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数学建模城市表层土壤重金属污染论文.doc

数学建模城市表层土壤重金属污染论文

不系舟红枫
2019-01-22 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《数学建模城市表层土壤重金属污染论文doc》,可适用于工程科技领域

数学建模城市表层土壤重金属污染A题城市表层土壤重金属污染分析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。对城市土壤地质环境异常的查证以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式日益成为人们关注的焦点。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类区、类区、……、类区不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。现对某城市城区土壤地质环境进行调查。为此将所考察的城区划分为间距公里左右的网格子区域按照每平方公里个采样点对表层土(~厘米深度)进行取样、编号并用GPS记录采样点的位置。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度数据。另一方面按照公里的间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。附件列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息附件列出了种主要重金属元素在采样点处的浓度附件列出了种主要重金属元素的背景值。现要求你们通过数学建模来完成以下任务:()给出种主要重金属元素在该城区的空间分布并分析该城区内不同区域重金属的污染程度。()通过数据分析说明重金属污染的主要原因。()分析重金属污染物的传播特征由此建立模型确定污染源的位置。()分析你所建立模型的优缺点为更好地研究城市地质环境的演变模式还应收集什么信息?有了这些信息如何建立模型解决问题?A题城市表层土壤重金属污染分析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。通过对城市土壤重金属的调查应用数学方法对数据进行处理。得到城市环境质量的演变已是人们日益关注的焦点。对于问题一用附件一中给出的数据用matlab插值法建立三维模型总共有个图一个是取样地点的地形图另外八个是八种重金属元素的浓度分布图通过模型图我们可以清楚的看到各种元素不同的空间分布。然后通过均值法算出不同区域内各种重金属元素的污染程度。对于问题二通过对问题一结论的分析得出生活区和工业区是污染比较厉害的地区。目前我国由于在重金属的开采、冶炼、加工过程中造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤引起严重的环境污染。人类生活中各种用品都含有不同量的重金属元素比如说废旧电池含有较多的汞、铬、锰、铅、镍、锌等重金属。它们通过自然和生物降解随着雨水进入到土壤和河流当中。对于问题三根据前两问的结论分析重金属的传播特征主要有从高海拔到低海拔从高浓度区向低浓度区扩散。我们建立扩散模型求出函数的极值从而确定污染源的位置。对于问题四我们仔细分析了模型的优缺点。为更好地研究城市地质环境的演变模式还应收集该地区的每年生活、工业等重要污染源的垃圾排放量以及每年的生物降解量降雨量对重金属元素扩散的影响空气污染也应该考虑进去。有了这些数据以后建立因子分析法回归分析曲线拟合等模型解决问题。关键词:插值法、均值法、扩散模型、因子分析、回归分析。一、问题重述与分析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。对城市土壤地质环境异常的查证以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式日益成为人们关注的焦点。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类区、类区、……、类区不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。现对某城市城区土壤地质环境进行调查。为此将所考察的城区划分为间距公里左右的网格子区域按照每平方公里个采样点对表层土(~厘米深度)进行取样、编号并用GPS记录采样点的位置。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度数据。另一方面按照公里的间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。附件列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息附件列出了种主要重金属元素在采样点处的浓度附件列出了种主要重金属元素的背景值。