基于主成分分析的鄭州市重金屬污染評價

0土壤地質環境隨著城市經濟的快速發展和城市人口的增加，人類活動對城市環境的影響日益突出。根據不同城市土壤和地質環境的評估，以及通過評估方法獲得的大量數據，對城市環境進行評估。人類活動的影響下城市地質環境的發展模式日益成為人們的中心。按照功能劃分,城區一般可分為生活區、工業區、山區、主干道路區及公園綠地區等,分別記為1類區、2類區……5類區,不同的區域環境受人類活動影響的程度不同.本文對鄭州市城區土壤地質環境進行調查.將所考察的城區劃分為間距1km左右的網格子區域,按照每平方千米1個采樣點對表層土(0~10cm深度)進行取樣、編號,并用GPS記錄采樣點的位置.應用儀器測試分析獲得了每個樣本所含的多種化學元素的濃度數據.另外,按照2km的間距在遠離人群及工業活動的自然區取樣,將其作為該城區表層土壤中元素的背景值.1測量精度和污染程度.假設每類區表層土壤中每種重金屬含量連續變化;在對采樣點分析時,忽略土壤pH值、溫度、氣候等因素對測量帶來的影響;在對每類區域的污染程度進行分析時,忽略考察的8種元素以外的重金屬污染;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作用帶來的對污染程度評價的誤差.由于不易判斷5類區的地理分布情況,我們將問題理想化,考慮每類區的8種重金屬污染程度;假設附件給出的數據對于建立模型已經足夠充分;假設每個采樣點的采集時間相同,重金屬的含量不會因為采集時間的差異出現變化;忽略污染化合物之間的相關影響;忽略重金屬污染物之間的交叉污染;將土壤理想化成成分均勻的介質.1.1不同地區重金屬污染本文使用單因子指數法和綜合因子指數法分析該城區內不同區域重金屬的污染程度.1.1.1綜合因子指數法首先采用單因子污染指數法對土壤重金屬污染進行評價,計算公式為Ρi=1mm∑i=1Ci/Si.Pi=1m∑i=1mCi/Si.然后采用綜合因子指數法對土壤重金屬污染進行評價,計算公式為P綜=√(1nn∑i=1Ρi)2+(maxΡi)22=(1n∑i=1nPi)2+(maxPi)22???????????????ue001?ue000ue000,式中,Pi為土壤污染物i的環境質量指數,Ci為土壤污染物i的實際測量值,Si為土壤污染物i的背景值,m是土壤污染物i采樣點的個數,n為重金屬種類總數.1.1.2評估標準為標準評價土壤環境的污染程度,依據國家環保局頒布的土壤環境質量標準,土壤中各元素環境質量評價分級含量范圍采用表1分級值.1.1.3重金屬污染程度使用EXCEL進行數據分析與處理,得到如下評價結果:生活區中Cu和Zn屬于重度污染,工業區中Hg和Cu的污染程度極其嚴重,山區各重金屬污染程度均較低,交通區中也是Hg的污染相當嚴重,公園綠地區各重金屬污染程度相對較好.1.2評價指標權重的確定顯然,用此方法計算的結果會突出最嚴重污染物產生的影響,但沒有考慮污染因子的危害性差異.會引入很大的誤差,因此需對此式進行修改.將污染指數平均值改為加權平均,根據評價指標對環境及人體的危害性來確定各評價指標的權重.首先將綜合評價指標按由小到大的順序排列為P綜1,P綜2,…,P綜n.將最大的一個記為Pmax,令γi=Pmax/Pi表示第i種評價指標的相對重要性比值,則ωi=γi/5∑i=1γiωi=γi/∑i=15γi為各評價指標的權重.修正后得到不同城區的綜合污染程度:工業區污染指數為8.374,屬于重度污染;其次是交通區,污染指數為5.784;生活區和公園綠地區屬于中度污染,污染指數分別為2.569和2.227;山區屬于輕度污染,污染指數為1.214.2重金屬污染的主要原因2.1初步分析通過對重金屬污染的數據分別進行橫向和縱向分析,找出重金屬污染的主要原因.2.1.1工業污染的污染程度.城市水系城市的污染程度比人民生活城市更橫向比較5類綜合污染指數,可以清晰地看出,工業區所占比例明顯高出其他四類區域,交通區次之,生活區和公園綠化區持平居后,山區的污染程度最輕.這說明工業污染導致重金屬污染的成分最重,交通區主要以排放的污染氣體為主,被污染的大氣長期滯留,這樣就會污染到土壤表層.