摘 要：本文在獲取地表層土壤的主要重金屬污染元素分布數(shù)據(jù)的前提下，根據(jù)實(shí)際土壤中重金屬元素的傳播特性及影響因素，建立了傳播特性微分方程模型，以此可進(jìn)一步確定污染源位置并進(jìn)行污染預(yù)警。

關(guān)鍵詞：重金屬；插值；污染源；微分方程

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類工業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生的重金屬污染對城市環(huán)境質(zhì)量的影響日顯突出。因此，研究人類活動(dòng)影響下城市地質(zhì)環(huán)境的演變模式，日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以某城市地表層土壤的八種主要重金屬元素的分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際土壤中重金屬元素的傳播影響因素，建立傳播特性微分方程模型，以確定污染源及對可能污染區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。

為了分析重金屬污染物的傳播特征，確定污染源的位置，首先分析在土壤中重金屬污染物的傳播方式，繼而分析影響傳播的因素。

重金屬污染物的傳播方式主要有自然傳播和人類活動(dòng)影響傳播兩方面，自然傳播主要指通過土壤中泥沙顆粒的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，人類活動(dòng)影響主要來自大氣的沉降、水體的污染、固體廢物的堆放以及礦產(chǎn)資源的開發(fā)和冶煉等。

大氣的沉降：能源、運(yùn)輸、冶金、建筑等工業(yè)，汽車尾氣的排放及輪胎的磨損，化石能源的燃燒產(chǎn)生的氣體和粉塵含有大量重金屬，這些元素最終通過自然沉降和雨淋沉降融入土壤。經(jīng)查閱資料，煤所含的Cr、Pb、Hg等金屬和石油所含的Hg等元素，其燃燒時(shí)產(chǎn)生的污染物10～30%沉降在排放源十幾公里的范圍內(nèi)。大氣沉降所帶來的污染與城市的人口密集度，工業(yè)發(fā)達(dá)程度，交通的便利程度有直接的關(guān)系，離污染源越近污染程度就越高。

水體的污染：水體的污染主要來源于未經(jīng)處理的生活污水、石油化工污水，工業(yè)廢水、污水灌溉以及滲水坑處理污水的方式。各種污水都不同程度的含有重金屬等污染物質(zhì)，例如，被鉛鋅礦廢水污染的農(nóng)田土壤中含鎘高達(dá)10～136mg/kg。

固體廢物的堆放：固體廢物主要包括工業(yè)固體、化工原料、礦產(chǎn)業(yè)、城市垃圾等廢棄物，其種類繁多，成分復(fù)雜，不同種類其危害方式和污染程度不同，其中礦業(yè)和有毒的工業(yè)固體廢棄物污染最為嚴(yán)重。其污染范圍一般以廢棄堆為中心向四周擴(kuò)散。有一些固體廢棄物被直接或通過加工作為肥料施入土壤，對土壤造成更為嚴(yán)重的污染，并且通過土壤污染地下水，將污染物流向其他地方。

礦產(chǎn)資源的開發(fā)和冶煉：金屬礦山的開采、冶煉、重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆放等，可以被酸溶出含重金屬離子的礦山酸性廢水，隨著礦山排水和降雨使之帶入水環(huán)境（如河流等）或直接進(jìn)入土壤，都可以間接或直接地造成土壤重金屬污染，其污染特性是隨著污染源距離延長而逐漸降低。

由于土壤中重金屬元素的擴(kuò)散傳播是最基本的的傳播方式，所以在本文分析中主要考慮土壤中擴(kuò)散因素。

以某城市地表層土壤的八種主要重金屬元素的實(shí)測分布數(shù)據(jù)，利用不規(guī)則數(shù)據(jù)的二元函數(shù)插值可以繪制出八種重金屬元素在研究區(qū)內(nèi)的二維空間分布圖，得出每種重金屬污染元素的污染程度，同時(shí)得到濃度最高值點(diǎn)。但由于土壤對重金屬元素的擴(kuò)散傳播特性及土壤表層植被和微生物的降解能力，結(jié)合實(shí)際地況的影響，可能導(dǎo)致污染源所在點(diǎn)的污染濃度積累值在一定區(qū)域范圍內(nèi)不是最大值，例如圖1所示，若兩個(gè)污染源點(diǎn)處于鞍形地形的峰值點(diǎn)，如圖1中A、B點(diǎn)處，則受地理環(huán)境的影響，土壤顆粒及土壤中的水分受重力影響經(jīng)一定時(shí)間的積累后，會(huì)攜帶重金屬元素向海拔低處遷移，致使鞍點(diǎn)處最終可能達(dá)到此地理區(qū)域內(nèi)的濃度最大值，如圖中C點(diǎn)處。即經(jīng)過理論分析得到污染濃度最大值點(diǎn)不一定是污染源點(diǎn)。

結(jié)論：由于重金屬元素污染濃度是隨時(shí)間變化的值，根據(jù)污染源點(diǎn)的特性可分析得污染濃度隨時(shí)間變化量最大處即為污染源點(diǎn)。下面對重金屬污染傳播特性建立微分方程模型。

1 條件假設(shè)

4 改進(jìn)模型

式1所示模型的缺點(diǎn)是模型分析過于簡單，受已知數(shù)據(jù)的限制，模型中僅考慮了土壤中重金屬元素的擴(kuò)散傳播，沒有考慮以下方面：生物、植被的影響；土壤性質(zhì)差異對傳播特性的影響；土壤中水流量的影響；各類區(qū)域間的地理位置關(guān)系；采樣點(diǎn)的采樣誤差等。在模型的求解時(shí)，還將擴(kuò)散系數(shù)視為等值。使得求解值與實(shí)際值有一定誤差。

為優(yōu)化模型，需要收集以下信息：

（1）第i種重金屬元素在第j個(gè)采樣點(diǎn)的土壤顆粒性質(zhì)差異對傳播特性的影響因數(shù)Kij

（2）各類區(qū)域間的地理位置關(guān)系影響因子Kr

（3）土壤水流量影響因子Kv

作者簡介

魏西媛（1979-），女，講師，碩士，西安外事學(xué)院工學(xué)院。