现在通过数学建模来完成以下任务:()给出种主要重金属元素在该城区的空间分布并分析该城区内不同区域重金属的污染程度。()通过数据分析说明重金属污染的主要原因。()分析重金属污染物的传播特征由此建立模型确定污染源的位置。()分析你所建立模型的优缺点为更好地研究城市地质环境的演变模式还应收集什么信息?有了这些信息如何建立模型解决问题?二、模型假设一、污染源的重金属浓度不在增加。二、取样点的数据较好的反映了该地区的污染物浓度。三、符号约定四、模型的建立与求解问题一:问题二:重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。重金属污染主要表现在水污染中还有一部分是在大气和固体废物中。重金属污染与其他有机化合物的污染不同。不少有机化合物可以通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化使有害性降低或解除。而重金属具有富集性很难在环境中降解。目前我国由于在重金属的开采、冶炼、加工过程中造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入大气、水、土壤引起严重的环境污染。如随废重金属水银水排出的重金属即使浓度小也可在藻类和底泥中积累被鱼和贝类体表吸附产生食物链浓缩从而造成公害。水体中金属有利或有害不仅取决于金属的种类、理化性质而且还取决于金属的浓度及存在的价态和形态即使有益的金属元素浓度超过某一数值也会有剧烈的毒性使动植物中毒甚至死亡。金属有机化合物(如有机汞、有机铅、有机砷、有机锡等)比相应的金属无机化合物毒性要强得多可溶态的金属又比颗粒态金属的毒性要大六价铬比三价铬毒性要大等等。  重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用使它们失去活性也可能在人体的某些器官中富集如果超过人体所能耐受的限度会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等对人体会造成很大的危害重金属在大气、水体、土壤、生物体中广泛分布而底泥往往是重金属的储存库和最后的归宿。重金属的污染主要来源工业污染其次是交通污染和生活垃圾污染。工业污染大多通过废渣、废水、废气排入环境交通污染主要是汽车尾气的排放国家制定了一系列的管理办法生活污染主要是一些生活垃圾的污染废旧电池、破碎的照明灯、没有用完的化妆品、上彩釉的碗碟等对于重金属的污染只要我们从其来源加以控制就多多少少可以减少重金属污染。  专家分析指出:目前我国塑料生产企业的工艺、设备、技术研发较落后是造成污染严重的主要原因而管理不善、地方保护及人们环保意识淡薄加剧了污染强化治理迫在眉睫。生产企业应放眼未来倡导环保使用环保型助剂才能使PVC行业健康长远发展。铅污染是可在人体和动物组织中积蓄的有毒金属。主要来源于各种油漆、涂料、蓄电池、冶炼、五金、机械、电镀、化妆品、染发剂、釉彩碗碟、餐具、燃煤、膨化食品、自来水管等。它是通过南丹矿区污染严重镉污染镉不是人体的必要元素。镉主要来源有电镀、采矿、冶炼、燃料、电池和化学工业等排放的废水废旧电池中镉含量较高、也存在于水果和蔬菜中尤其是蘑菇在奶制品和谷物中也有少量存在镉能够取代骨中钙使骨骼严重软化骨头寸断会引起胃脏功能失调干扰人体和生物体内锌的酶系统导致高血压症上升。易受害的人群是矿业工作者、免疫力低下人群。汞污染汞及其化合物属于剧毒物质可在人体内蓄积。主要来源于仪表厂、食盐电解、贵金属冶炼、化妆品、照明用灯、齿科材料、燃煤、水生生物等。砷污染是人体的非必需元素元素砷的毒性极低而砷的化合物均有剧毒三价砷化合物比其它砷化合物毒性更强。主要来源于采矿、冶金、化化学制药、玻璃工业中的脱色剂、各种杀虫剂、杀鼠剂、砷酸盐药物、化肥、硬质合金、皮革、农药等铬污染  主要来源于劣质化妆品原料、皮革制剂、金属部件镀铬部分工业颜料以及鞣革、橡胶和陶瓷原料等因为有了数学建模所以有了传播特征摘要:文章阐明了重金属污染物来源与分布同时对国内外土壤重金属污染治理的研究工作做了系统的综述重金属污染原理重金属特别是汞、镉、铅、铬等具有显著和生物毒性。它们在水体中不能被微生物降解而只能发生各种形态相互转化和分散、富集过程(即迁移)。重金属污染的特点是:()除被悬浮物带走的外会因吸附沉淀作用而富集于排污口附近的底泥中成为长期的次生污染源()水中各种无机配位体(氯离子、硫酸离子、氢氧离子等)和有机配位体(腐蚀质等)会与其生成络合物或螯合物导致重金属有更大的水溶解度而使已进入底泥的重金属又可能重新释放出来()重金属的价态不同其活性与毒性不同。其形态又随pH和氧化还原条件而转化。()在其危害环境方面的特点是:微量浓度即可产生毒性(一般为~毫克升汞、镉为~毫克升)在微生物作用会转化为毒性更强的有机金属化合物(如洋-甲基汞)本文主要从土壤中重金属污染物来源与分布、土壤中重金属污染物的现行治理方法入手提出土壤中重金属污染物防治的环境矿物学新方法。旨在保护环境提高土壤的环境质量。土壤中重金属污染物来源与分布土壤中重金属的来源是多途径的首先是成土母质本身含有重金属不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大。