對于生活區和公園綠化區,人們的日常生活基本一致,而公園綠化區的污染程度要比生活區稍輕一些,這跟實際情況是相吻合的.橫向分析可以看出,工業區的綜合指數最高,這與通常情況相符,說明工業區周圍的治理污染工作還不到位,橫向主要原因為工業污染.2.1.2hg污染原因分析縱向比較污染程度最嚴重的區域(工業區),分析8種重金屬的單因子指數,這樣可以明顯找出導致污染的主要因素.可知Hg的污染指數最高,工業區土壤中Hg明顯富集,這與工業區的Hg元素及含Hg的化合物滲透土壤的污染物比較多有關,下面采用主成分分析法確定污染物產生的主要原因.2.2---先利用上述處理結果,建立5個區域和8種元素的5行8列的單因子矩陣,X=(1.742.232.233.742.661.492.233.432.013.021.729.6618.351.613.004.031.121.171.261.311.171.261.181.061.592.771.874.7112.771.432.053.521.742.161.412.293.291.241.962.24).X=????????1.742.011.121.591.742.233.021.172.772.162.231.721.261.871.413.749.661.314.712.292.6618.351.1712.773.291.491.611.261.431.242.233.001.182.051.963.434.031.063.522.24????????.然后利用MATLAB計算X的相關系數方陣R=(rij),其中rij為R中i行j列的元素,其計算公式為rij=n∑k=1(xki-ˉxi)(xkj-ˉxj)√n∑k=1(xki-ˉxi)2n∑k=1(xkj-ˉxj)2.rij=∑k=1n(xki?xˉi)(xkj?xˉj)∑k=1n(xki?xˉi)2∑k=1n(xkj?xˉj)2√.由此公式可以知道rij=rji,然后計算上述方陣的特征值λ,令|λΙ-R|=0|λI?R|=0,由MATLAB計算出結果然后進行排序λ1≥λ2≥…≥λp≥0,得到特征向量ei?p∑j=1eij2=1ei?∑j=1peij2=1,得到貢獻率λi/p∑k=1λkλi/∑k=1pλk,累計貢獻率λ′i=i∑k=1λk/p∑k=1λkλ′i=∑k=1iλk/∑k=1pλk,利用MATLAB計算結果見表2.取累計貢獻率達85%~95%的特征值λ1,λ2,…,λm所對應的第一、第二……第m(m≤p)m(m≤p)個主成分,則得到3個主成分,分別為第一主成分F1、第二主成分F2和第三主成分F3,F1=0.3851x1+0.2011x2+0.00538x3+0.25894x4-0.7180x5-0.1248x6-0.4541x7-0.0829x8,F2=0.3839x1-0.0680x2-0.2628x3-0.3274x4-0.2553x5-0.5994x6-0.0429x7-0.4955x8,F3=0.3635x1+0.1182x2+0.4779x3-0.4283x4-0.1244x5-0.2610x6+0.2952x7+0.5209x8.由此確定,工業區的Hg、Cu,交通區的As、Hg,生活區的Cu分別為重金屬污染的主要元素.3確定震源位置3.1污染位置的確定對于重金屬污染物的空間分布,結合數據的變化情況,首先從幾個側面分析污染物的傳播特征,然后根據最速下降法進行方向追蹤污染源的位置.整合數據分析可得,平面角度:以污染物濃度較高的地理位置為圓心擴散,區域劃分角度:工業區、交通區、生活區、公園綠化區、山區.然而值得注意的是,從元素的種類上看,某些重金屬不會擴散,也就是說,其在土壤的穩定性很強,在一定時期內不會傳播.所以,在確定傳染源的時候,需要進行模糊聚類,將一些傳播明顯的元素進行梯度分析,進而得到最速下降最快的方向,也就得到了污染源的位置.3.2土壤重金屬污染的成因土壤中重金屬元素主要有自然來源和人為干擾輸入兩種途徑.在自然因素中,成土母質和成土過程對土壤重金屬含量的影響很大.在各種人為因素中,則主要包括工業和交通等來源引起的土壤重金屬污染.