5.2问题二

5.2.1初步分析

通过问题一中对于重金属污染的数据表3和表5，我们分别从横向和纵向进行分析，找出重金属污染的主要原因。

I.横向比较

横向比较五类综合污染指数，可以清晰地看出，工业区所占比例明显高出其他四类区域，交通区次之，生活区和公园绿化区持平居后，山区的污染程度最轻。这说明工业污染导致重金属污染的成分最重，交通区主要以排放的污染气体为主，被污染的大气长期滞留，这样就会污染到土壤表层。对于生活区和公园绿化区，分析得知，他们的日常生活基本一致，然而公园绿化区的污染程度要比生活区稍轻一些，这根实际情况是相吻合的。下图给出了五类区的污染指数所占比例：

11

11.04.74(.68A.52%6.02%生活区工业区山区交通区公园绿地区 图9 五类区域综合污染指数所占比例 横向分析可以看出，工业区的综合指数最高，这与实际规律相符，说明工业区周围的治理污染工作还不到位，横向主要原因为工业污染。 II.纵向比较

纵向比较污染程度最严重的区域（工业区），分析8种重金属的单因子指数，这样可以明显找出导致污染的主要因素。

2018.353单因子污染指数151052.01433.02391.72290AsCdCrCuHgNiPbZn

9.66183.00134.02791.6107图10 工业区单因子污染指数

由图10可以看出Hg的污染指数最高，工业区土壤中Hg明显富集，这与工业区的Hg元素及含Hg的化合物渗透土壤的污染物比较多，下面我们采用主成分分析法进行污染物的主要原因的确定。 5.2.2主成分分析

先利用问题一处理的结果，建立五个区域和八种元素的五行八列的单因子矩阵X

?1.74 2.23 2.23 3.74 2.66 1.49 2.23 3.43???2.01 3.02 1.72 9.66 18.35 1.61 3.00 4.03??X??1.12 1.17 1.26 1.31 1.17 1.26 1.18 1.06?

???1.59 2.77 1.87 4.71 12.77 1.43 2.05 3.52??1.74 2.16 1.41 2.29 3.29 1.24 1.96 2.24???然后利用matlab计算X的相关系数方阵R

12

?1.0000 0.8653 0.5007 0.7657 0.6219 0.6915 0.9526 0.8463 ????0.8653 1.0000 0.5436 0.8370 0.8562 0.7618 0.9003 0.9445 ??0.5007 0.5436 1.0000 0.3572 0.2214 0.6873 0.5247 0.7664 ????0.7657 0.8370 0.3572 1.0000 0.9245 0.8978 0.9187 0.8249 ? R????0.6219 0.8562 0.2214 0.9245 1.0000 0.7542 0.7807 0.7594 ??0.6915 0.7618 0.6873 0.8978 0.7542 1.0000 0.8606 0.8892 ???0.9526 0.9003 0.5247 0.9187 0.7807 0.8606 1.0000 0.9085 ???0.8463 0.9445 0.7664 0.8249 0.7594 0.8892 0.9085 1.0000 ???其中rij为R中i行j列的元素，其计算公式为

rij???xk?1nki?xixkj?xj????

2??xk?1nki?xi???x2k?1nkj?xj由此公式可以知道rij?rji，然后计算上述方阵的特征值?，令?I?R?0，由matlab计算结果为：

然后进行排序?1??2?????p?0，这样得到特征向量ei，?eij?1得到贡献率：

2j?1p?i??k?1p，累计贡献率：?i?k'????k?1k?1pik，利用matlab计算结果见下表：(表6)

k表6 特征值、贡献率、累计贡献率

?1 ?2

0.9437 0.1180 0.9149

?3 0.4392 0.0549 0.9698

?4

0.2415 0.0302 1.0000

?5 0.0000 0.0000 1.0000

?6 0.0000 0.0000 1.0000

?7 0.0000 0.0000 1.0000

?8 0.0000 0.0000 1.0000

特征值 6.3757 贡献率 0.7970 累计贡

0.7970

献率 0.1519 0.4885 -0.2844 -0.0309 -0.3643 0.5209 -0.4955 -0.0829

0.3559 -0.1233 0.1362 -0.5368 0.5061 0.2952 -0.0429 -0.4541 0.4057 -0.1868 0.2751 0.5147 0.1305 -0.2610 -0.5994 -0.1248

表7 特征向量 -0.2072 -0.2221 0.4426 0.5757 0.2991 0.1234 0.2521 -0.3149 -0.1097 0.3837 -0.1244 -0.4283 0.2553 -0.3274 -0.7180 0.2589

13

-0.6861

-0.1959 0.1804 0.2269 0.3307 0.4779 -0.2628 0.0053 0.0121 -0.0681 0.7914 -0.3107 -0.4619 0.1182 -0.0680 0.2011 0.3500 0.3755 0.2476 0.3678 0.3349 0.3635 0.3839 0.3851

取累计贡献率达85%—95%的特征值?1,?2???m所对应的第一、第二?第

m?m?p?的主成分，那么就得到主成分有三个，分别为第一主成分F1第二主成分F2第

三主成分F3:

F1?0.3851x1?0.2011x2?0.00538x3?0.25894x4?0.7180x5?0.1248x6?0.4541x7?0.0829x8F2?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

由此确定污染主要原因为：工业区Hg、Cu，交通区As、Hg，生活区Cu，分别为重金属污染的主要原因。 5.3问题三

5.3.1重金属污染物的传播特征

对于重金属污染物的空间分布，结合数据的变化情况，我们首先从几个侧面分析污染物的传播特征，然后根据最速下降法进行方向追踪污染源的位置。

我们整合了题目给的附表一和附表二的数据，建立了表一（见附录），有数据直观分析出，从平面角度：以污染物浓度较高的地理位置一圆心扩散，从区域划分角度：工业区交通区生活区公园绿化区山区。然而，值得注意的是，从元素的种类上分析时，我们发现，对于某些重金属不会扩散，也就是说，其在土壤的稳定性很强，在一定时期内不会传播，那么我们在确定传染源的时候，就进行模糊聚类，将一些传播明显的元素进行梯度分析，进而得到最速下降最快的方向，也就得到了污染源的位置。

5.3.2土壤重金属污染来源介绍

土壤中重金属元素主要有自然来源和人为干扰输入两种途径。[3]在自然因素中，成土母质和成土过程对土壤重金属含量的影响很大。在各种人为因素中，则主要包括工业和交通等来源引起的土壤重金属污染。以下主要就受人为作用影响的土壤重金属污染来源进行介绍。

1、不同工矿企业对重金属积累的影响

工业过程中广泛使用重金属元素，工矿企业将未经严格处理的废水直接排放，使得它们周围的土壤容易富集高含量的有毒重金属。企业排放的烟尘、废气中也含有重金属，并最终通过自然沉降和雨淋沉降进入土壤。矿业和工业固体废弃物在堆放或处理过程中，由于日晒、雨淋、水洗等，重金属极易移动，以辐射状、漏斗状向周围土壤扩散，固体废弃物也可以通过风的传播而使污染范围扩大。

2、交通运输对土壤重金属污染的影响

道路两侧土壤中的污染物主要来自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的沉降，而污染元素则主要为Pb、Cu、Zn等元素。它们一般以道路为中心成条带状分布，强度因距离公路、铁路、城市以及交通量的大小有明显的差异。

5.3.3定污染源的位置

首先，根据附件，使用MATLB软件得到城区区域分布图（图11）

14