此外人类工农业生产活动也造成重金属对大气、水体和土壤的污染。大气中重金属沉降大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大气中的大多数重金属是经自然沉降和雨淋沉降进入土壤的。如瑞典中部Falun市区的铅污染它主要来自于市区铜矿工业厂、硫酸厂、油漆厂、采矿和化学工业产生大量废物,由于风的输送这些细微颗粒的铅,从工业废物堆扩散至周围地区。南京某生产铬的重工业厂铬污染叠加已超过当地背景值倍污染以车间烟囱为中心范围达km污染范围最大延伸下限km。它们成条带状分布以公路、铁路为轴向两侧重金属污染强度逐渐减弱随着时间的推移公路、铁路土壤重金属污染具有很强的叠加性。经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染主要以工矿烟囱、废物堆和公路为中心向四周及两侧扩散由城市郊区农区随距城市的距离加大而降低特别是城市的郊区污染较为严重。此外还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关重工业越发达污染相对就越严重。农药、化肥和塑料薄膜使用施用含有铅、汞、镉、砷等的农药和不合理地施用化肥都可以导致土壤中重金属的污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Zn、Pb磷肥次之,氮肥和钾肥含量较低但氮肥中铅含量较高其中As和Cd污染严重。经过对上海地区菜园土地、粮棉地的研究施肥后Cd的含量从mgkg升到mgkgHg的含量从mgkg升到mgkgCu、Zn增长。通过新西兰a前和现今同一地点个土样分析自施用磷肥后镉从mgkg升至mgkg。在阿根廷由于传统无机磷肥的施入,进而导致土壤重金属Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的污染。农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含有Cd、Pb在大量使用塑料大棚和地膜过程中都可以造成土壤重金属的污染。污水灌溉污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速发展大量的工业废水涌入河道使城市污水中含有的许多重金属离子随着污水灌溉而进入土壤。在分布上往往是靠近污染源头和城市工业区土壤污染严重远离污染源头和城市工业区土壤几乎不污染。近年来污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分污泥施肥污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素但同时污泥中也含有大量的重金属,随着大量的市政污泥进入农田使农田中的重金属的含量在不断增高。污泥施肥可导致土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb含量的增加且参考文献叶子进.实现J.计算机工程与科学():基于MATLAB实现的指纹图像预处理J.():http:yzzygjcombaomahuiyulechenghttp:cqaoaccomxianjinduboBygnksguybb李宁.指纹增强算法研究D.济南:山东大学马扬彪.基于Gabor滤波的指纹图像增强J微计算机信息():向锐.面向低质量指纹的图像增强算法研究D.重庆:西南政法大学污泥施用越多,污染就越严重Cd、、Cu、Zn引起水稻、蔬菜的污染Cd、Hg可引起小麦、玉米的污染污泥增加青菜中的Cd、Cu、Zn、Ni、Pb也增加。Anthony研究表明用城市污水、污泥改良土壤重金属Hg、Cd、Pb等的含量也明显增加。含重金属废弃物堆积含重金属废弃物种类繁多不同种类其危害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般以废弃堆为中心向四周扩散。通过对武汉市垃圾堆放场、杭州某铬渣堆存区、城市生活垃圾场及车辆废弃场附近土壤中的重金属污染的研究这些区域的重金属Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Sb、V、Co、Mn的含量高于当地土壤背景值重金属在土壤中的含量和形态分布特征受其垃圾中释放率的影响且随距离的加大重金属的含量而降低。由于废弃物种类不同各重金属污染程度也不尽相同如铬渣堆存区的Cd、Hg、Pb为重度污染Zn为中度污染Cr、Cu为轻度污染。金属矿山酸性废水污染金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等可以被酸溶出含重金属离子的矿山酸性废水随着矿山排水和降雨使之带入水环境(如河流等)或直接进入土壤都可以间接或直接地造成土壤重金属污染。同一区域土壤中重金属污染物的来源途径可以是单一的也可以是多途径的。胡永定通过研究徐州荆马河区域土壤重金属污染的成因中指出:Cr、Cu、Zn、Pb是由垃圾施用引起的As是由农灌引起的Cd是由农灌和垃圾施用引起的Hg是各种途径都具备。