基于自适应矩阵分片影响模型的城市重金属污染评估.pdf

2 0 1 3 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 8 ．0 1 8 基于自适应矩阵分片影响模型 的城市重金属污染评估 蒲济林1 ，毛惠中2 ，陈曦2 ，徐明2 ，毛进勤1 1 ．甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃金昌7 3 7 1 0 0 ；2 ．西安交通大学数学与统计学院，西安7 1 0 0 4 9 摘要建立了自适应矩阵分片影响模型，并利用模型对污染物进行分析，进而评估城市环境生态风险。结 果表明，某城市环境生态风险的危害程度从重到轻依次是工业区、主干道区、生活区、公园绿地区、山区。 关键词自适应矩阵分片影响模型；重金属；污染；生态风险 中图分类号X 5 0 8 文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 8 0 0 5 9 0 5 E v a l u a t i o n o fU r b a n eH e a v yM e t a lP o l l u t i o nB a s e do nS e l f - a d a p t i o n M a t r i xS u b d i v i s i O nM o d e l P UJ i l i n l ，M A OH u i z h o n 9 2 ，C H E NX i 2 ，X UM i n 9 2 ，M A OJ i n q i n l 1 ．G a n s uV o c a t i o n a l8 LT e c h n i c a lC o l l e g eo fN o n f e r r o u sM e t a l l u r g y ，J i n c h a n g7 3 7 1 0 0 ，G a n s u ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fM a t h e m a t i c sa n dS t a t i s t i c s ，X i ’a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，X i 7 a n7 1 0 0 4 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h es e l f - a d a p t i o nm a t r i xs u b d i v i s i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e da n da p p l i e dt oa n a l y z ep o l l u t a n ta n d e v a l u a t ee c o l o g i c a lr i s ko fu r b a n ee n v i r o n m e n t ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er i s ks e q u e n c e di ns e r i o u s n e s si s i n d u s t r i a la r e a s ，m a i ns t r e e t s ，l i v i n gq u a r t e r s ，p a r k sa n dm o u n t a i n o u sa r e a ． K e yw o r d s m o d e lo fs e l f - a d a p t i o nm a t r i xs u b d i v i s i o n ；h e a v ym e t a l ；p o l l u t i o n ；e c o l o g i c a lr i s k 根据实际监测资料，通过数理分析，建立代替实 际系统的模型进行城市重金属污染的评估口。3 ] ，将为 环境保护工作提供科学依据。本文对某城市土壤地 质环境采样调查的实测数据进行分析评估。 1基本假设 1 忽略特殊地形因素对污染物分布的影响；2 假设在同一最小网格中污染物含量相同；3 假设污 染物含量连续分布。 2 自适应矩阵分片影响模型[ 4 ] 在对城市城区土壤地质环境进行的研究中，将 所考察的城区划分为间距1k m 左右的网格子区域 收稿日期2 0 1 3 0 1 2 9 作者简介蒲济林 1 9 6 3 一 ，男，甘肃金昌人，副教授 进行抽样调查。因此将整个城市抽象成一个三维模 型，由对城市地形 海拔 导出自适应矩阵分片模型， 并同时用此方法得到每种重金属元素分布的信息。 采样点分布在每一个边长为1k m 的区域，每 一个采样点对其周围的相关性为权系数W 。将每一 个小的网格区域进行二次划分，将采样点划入更小 的网格中，将整个城区抽象成一个相应的二维矩阵， 矩阵相应点的值为海拔。 定义染色的含义是在该处取相应的值 颜色 。 采用类似染色的方法对采样点周围的信息进行处 理，将每一个抽样点周围一定范围N 以内的相近矩 阵元素划分为一个片区。每一个片区的中心为采样 点，片区之间相互重合。对片区进行染色，若未被染 万方数据 6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第8 期 色，则将其染色为片区中心采样点的颜色，若已经进 行染色，则表示两个分片矩阵具有相互交叉和影响 的区域，其色度由本身的色度与新的修正色度所决 定，具有自适应性，用权系数训进行相应的染色处 理。所有点都染上色表示整片城区的空间分布信息 已完成。 3 模型的建立与修正[ 5 ] 采用计算机仿真处理，算法描述如下 1 输入二次细化网格的量度，即将1k m 分为卵 部分。 2 选取一个采样点，取周围长度为m 以内的点 为同一片区。 3 对片区内每一点赋值，若本身值U 为0 ，则赋 值为采样点的值V ，，并返回2 。 4 若本身值不为0 ，则赋新值V 。一 1 一伽 V 6 u r V 。。 5 是否扫描完所有采样点，若不是，返回2 ；若 是，退出。 编写M A T L A B 程序进行计算。取网格二次细 化度行一3 ，权系数为砌，初次染色距离原采样点为 L 。，二次染色距离原采样点为L ，取叫一L 。