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摘要：伴随社会的变迁、经济的增长，现代社会也变得更加关心环境污染，保护城市生态自然环境也变成一大难题，引起了广泛的关注。在环境保护及污染控制领域的众多研究方向，研究重金属在土壤表层上的污染源追踪及扩散则显得尤为迫切。基于此，本文从城市地质出发，主要研究了重金属在表层土壤当中的有关扩散知识，希望能有所帮助环保工作及污染监控。
关键词：表层土壤；现代城市；重金属扩散
在城市人口数急剧增长的背景下，人类活动也越来越频繁，并且愈发明显地影响着市内环境。其中调查研究市内土壤表层地质异常和评价环境质量的研究引起了广泛的关注。通过分析土壤异常地质条件可知，主要的影响因素就是重金属污染。所以，通过研究土壤重金属，既可知晓土壤污染情况，又可明确生态环境现状。目前，针对重金属空间分布和影响程度的研究，主要通过一定的模型，来明确重金属的扩散传播规律，并进一步找出污染源，帮助现代城市更好地治理环境污染问题。
一、重金属的基本扩散特点
在表层土壤当中，重金属污染指的就是因为人类的活动，有害的微量重金属元素在土壤当中的实际含量在背景值以上，并且过量沉积而造成含量过高的污染。针对城市土壤，汞、镉、铅、铬、砷以及有毒的镍、铜、锌就是主要的污染重金属。通常来说，重金属很难随水淋滤，微生物也难以分解，但是却会吸附到表层土壤胶体、被微生物、植物进行吸收。所以，一旦重金属污染到土壤，并进一步迁移转化，就难以从土壤中完全消除掉。以下说明几种常见危害极大重金属的基本扩散特点：
汞：汞元素其实无毒，但汞的化合物却剧毒。在土壤中，通过氧化还原汞，可挥发到大气中，然后植物会从根系、叶片上加以吸收。而伴随土壤的不断温升，挥发速度也会更快。在土壤中存在的胶体，会强烈地离子交换、物理吸附汞，进而迫使汞等微量重金属，经由污染水体逐步转入固相土壤。其中的二甲基汞极易挥发，所以土壤胶体很少吸附，所以二甲基汞常常发生气、水迁移活动。
镉：作为有光泽的银白色金属之一，镉产生的生物毒性，就如同大部分重金属一样和抑制酶相关。镉中毒一般经由消化、呼吸道，吸入含镉的食物、水、空气造成的。这种镉污染一般源自铜、锌、铅的采矿矿山及工业冶炼废水、废渣、尘埃、废水、农用磷肥等。但土壤往往会强吸附镉，所以一般不会再向下迁移，常常在土壤表层积累。通常在降水时，表层土壤中的镉，有一些可溶态就会随水出现水平迁移，而融入界面土壤或河流、湖泊，而引起次生污染。同时，植物还会很好地吸收土壤中的镉，且镉污染的环境容量要远小于铅、铜等。
铅：作为质软的银灰色重金属之一，铅在土壤中的污染，一般源于大气污染中沉降下来的铅及工业排放的“三废”铅，往往通过介质水、空气等引起二次污染。当植物从土壤溶液中吸收可溶性铅后，一般会累积在根部，并且很少转移至茎叶、种子中。除了植物根系能从土壤吸收铅外，而叶片气孔也能从污染的空气中吸收铅。
铬：铬在土壤中的污染具有广泛的来源，如工业“三废”、铁、铬、酸洗、电镀、燃煤、施用污泥、污水灌溉等。当土壤中进入铬后，一般会残留累积到表层土壤。但在土壤中铬往往难溶且植物也不能吸收利用，所以铬很少生物迁移。
砷：通过食物、大气、水等，砷及其化合物进入人体后，便会危害人们的健康。砷一般源于工业制造、农药使用、燃烧煤等。同时，开采、冶炼砷及含砷金属，以砷及其化合物为生产原料的工艺过程，也会排放含砷的废渣、废水、废气，而污染到环境。
二、建立重金属在土壤中的扩散模型、明确污染源
1、假设
不计海拔影响重金属传播的情况，以位置（x，y）基础下的二元函N（x，y）来表示重金属在表层土壤中的浓度值，且位置改变后，重金属也会更改浓度值。在表层土壤，视污染源为点污染源，且污染物在相等时间内会同等释放一定的重金属量。假设表层土壤就是均匀的各向同性介质。在接近污染源的地方，忽视自然界影响，独立扩散重金属，彼此并不影响。在污染源周围，忽视重力、阻力带来的影响，仅分析重金属浓度梯度造成的扩散。
2、建立模型并求解
在土壤表层，重金属被吸附在微粒上，并逐步扩散传播。据重金属等浓度分析可知，五种重金属的高浓度点，在附近都以同心圆扩散，所以污染物浓度会明显影响扩散。而在低浓度位置，重金属的扩散不成规律，所以浓度不再影响扩散。
（1）基于matlab处理下拟合的三维数据模型1
通过多项式三次插值法cubic，依次拟合五种重金属的浓度数据，并通过拟合函数，计算极大值，从而提供给污染物的可能来源确定的依据。
（2）纯扩散模型2
首先，导出方程：按扩散、质量守恒基本定律，从土壤表层上，随机选择含有污染源的闭合曲面，计包围区域是Ω，从t1~t2次闭曲面流进的所有污染物的具体质量
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式中，D（x．y，z）—某污染物的实际传播系数；N—污染物浓度。根据质量守恒基本定律，得
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假如N函数和变量x，y，z之间存在连续二阶偏导数，与t之间存在连续一阶偏导数。根据格林公式，假如土壤表层均匀，则
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（1）
其次，探讨定解条件。当t=0，污染物在污染源的浓度为N0，且其他地方的污染物具有零浓度。所以扩散方程（1）的初始条件就是
t=0；N（x。y，z，0）=N0δ（x-x0，y-y0，z-z0）
又由于污染物能够到达很大的区域，需要明确的就是在短时、小区间内，改变污染物浓度的状况。所以，可以通过柯西问题来表示该定解问题，也即在时间t下，有
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然后，求方程的解。通过傅里叶变换、次化原理，得定解（柯西）问题等式
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（2）
再按叠加原理，得到解
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再次，适当简化模型。通过简化模型得
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（3）
即当t=0时，污染物在污染源的浓度是N0，而当t＞0时，污染源将不会继续放出污染物。
最后，检验模型。以As为例，展开检验工作。为了吻合模型假设，选择最浓As点周围的点来检验模型。选点标准：实测浓度n＞5；横纵坐标：16000m<x<20000m，8000m＜y＜12000m。最后一共选了10个点。
假设点的z、t值均一样，并对式（3）两端分别取对数，按最小二乘法展开线性回归，便得N最大值时的（x，y），就是（18102，10066）。相较于模型1拟合出的（18200，10100），具有（98，34）的误差。（单位m）
所以，通过模型1、2，得出的浓度最大点坐标相差值在1200m以下，位于允许范围，也即两个模型结果一致，很好地验证了它们的合理性。
三、结语
总之，在新时代下，城市污染问题日趋严重。其中重金属污染土壤的现象存在滞后性、长期性、隐蔽性，因此没有引起应有的重视。为了分析城市内重金属的污染情况，常常会通过建立模型，来确定污染源位置，得出重金属在土壤表层的具体扩散情况。这么一来，还可以客观地评价城市污染现象，正确指导防治重金属污染的工作，还市民一个健康、安全宜居环境。
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