王文祥通过对山东省耕地重金属元素污染状况的研究说明工业快速发展地区铅高于农业环境铅与距公路远近有关。乡镇企业技术、设备落后原材料利用率低造成其周边土壤重金属污染相当严重。据贵州年的统计全省乡镇排放汞万kg土壤中有的地方达mgkg超过未污染土壤的倍。要引起高度重视。总的来说:工业化程度越高的地区污染越严重市区高于远郊和农村地表高于地下污染区污染时间越长重金属积累就越多以大气传播媒介土壤重金属污染土壤的具有很强的叠加性,熟化程度越高重金属含量越高。重金属污染来源、分布、治理方法摘要:文章阐明了重金属污染物来源与分布同时对国内外土壤重金属污染治理的研究工作做了系统的综述提出了土壤中重金属污染物防治的环境矿物学新方法利用环境矿物材料治理土壤重金属污染物的方法具有成本低、效果好、无二次污染及有用金属可回收利用等优点展现出广阔的环境矿物学研究与应用前景。并提醒人们要提高土壤质量意识保护生态环境。重金属系指密度以上约种元素或密度在以上的种元素。砷、硒是非金属但是它的毒性及某些性质与重金属相似所以将砷、硒列入重金属污染物范围内。环境污染方面所指的重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物。随着全球经济化的迅速发展含重金属的污染物通过各种途径进入土壤造成土壤严重污染。土壤重金属污染可影响农作物产量和质量的下降并可通过食物链危害人类的健康也可以导致大气和水环境质量的进一步恶化。因此引起世界各国的广泛重视。目前世界各国土壤存在不同程度的重金属污染全世界平均每年排放Hg约万t、Cu为万t、Pb为万t、Mn为万t、Ni为万t。中国北方大城市的蔬菜基地和部分商品粮基地也存在着不同程度的重金属污染如北京、天津、西安、沈阳、济南、长春、郑州等地。南方相对较轻如福州、宁波、上海、武汉、成都等地。土壤重金属污染将会造成生态系统的严重破坏。从中国土壤资源状况看到年底中国人均耕地仅为hm而且随着今后中国经济社会的发展如生态退耕、农业结构调整及自然灾害损毁等土壤资源将进一步减少。因而如何有效地控制及治理土壤重金属的污染改良土壤质量,将成为生态环境保护工作中十分重要的一项内容。重金属污染原理重金属特别是汞、镉、铅、铬等具有显著和生物毒性。它们在水体中不能被微生物降解而只能发生各种形态相互转化和分散、富集过程(即迁移)。重金属污染的特点是:()除被悬浮物带走的外会因吸附沉淀作用而富集于排污口附近的底泥中成为长期的次生污染源()水中各种无机配位体(氯离子、硫酸离子、氢氧离子等)和有机配位体(腐蚀质等)会与其生成络合物或螯合物导致重金属有更大的水溶解度而使已进入底泥的重金属又可能重新释放出来()重金属的价态不同其活性与毒性不同。其形态又随pH和氧化还原条件而转化。()在其危害环境方面的特点是:微量浓度即可产生毒性(一般为~毫克升汞、镉为~毫克升)在微生物作用会转化为毒性更强的有机金属化合物(如洋-甲基汞)可被生物富集通过食物链进入人体造成慢性路线。亲硫重金属元素(汞、镉、铅、锌、硒、铜、砷等)与人体组织某些酶的巯基(SH)有特别大的亲合力能抑制酶的活性亲铁元素(铁、镍)可在人体的肾、脾、肝内累积抑制精氨酶的活性。六价铬可能是蛋白质和核酸的沉淀剂可抑制细胞内谷胱甘肽还原酶导致高铁血红蛋白可能致癌过量的钒和锰(亲岩元素)则能损害神经系统的机能。本文主要从土壤中重金属污染物来源与分布、土壤中重金属污染物的现行治理方法入手提出土壤中重金属污染物防治的环境矿物学新方法。旨在保护环境提高土壤的环境质量。土壤中重金属污染物来源与分布土壤中重金属的来源是多途径的首先是成土母质本身含有重金属不同的母质、成土过程所形成的土壤含有重金属量差异很大。此外人类工农业生产活动也造成重金属对大气、水体和土壤的污染。大气中重金属沉降大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大气中的大多数重金属是经自然沉降和雨淋沉降进入土壤的。如瑞典中部Falun市区的铅污染它主要来自于市区铜矿工业厂、硫酸厂、油漆厂、采矿和化学工业产生大量废物,由于风的输送这些细微颗粒的铅,从工业废物堆扩散至周围地区。南京某生产铬的重工业厂铬污染叠加已超过当地背景值倍污染以车间烟囱为中心范围达km污染范围最大延伸下限km。俄罗斯的一个硫酸生产厂也是由工厂烟囱排放造成S、V、As的污染。公路、铁路两侧土壤中的重金属污染主要是Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Cu的污染为主。它们来自于含铅汽油的燃烧汽车轮胎磨损产生的含锌粉尘等。它们成条带状分布以公路、铁路为轴向两侧重金属污染强度逐渐减弱随着时间的推移公路、铁路土壤重金属污染具有很强的叠加性。在宁杭公路南京段两侧的土壤形成Pb、Cr、Co污染晕带且沿公路延长方向分布自公路向两侧污染强度减弱。在宁连一级公路淮阴段两侧的土壤铅含量增高向两侧含量逐渐降低且在地表~cm铅的含量较高。在法国索洛涅地区A号高速公路沿途严重污染重金属Pb、Zn、Cd其沉降粒子浓度超过当地土壤背景值~倍而公路旁重金属浓度比沉降粒子中高~倍。