以下主要對受人為作用影響的土壤重金屬污染來源進行介紹.3.2.1企業固體廢棄物排放廢水工業過程中廣泛使用重金屬元素,工礦企業將未經嚴格處理的廢水直接排放,使得周圍的土壤容易富集高含量的有毒重金屬.企業排放的煙塵、廢氣中也含有重金屬,并最終通過自然沉降和雨淋沉降進入土壤.礦業和工業固體廢棄物在堆放或處理過程中,由于日曬、雨淋、水洗等原因,重金屬極易移動,以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤擴散,固體廢棄物也可以通過風的傳播而使污染范圍擴大.3.2.2重金屬道路一般會在道路,一般會在道路,一般分為5105和5.道路兩側土壤中的污染物主要來自汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產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呈條帶狀分布,強度因距公路、鐵路、城市的距離以及交通量的大小有明顯的差異.3.3確定震源位置3.3.1污染源的估計為簡化模型,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.污染源(x0,y0,z0)=(0,0,0)使用INGLADA方法進行初值計算,設觀測點坐標為(xi,yi,zi),初步估計污染源多于2個,污染源到觀測點的距離為R,對于污染源i有(x0-xi)2+(y0-yi)2+(z0-zi)2=R2i(x0?xi)2+(y0?yi)2+(z0?zi)2=R2i.(1)對于污染源j有(x0-xj)2+(y0-yj)2+(z0-zj)2=R2j(x0?xj)2+(y0?yj)2+(z0?zj)2=R2j.(2)將(1)式、(2)式展開后相減得到線性方程(xi-xj)x0+(yi-yj)y0+(zi-zj)z0=12(r2i-r2j+R2j-R2i)(xi?xj)x0+(yi?yj)y0+(zi?zj)z0=12(r2i?r2j+R2j?R2i),(3)其中r2i2i=x2i2i+y2i2i+z2i2i.由于土壤為均勻介質,傳播速度恒定,得(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2(Ci-C0)=(xj-x0)2+(yj-y0)2+(zj-z0)2(Cj-C0)(xi?x0)2+(yi?y0)2+(zi?z0)2(Ci?C0)=(xj?x0)2+(yj?y0)2+(zj?z0)2(Cj?C0).(4)將觀測點坐標的數據每3個一組代入(3)式,得到一系列(x0,y0,z0)(x0,y0,z0),從而反演得源位置.數據每4個一組共分成80組,代入(4)式中,得到80組(x0,y0,z0)(x0,y0,z0)污染源位置.統計得x0的波動范圍為0~2454,y0的波動范圍為987~1570,從而確定平面污染源的區域范圍為{0≤x0≤2454987≤y0≤1570{0≤x0≤2454987≤y0≤1570.由于采樣點是在間距1km左右的網格區域內,|zi-zj||zi?zj|遠小于|xi-xj||xi?xj|和|yi-yj|?(3)|yi?yj|?(3)式中的系數矩陣會有奇異性,在z0解發散,充分說明模型適宜此問題.3.3.2其他接觸問題的補償基于GEIGER法的基本思想,建立空間直角坐標系ΔC+?Ck?xΔx+?Ck?yΔy+?Ck?zΔz=rkΔC+?Ck?xΔx+?Ck?yΔy+?Ck?zΔz=rk,(5)式中Δx,Δy,Δz分別為污染源坐標校正量,ΔC為濃度校正量,?Ck?x,?Ck?y,?Ck?z?Ck?x,?Ck?y,?Ck?z為空間偏導數,rk為測定濃度的偏差,可寫成矢量形式AΔ→x=→r?其中Δ→x=(ΔC,Δx,Δy,Δz)?→r=(r1,r2??rm).(6)(6)式中系數矩陣A為m×4矩陣A=(1?C1?x?C1?y?C1?z1?C2?x?C2?y?C2?z????1?Cm?x?Cm?y?Cm?z).(7)將INGLADA方法計算的初值代入(5)式求解,再用求解結果校正r,如此反