／ L 。 L 。即采用平面代替曲面的方法进行近似计算， 得到该城市地形网格数据，结果见图1 。 图1 地形网格图 F i g ．1H y p s o m e t r i cg r i d d i n gm a p 为了能更好地研究污染浓度与功能区的关系， 我们将采样点与功能区投影在二维平面上 图2 ， 以便后续问题的研究。 通过对结果数据进行分析，在采样点周围所得 色度具有较大偏差。需要按照下面的方法对权系数 进行修正选取2 0 个临近样点周围的色度进行线性 差值处理，当离样点的距离L 分别为1 ／3 、2 ／3 、1 、 量 芒 邂 甚 f 51 0 1 52 f 2 S3 f 距离／k m 图2 采样点及功能区平面分布图 F i g ．2 P l a n a rd i s t r i b u t i o no fs a m p l i n gp o i n t a n df u n c t i o n a la r e a 4 ／3 、5 ／3 、2k m 时，权系数分别为0 ．9 8 、0 ．6 1 、0 ．2 6 、 0 ．1 3 、0 ．0 1 、0 ．0 0 4 。然后采用M A T L A B 的c f t o o l 进行拟合，得到新的权系数为u ，一2 ．4 8 1 e 1 8 9 4 6 L 。 选取网格细化度7 2 的值分别为3 、5 、7 、9 进行计 算后发现，随着咒的增大，即对网格细化程度的增 大，所得信息更加精确平滑。 由于所考察城区所取采样点均在城市表层，因此 忽略海拔高度对重金属元素分布的影响，用建立的自 适应矩阵分片影响模型对8 种主要重金属元素的分 布进行处理，得到其分布图，并结合功能区分布图进 行观察。例如砷浓度与功能区的分布情况见图3 。 由于该项目后续还将建立“多介质输移模型”求 解污染源，建立“土壤重金属超累积植物收割修复模 型”给出环境修复方法，因此在浓度分布图中加入了 地势高度的修正 南一c 将先前得到的浓度C ’用高度进行修正，取最高 高度为3 0 0m ，△A h 一3 0 0 ，口一0 ．9 ，b 一0 ．0 0 05 。 为了充分显示出修正后的结果，画图时未舍弃负值。 修正后的8 种重金属元素的分布情况见图4 。 4 城区重金属污染内梅罗指数评价[ 6 ] 为了定量刻画城市土壤的污染程度，我们令城 市功能区号为J 1 ～5 ，重金属污染物为i 1 ～8 ，8 种重金属砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅、锌的编号分别为 1 ～8 。定义某个重金属i 在J 区的单因子污染指数 P i 为 P 。一1 ／胛，∑C 。／s ； i H ●H 4 3 ●- ， u 1 』≮ 万方数据 2 0 1 3 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 1 图3 砷浓度与功能区的平面分布图 F i g ．3 P r o f i l eo fa r s e n i cc o n c e n t r a t i o na n dp l a n a rd i s t r i b u t i o no ff u n c t i o n a la r e a s 式中C i 为重金属i 在歹区的实测浓度，S 。为环 境背景值，以，为重金属在J 区的采样样品数。 整理计算数据可得单因子污染指数P i 所构成 的矩阵P 为 P 1 ．7 42 ．2 32 ．2 33 ．7 42 ．6 6 1 ．4 9 2 ．2 33 ．4 3 1 2 ．0 13 ．0 2 1 ．7 2 9 ．6 61 8 ．3 5 1 ．6 13 ．0 0 4 ．0 3 l 1 ．1 11 ．1 71 ．2 31 ．3 01 ．1 5 1 ．2 4 1 ．1 81 ．0 5 1 ．5 82 ．7 71 ．8 74 ．7 11 2 ．7 71 ．4 32 ．0 53 ．5 2 I 1 - 7 42 ．1 61 ．4 12 ．2 93 ．2 91 ．2 41 ．9 62 ．2 4 则根据内梅罗公式 P ，一[ [ M a xP ， 2 A v eP i 2 ] 0 ．5 ] “5 因此，依据P ≤0 ．7 、0 ．7 生活区≈ 公园绿地区 山区。 参考文献 [ 1 ] 廖金凤．城市化对土壤环境的影响[ J ] ．生态科学， 2 0 0 1 ，2 0 1 ／2 9 1 9 5 ． [ 2 ] 颜文，池继松，古森昌，等．珠江三角洲工业区土壤 沉 积物 重金属污染特征及防治对策[ J ] ．土壤与环境， 2 0 0 0 ，9 3 1 7 7 1 8 2 ． [ 3 ] 吴新民，李恋卿，潘根兴．南京市不同功能城区土壤中 重金属C u 、Z n 、P b 和C d 的污染特征[ J ] ．环境科学， 2 0 0 3 ，2 4 3 1 0 5 1 1 1 ． [ 4 ] 陈家军．环境模拟数值方法I - M ] ．北京北京师范大学 出版社，2 0 1 0 2 9 3 3 ． [ 5 ] 周永正，詹棠森，方成鸿，等．数学建模[ M ] ．上海同济 大学出版社，2 0 1 0 2 9 6 3 0 0 ． [ 6 ] 李亚松，张兆吉，费宇红，等．内梅罗指数评价法的修正 及其应用E J ] ．水资源保护，2 0 0 9 ，2 5 6 4 8 5 0 ． [ 7 ] 赵沁娜，徐启新，杨凯．潜在生态危害指数法在典型污 染行业土壤污染评价中的应用[ J ] ．华东师范大学学报 自然科学版，2 0 0 5 1 1 1 i - 1 1 6 ． [ 8 ] 林艳．基于统计学与G I S 的土壤重金属污染评价与预 测[ D ] ．长沙中南大学，2 0 0 9 ． 昆明路博润矿业科技开发有限公司 专业生产置换锌粉及电解电积添加剂的供应商 金银提炼专用置换锌粉、置换助剂、添加装置 高纯度高活性、置换率高、置换成本低，金泥含金品位高 铅锌湿法冶金工艺净化专用锌粉及砷盐、锑盐 比表面积大，纯度高，在净化除杂中避免镉的返溶，降低净化成本 金属电解电积工艺专用明胶、添加剂及溶胶装置 可使产品更加平整、致密，提高产品质量，易于剥离，减少电解槽酸雾 地址云南昆明国家高新技术产业开发区海源中路和成国际B 座 电话0 8 7 1 6 6 9 2 5 8 9 9 6 6 5 2 6 6 0 81 3 5 2 9 2 1 6 0 0 8 邮编6 5 0 1 0 6 万方数据