在斯洛文尼亚从居波加到扎各瑞波公路两侧铅除了分布在公路两侧以外还受阶地地貌和盛行风的影响高铅出现在低地公路顺风一侧铅含量较高。经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染主要以工矿烟囱、废物堆和公路为中心向四周及两侧扩散由城市郊区农区随距城市的距离加大而降低特别是城市的郊区污染较为严重。此外还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关重工业越发达污染相对就越严重。此外大气汞的干湿沉降也可以引起土壤中汞的含量增高。大气汞通过干湿沉降进入土壤后被土壤中的粘土矿物和有机物的吸附或固定富集于土壤表层或为植物吸收而转入土壤造成土壤汞的浓度的升高。农药、化肥和塑料薄膜使用施用含有铅、汞、镉、砷等的农药和不合理地施用化肥都可以导致土壤中重金属的污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Zn、Pb磷肥次之,氮肥和钾肥含量较低但氮肥中铅含量较高其中As和Cd污染严重。经过对上海地区菜园土地、粮棉地的研究施肥后Cd的含量从mgkg升到mgkgHg的含量从mgkg升到mgkgCu、Zn增长。通过新西兰a前和现今同一地点个土样分析自施用磷肥后镉从mgkg升至mgkg。在阿根廷由于传统无机磷肥的施入,进而导致土壤重金属Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的污染。农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含有Cd、Pb在大量使用塑料大棚和地膜过程中都可以造成土壤重金属的污染。污水灌溉污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速发展大量的工业废水涌入河道使城市污水中含有的许多重金属离子随着污水灌溉而进入土壤。在分布上往往是靠近污染源头和城市工业区土壤污染严重远离污染源头和城市工业区土壤几乎不污染。近年来污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分中国自年代至今污灌面积迅速扩大以北方旱作地区污灌最为普遍约占全国污灌面积的以上。南方地区的污灌面积仅占其余在西北和青藏。污灌导致土壤重金属Hg、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Pb等含量的增加。淮阳污灌区自污灌以来金属Hg、Cd、Cr、Pb、As等就逐渐增高~年已超过警戒级。太原污灌区的重金属Pb、Cd、Cr含量远远超过其当地背景值且积累量逐年增高。污泥施肥污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素但同时污泥中也含有大量的重金属,随着大量的市政污泥进入农田使农田中的重金属的含量在不断增高。污泥施肥可导致土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb含量的增加且污泥施用越多,污染就越严重Cd、、Cu、Zn引起水稻、蔬菜的污染Cd、Hg可引起小麦、玉米的污染污泥增加青菜中的Cd、Cu、Zn、Ni、Pb也增加。Anthony研究表明用城市污水、污泥改良土壤重金属Hg、Cd、Pb等的含量也明显增加。含重金属废弃物堆积含重金属废弃物种类繁多不同种类其危害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般以废弃堆为中心向四周扩散。通过对武汉市垃圾堆放场、杭州某铬渣堆存区、城市生活垃圾场及车辆废弃场附近土壤中的重金属污染的研究这些区域的重金属Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Sb、V、Co、Mn的含量高于当地土壤背景值重金属在土壤中的含量和形态分布特征受其垃圾中释放率的影响且随距离的加大重金属的含量而降低。由于废弃物种类不同各重金属污染程度也不尽相同如铬渣堆存区的Cd、Hg、Pb为重度污染Zn为中度污染Cr、Cu为轻度污染。金属矿山酸性废水污染金属矿山的开采、冶炼、重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等可以被酸溶出含重金属离子的矿山酸性废水随着矿山排水和降雨使之带入水环境(如河流等)或直接进入土壤都可以间接或直接地造成土壤重金属污染。年我国有色冶金工业向环境中排放重金属Hg为tCd为tAs为tPb为t。矿山酸性废水重金属污染的范围一般在矿山的周围或河流的下游在河流中不同河段的重金属污染往往受污染源(矿山)控制河流同一污染源的下段自上游到下游,由于金属元素迁移能力减弱和水体自净化能力的适度恢复金属化学污染强度逐渐降低。江西乐安江沽口中洲由于遭受德兴铜矿的污染水体及土壤中的重金属Cu、Pb、Zn、Cr含量增高至鄱阳湖段重金属含量逐渐降低。