而得出污染程度最高点的坐标值和其所属功能区。分析得出污染主要来自工业区和交通区，且Hg和Cd的污染最为显著。再由重金属从高浓度向低浓度扩散的特点，确定了污染源的位置。

统计差值；污染负荷指数；主成分分析法；聚类分析

1　相关背景和问题提出

本文的目的在于通过对大量的数据分析，解决下列三个问题：(1)描述该城区内不同区域重金属的污染程度。(2)说明重金属污染的主要原因。(3)根据重金属污染物的传播特征，确定污染源的位置。现对某城市城区土壤地质环境进行调查，按城市功能划分为生活区、工业区、山区、主干道路区、公园绿地区等，不同功能区，受人类活动影响不同。我们主要有采样点的位置、海拔高度及其所属功能区的信息。8种主要重金属元素在采样点处的浓度，8种主要重金属元素的背景值。

在此，我们假设：(1)假设该城区土质具有一般性；(2)假设在取样背景值时所取样点足够多，认为背景值等于平均值；(3)假设采样点之间的重金属浓度是连续变化的。

2　问题分析与求解

2.1污染程度描述

为确定各个区域的污染程度和污染重金属对各区的影响程度，做出了各个重金属浓度的等值线图，运用污染负荷指数法，判断各个区域的污染程度，并将各区域进行比较，得出重金属对各区的影响程度。

2.1.1等值线图分析

从图1中可以直观的看到。以x=10000,y=6000为分界线，图中左上角，右上角，左下角，右下角。分别有一个重金属元素较为富集的地方。我们按顺时针给出编号：A,B,C,D。

这里我们将四个中心处的数目从橙黄色的一根等值线起算的数值定义为某种元素在某富集点的污染等级，而将某富集点的所有元素的污染等级之和定义为此点处的污染等级。

通过污染等级的分析确定了金属元素富集的两个地方，同时对不同金属分布范围有了比较直接的了解。从图中可以看出左下角的D点是各种重金属元素集中富集的地方，而右上角的B处是As,Cd,Zn,Hg等分布范围较广的重金属的富集之处。

通过各种重金属元素的等值线图以及PLI的等值线图与地形的等值线图和该城市的功能分区图比对，可大致排除地形因素对重金属污染物分布的影响，并确定功能分区与重金属的分布关系密切。

图1　等值线图分析

2.1.2污染负荷指数法

污染负荷指数法是将人从事重金属污染水平的分级研究中提出来的一种评价方法。该指数由评价区域所包含的多种重金属成份共同构成,它能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度,以及重金属在时间、空间上的变化趋势,应用比较方便。

表1　各功能区的PLI平均值及污染程度划

对各个功能区的PLI平均值，及污染程度划分。通过比对，发现污染程度和功能区有很强的相关关系。即：污染程度工业区＞交通去＞生活区＞公园绿地区＞山区。

2.2污染的主要原因

针对土地评价中污染物因素较多,数据信息量大的特点。运用主成分分析法，可以使土地评价中所采集的大量信息尽可能地减少损失，也可通过数学变换将原有的多个因素因子转化为少数几个相互线性无关的主要分量，从而实现简化数据结构；并根据主成分的方差贡献率客观地确定权重，避免评价指标的共线性和权重确定的人为性，使评价结果更趋客观合理。

2.3确定污染源

由上述分析可认为重金属的分布式连续的，物质的扩散从高浓度向低浓度进行。运用聚类分析方法得出各个金属的富集区域，我们假设污染源是污染重金属的富集区域并结合结论二得出的重金属污染最为严重区为工业区和交通区，进而确定污染源的位置。

2.3.1总体数据进行聚类分析

图2　聚类分析树状图

将八个元素分成三组，As和Hg单独一组，其余为一组。根据前述绘出的浓度图和计算出的浓度较高值所处的位置，大致估计所有重金属污染物的污染源位置坐标为（2300,3000）。

2.3.2坐标范围X＞10000,Y＞5000的数据进行聚类

将八个元素分为两组，As.Cr.Ni比较特殊，分为一组，根据已做出的图像和数据分析，可以得到污染源的位置坐标（15000,9000）。

3　改进方向

本文研究了某时间的重金属污染情况，并提出了分析和确定污染源位置的方法。但没有考虑到不同时期，不同的土层中各种重金属的含量是不同的。需要收集土壤深度和重金属浓度的数据，建立动态的模型，由此更直接的确定污染与工业发展的联系，并且能对今后的污染情况作出预测。

[1]孙硕.城市表层土壤重金属污染物的扩散分析.时代金融, 2012,475:307-308.

[2]冯长春.城镇土地评价中国主成分分析法的应用.中国国土资源经济,05:27-31,2007.

[3]祈轶宏.基于GIS的铜陵地区土壤重金属元素的空间分布.合肥工业大学,2006.

受中国自然科学基金（No.?61170317,?11301120）和河北省自然科学基金（A2013209295，A2015209189）及河北省青年拔尖人才项目支持资助。本文基于2011年高教社杯全国大学生数学建模竞赛A题。