2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛

承 诺 书

我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.

我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。

我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。

我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。

我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： A 我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）： 13212002

所属学校（请填写完整的全名）： 湖北师范学院 参赛队员 (打印并签名) ：1. 易汀涓 2. 刘慧娜 3. 李端君 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： 陈琴

日期： 2011 年 9 月 12 日

赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛

编 号 专 用 页

评 阅 人 评 分 备 注 赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：

全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：

全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：

城市表层土壤重金属污染分析

摘要

本文就重金属在某城市五类区域的浓度分布，利用Surfer软件绘出了八种重金属在该城区的分布图，我们保持单一变量法，对每种元素在整个区域的分布情况，利用会等高线思想汇出图1至图8。

1m问题一根据单因子指数Pi??Ci/Si和内梅罗指数P综?mi?1?1n?2??Pi???maxPi??ni?1?22（Ci和Si分别表示污染物的测量值和背景值）确定五个城区的金属污染程度。并利用

?i??i??i?15（?i?iPmax表示每种污染物的相对重要性比值，?i为各评价指标权重）对内Pi梅罗指数进行了加权平均修正，得出：

区域名称 修正综合污染指数 污染等级 生活区 2.569 中度污染 工业区 8.374 重度污染 山区 1.214 轻度污染 交通区 5.784 重度污染 公园绿地区 2.227 中度污染

在问题二中，本文先进行横纵比较，初步得工业区Hg的污染程度最严重，然后建立主成分分析模型，利用模型一中的单因子指数，建立矩阵，利用matlab进行处理后，得到相关系数矩阵，计算的八个特征值分别为：6.3757，0.9437，0.4392，0.2415，0，0，0，0。据累计贡献率得出三个主成分，由此确定工业区Hg、Cu，交通区As、Hg，生活区Cu为重金属污染的主要原因。

问题三从三个侧面进行数据分析，判断重金属污染物的三个传播特征：以污染源为圆心逐步向外扩散;以工业区为主要传播重心，随以重金属富集明显的路径进行传播;某些重金属不会扩散，其在土壤的稳定性很强，在一定时期内不会传播。参考地震源的位置确定采用Geiger定位方法，考虑单一污染物的浓度分布情况，利用Inglada方法进行初值的计算得

?xi?x0?2??yi?y0?2??zi?z0?2??xj?x0?2??yj?y0?2??zj?z0?2?Cj?C0??Ci?C0?CiC0分别为观测点、（?x0,y0,z0?和?xi,yi,zi?分别为污染源、观测点坐标，污染源浓度）。

利用Geiger方法迭代校正，确定Cu污染源位置在0?x0?2454,987?y0?1570的范围。 在问题四中，我们充分考虑了模型三的静态特征，还应该收集土壤的固相、液相、

气相和PH值以及重金属元素的毒理性的相关信息。此外，我们还化静态为动态加入时间参变量，提高了模型三的准确度。整合以上信息，可以利用差分方程建立模型求解。

关键词：单因子指数 内梅罗指数 主成分分析法 Geiger定位法 Inglada方法

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一、问题重述

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1类区、2类区、??、5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1公里左右的网格子区域，按照每平方公里1个采样点对表层土（0~10 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2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1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2列出了8种主要重金属元素在采样点处的浓度，附件3列出了8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：

(1) 给出8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。

(2) 通过数据分析，说明重金属污染的主要原因。

(3) 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。

(4) 分析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、问题分析

本问题是关于环境生物和地址学相结合的模型问题，附件给出了区域、采样点的坐标位置、海拔以及污染物浓度一系列的数据。四个问题从不同的侧面要求我们讨论污染程度、主要原因、传播特征以及污染源的位置确定，最终是希望我们客观全面的研究地质环境的演变模式，从而有效地解决环境污染问题。

问题一：基于附件1中采样点的位置和附件2中8中重金属元素在各个区域内的分布情况，运用surfer软件绘出下列8个等浓度图。考虑重金属在该城区的空间分布情况时，我们针对每种元素对不同的5个区域进行了绘制，在分析该城区重金属的污染程度时，我们针对每类区域的8种重金属的浓度，采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法进行污染程度的分析。并且在此基础上，我们对内梅罗指数进行了修正，得出比较客观的修正值，让结果变得更加准确。

问题二：首先进行横向比较和纵向比较，初步进行直观判断，然后进行主成分分析，得出三个主成分，和初步分析的结果基本吻合。

问题三：分别从不同侧面进行分析，即：纵横坐标、海拔、区域以及重金属污染物固有的一些特性，然后跟确定地震源的确定方法进行比较和借鉴，我们采用了经典的Geiger定位法，并且还运用Inglada方法进行初值的计算。然后再用Geiger进行迭代校

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