美国科罗拉多州罗拉多流域受采矿的影响重金属元素Cd、Zn、Pb、As的浓度以污染源为最高之后随着与污染源距离延长而逐渐降低。莱安河重金属污染来自一个大型铜矿导致重金属浓度远远超过当地背景值。流域重金属污染随季节变化而异枯水期重金属的含量明显高于丰水期。河流流速减缓可以导致该流段重金属含量增加。同一区域土壤中重金属污染物的来源途径可以是单一的也可以是多途径的。胡永定通过研究徐州荆马河区域土壤重金属污染的成因中指出:Cr、Cu、Zn、Pb是由垃圾施用引起的As是由农灌引起的Cd是由农灌和垃圾施用引起的Hg是各种途径都具备。王文祥通过对山东省耕地重金属元素污染状况的研究说明工业快速发展地区铅高于农业环境铅与距公路远近有关。乡镇企业技术、设备落后原材料利用率低造成其周边土壤重金属污染相当严重。据贵州年的统计全省乡镇排放汞万kg土壤中有的地方达mgkg超过未污染土壤的倍。要引起高度重视。总的来说:工业化程度越高的地区污染越严重市区高于远郊和农村地表高于地下污染区污染时间越长重金属积累就越多以大气传播媒介土壤重金属污染土壤的具有很强的叠加性,熟化程度越高重金属含量越高。土壤中重金属污染物现行治理方法关于土壤重金属污染物的研究国外始于世纪~年代如澳大利亚、美国、德国等国家对土壤重金属较深入尤其澳大利亚。我国在年对主要类型的土壤环境容量作过初步研究如提出研究土壤重金属的生态效应、临界含量地带性分异规律和分区等。当前世界各国很重视对重金属污染治理方法研究并开展广泛的研究工作。总的来说目前大致有以下四种治理措施:工程治理方法工程治理是指用物理或物理化学的原理来治理土壤重金属污染。主要有:客土是在污染的土壤上加入未污染的新土换土是将以污染的土壤移去换上未污染的新土翻土是将污染的表土翻至下层去表土是将污染的表土移去等。如日本富士县神通川流域的痛痛病发源地就是由于长期食用含镉的稻米而引发的他们通过研究去表土cm并压实心土在连续淹水的条件下稻米中镉的含量小于mgkg去表土后再客土cm间歇灌溉稻米中镉的含量也不超标客土超过cm其效果更佳。此外淋洗法是用淋洗液来淋洗污染的土壤热处理法是将污染土壤加热使土壤中的挥发性污染物(Hg)挥发并收集起来进行回收或处理电解法是使土壤中重金属在电解、电迁移、电渗和电泳等的作用下在阳极或阴极被移走。以上措施具有效果彻底、稳定等优点但实施复杂、治理费用高和易引起土壤肥力降低等缺点。生物治理方法生物治理是指利用生物的某些习性来适应、抑制和改良重金属污染。主要有:动物治理是利用土壤中的某些低等动物蚯蚓、鼠类等吸收土壤中的重金属微生物治理是利用土壤中的某些微生物等对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用降低土壤中重金属的毒性如Citrobactersp产生的酶能使U、Pb、Cd形成难溶磷酸盐原核生物(细菌、放线菌)比真核生物(真菌)对重金属更敏感格兰氏阳性菌可吸收Cd、Cu、Ni、Pb等。植物治理是利用某些植物能忍耐和超量积累某种重金属的特性来清除土壤中的重金属重金属的植物吸收、淋溶和无效态数量将只依赖于它们的有效态的多少重金属溶液浓度和它们的土壤的有效态之间关系遵循Freundlich吸附方程超积累植物可吸收积累大量的重金属目前已发现多种超积累植物积累Cr、Co、Ni、Cu、Pb的含量一般在以上积累Mn、Zn含量一般在以上印度芥菜(Brassicajuncea)可吸收Zn、Cd、Cu、Pb等在Cu为mgkgPb为mgkg、Zn为mgkg条件下能生长在Cd为mgkg出现黄化现象印度芥菜(Brassicajuncea)可对Cr、Cd、Ni、Zn、Cu富集分别为和倍高杆牧草(Agropyronelongatum)能吸收Cu等英国的高山莹属类等可吸收高浓度的Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd、Zn等。生物治理措施的优点是实施较简便、投资较少和对环境破坏小缺点是治理效果不显著。化学治理方法化学治理就是向污染土壤投入改良剂、抑制剂增加土壤有机质、阳离子代换量和粘粒的含量改变pH、Eh和电导等理化性质使土壤重金属发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用以降低重金属的生物有效性。其中沉淀法是指土壤溶液中金属阳离子在介质发生改变(pH值、OH、SO等)时形成金属沉淀物而降低土壤重金属的污染如向土壤中投放钢渣它在土壤中易被氧化成铁的氧化物对Cd、Ni、Zn的离子有吸附和共沉淀作用从而使金属固定。在沈阳张士污灌区进行的大面积石灰改良实验表明每公顷施石灰~kg籽实含镉量下降。有机质法是指有机质中的腐殖酸能络合重金属离子生成难溶的络合物而减轻土壤重金属的污染吸附法是指重金属离子能被膨润土、沸石、粘土矿物等吸附固定从而降低土壤重金属的污染。化学治理措施优点是治理效果和费用都适中缺点是容易再度活化。农业治理方法农业治理是因地制宜的改变一些耕作管理制度来减轻重金属的危害在污染土壤上种植不进入食物链的植物。主要有:控制土壤水分是指通过控制土壤水分来调节其氧化还原电位(Eh)达到降低重金属污染的目的选择化肥是指在不影响土壤供肥的情况下选择最能降低土壤重金属污染的化肥增施有机肥是指有机肥能够固定土壤中多种重金属以降低土壤重金属污染的措施选择农作物品种是指选择抗污染的植物和不要在重金属污染的土壤上种植进入食物链的植物如在含镉mgkg的土壤上改种苎麻五年后土壤镉含镉平均降低因地制宜地种植玉米、水稻、大豆、小麦等水稻根系吸收重金属的含量占整个作物吸收量的~玉米茎叶吸收重金属的含量占整个作物吸收量的~玉米籽实吸收量最少重金属在作物体内分配规律是根>茎叶>籽实。土壤重金属污染也是导致生态系统破坏的重要因素。合理的利用农业生态系统工程措施也可以保持土壤的肥力改良和防治土壤重金属污染提高土壤质量并能与自然生态循环和系统协调运作。如可以在污染区公路两侧尽可能种树、种花、种草或经济作物(如蓖麻)种植草皮或观赏树木移栽繁殖不但可以美化环境还可以净化土壤蓖麻可用作肥皂的原料。也可以进行农业改良即在污染区繁育种子(水稻、玉米)之后在非污染区种植或种植非食用作物(高梁、玉米)收获后从秸秆提取酒精残渣压制纤维板并提取糠醛或将残渣制作沼气作能源。农业治理措施的优点是易操作、费用较低缺点是周期长、效果不显著。土壤中天然矿物治理重金属污染物新方法土壤的主要矿物组成除粘土矿物外还存在大量的天然铁锰铝氧化物及氢氧化物、硅氧化物、碳酸盐、有机质硫化物等天然矿物。在国内外关于土壤重金属污染物防治途径研究中人们一直强调土壤自身的净化能力但土壤自净化能力离不开土壤中矿物种对重金属的吸附与解吸作用、固定与释放作用土壤中具体矿物的净化能力才真正体现土壤自身的净化能力和容纳能力。土壤中有毒有害元素含量的高低并不是直接判定土壤环境质量优劣乃至土壤生态效应的唯一标志关键问题是要揭示这些重金属在土壤中与各种无机物之间具有怎样的环境平衡关系。在国内外为寻求地下水和土壤有机污染的修复方法而直接对土壤中多种粘土矿物进行改性研究即利用有机表面活性剂去置换天然粘土矿物中存在着的大量可交换的无机阳离子以形成有机粘土矿物可有效截住或固定有机污染物阻止地下水的进一步污染限制有机污染物在土壤环境中迁移扩散。但特别需要指出的是在粘土矿物改性过程中其中的固定态重金属也一并被置换出来导致土壤系统中业已建立环境平衡被打破使得土壤环境中解吸释放态重金属污染物总量大大增加。至此土壤中重金属污染物既来源于土壤中活动态的重金属又来源于改性粘土矿物时被置换释放出来的重金属。以本实验室正在开展研究的环境矿物材料天然铁锰铝氧化物及氢氧化物为例其中磁铁矿、赤铁矿、针铁矿、软锰矿、硬锰矿与铝土矿等也正在成为国际上关于天然矿物净化污染方法研究方面的重点对象之一。我们认为天然铁锰铝氧化物及氢氧化物的表面具有明显的化学吸附性特征锰氧化物与氢氧化物还具有较完善的孔道特征尤其是Fe、Mn为自然界中少数的但属于常见的变价元素其氧化物和氢氧化物化合物往往可表现出一定的氧化还原作用。所以说天然铁锰铝氧化物及氢氧化物具有潜在的净化重金属污染物的功能能成为土壤环境中吸附固定态重金属污染物的有效物质。综上所述国内外对土壤重金属污染现状与治理取得了一定的成绩也存在一些理论上和技术上的问题如土壤中重金属与土壤中矿物之间的吸附与解吸、固定与释放的平衡关系的研究土壤中重金属形态特征、转化与迁移规律的系统研究土壤中二次污染物的及时处理等。土壤重金属污染首先应从源头抓起控制污染源土壤重金属的污染已经达到相当严重的程度,要充分认识土壤重金属污染的长期性、隐匿性、不可逆性以及不能完全被分解或消逝的特点。土壤质量问题是经济可持续发展和社会全面进步的战略问题它直接影响土壤质别、水质状况、作物生长、农业产量、农产品品质等并通过食物链对人体健康造成危害。对工业生产中排放的污染物尚未得到较彻底控制尤其在农业生产中大量而盲目使用化学肥料和农药的今天江河湖海、地下水及陆地中无机和有机污染物积累总量与日俱增使土地环境质量变得极其脆弱。一旦土壤对这些污染物尤其是重金属的消纳容量达到饱和这些污染物对耕地生产能力的潜在毁灭性破坏便有可能一触即发有人已形象地称之为农业生产中的“定时炸弹”。从这个意义上来讲土地管理与保护工作不仅是对耕地总量的监管还应该加强对耕地质量的保护与改善。对土壤质量的保护便是对耕地生产能力的保护更是提高土地利用效率的强有力措施之一。对于我国这样一个人口众多的农业大国开展国土质量调查评价对土壤重金属污染物进行试验研究开发耕地污染的治理方法和技术显得更为必要和迫切。问题三:研究气体的扩散,液体的渗透,半导体材料中的杂质扩散等问题所满足的微分方程在考虑扩散问题时,需用到相应的扩散定律和质量守恒定律扩散定律扩散物质在单位时间内沿法线方向n流过单位面积的曲面的质量与物质浓度C(x,y,z,t)沿法线方向n的方向导数C成正比n由扩散定律,扩散物质在时段dt内沿法线方向n流过面积为dS的曲面的质量dm为:dm=D(x,y,z)CdSdtn其中D(x,y,z)为扩散系数,出现负号是由于物质总是由浓度高的一侧向浓度低的一侧渗透任取一封闭曲面Γ,它所围区域记为,则从时刻t到时刻t进入此闭曲面的物质质量为m=∫{∫∫D(x,y,z)tΓtCdS}dtnCC由高斯公式∫∫D(x,y,z)ndS=∫∫∫{x(Dx)y(Dy)z(Dz)}dV,ΓCCm=∫{∫∫∫{ttCCC(D)(D)(D)}dV}dtxxyyzz同时,物质渗透到区域内,使得内部的浓度发生变化,在时间间隔t,t内,浓度由C(x,y,z,t)变化为C(x,y,z,t),增加的物质质量为∫∫∫(C(x,y,z,t)C(x,y,z,t))dV=∫∫∫(∫tttCCdt)dV=∫(∫∫∫dV)dtttt由质量守恒即有∫{∫∫∫{x(Dx)y(Dy)z(Dz)}dV}dt=∫(∫∫∫ttttCCCtCdV)dt于是得到扩散方程CCCC=(D)(D)(D)txxyyzz若扩散系数D(x,y,z)为常数,则扩散方程为CCCC=D()txyz问题四:对于问题四我们仔细分析了模型的优缺点。为更好地研究城市地质环境的演变模式还应收集该地区的每年生活、工业等重要污染源的垃圾排放量以及每年的生物降解量降雨量对重金属元素扩散的影响空气污染也应该考虑进去。有了这些数据以后建立因子分析法回归分析曲线拟合等模型解决问题。五、模型的评价与推广 )本文把所解决的问题归结为优化问题建立的数学模型清晰合理。 )运用MATLAB和LINGO软件处理数据和进行运算降低运算量简单易行有很大的可操作性。且所得数据较为合理可靠。 )运用因子分析模型解题全面可靠。)但在实际运用本方案中还应考虑后来污染因素对模型的影响在应用的过程中根据实际情况进行灵活改变。六、参考文献肖华勇《基于MATLAB和LINGO的数学实验》M西安:西安工业大学出版社()张志涌《精通MATLAB版》M北京:北京航天航空大学出版社()邢文训谢金星《现代优化算法》M北京:清华大学出版社,姜启源谢金星叶俊《数学模型》M北京七、附录附件取样点位置及其所属功能区编号x(m)y(m)海拔(m)功能区功能区生活区工业区山区交通区公园绿地区xlsChart、工业区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区SheetAs(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)区域As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)主要重金属含量土壤单项污染指数区域AsCdCrCuHgNiPbZn综合污染总数污染分级Sheet、生活区、山区、交通区、公园绿地区、工业区xlsChart、交通区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区SheetAs(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)区域As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)主要重金属含量土壤单项污染指数区域AsCdCrCuHgNiPbZn综合污染总数污染分级Sheet、生活区、山区、交通区、公园绿地区、工业区xlsChart、公园绿地区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区SheetAs(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)区域As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)主要重金属含量土壤单项污染指数区域AsCdCrCuHgNiPbZn综合污染总数污染分级Sheet、生活区、山区、交通区、公园绿地区、工业区xlsChart、山区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区SheetAs(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)区域As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)主要重金属含量土壤单项污染指数区域AsCdCrCuHgNiPbZn综合污染总数污染分级Sheet、生活区、山区、交通区、公园绿地区、工业区xlsChart、生活区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区Sheet编号x(m)y(m)海拔(m)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)功能区SheetAs(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)区域As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)As(μgg)Cd(ngg)Cr(μgg)Cu(μgg)Hg(ngg)Ni(μgg)Pb(μgg)Zn(μgg)主要重金属含量土壤单项污染指数区域AsCdCrCuHgNiPbZn综合污染总数污染分级Sheet、生活区、山区、交通区、公园绿地区、工业区

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