基于ArcGIS和ArcScene的污染場地土壤鉻三維空間格局研究

方 敦

(1.湖北民族學院 科技學院，湖北 恩施 445000；2.北京鼎實環(huán)境工程有限公司，北京 100029)

基于ArcGIS和ArcScene的污染場地土壤鉻三維空間格局研究

方 敦

(1.湖北民族學院 科技學院，湖北 恩施 445000；2.北京鼎實環(huán)境工程有限公司，北京 100029)

以某鉻污染場地為例，結(jié)合場地屬性數(shù)據(jù)，開展了基于ArcGIS反距離加權(quán)(IDW)插值法和三維場景工具ArcScene的場地土壤鉻(Cr)污染空間格局分析.反距離插值分析表明：場地污染物Cr主要集中在第一、二層土壤中，污染物橫向分布表現(xiàn)為中部高四周低，縱向污染范圍由第一層至第三層呈現(xiàn)急劇縮減的整體空間分布特征，污染物Cr在場地中的空間分布與原廠工藝布局關(guān)聯(lián)度較高；三維場景工具ArcScene實現(xiàn)了場地Cr污染土壤空間實體的3D可視化表達，增強了場地評價成果的直觀性.

污染場地；空間分析；重金屬； ArcGIS；土壤

污染場地是社會經(jīng)濟發(fā)展和發(fā)展理念落后環(huán)境管理不足的產(chǎn)物.過去“先污染后治理”發(fā)展模式在全球范圍內(nèi)的流行造成了眾多工業(yè)場地的土壤和地下水污染，污染類型包括重金屬污染、有機污染(POPs和VOCs)、核污染等[1]，污染物在場地土壤空間中的隱蔽性和異質(zhì)性存在特征[2]，使得其再開發(fā)利用具有潛在的人群健康和環(huán)境安全風險.

城市工業(yè)污染場地再開發(fā)利用問題在全球范圍內(nèi)的備受關(guān)注，使得與污染場地相關(guān)的政策法律、質(zhì)量和風險評估及修復技術(shù)研究已成為當前環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點.為解決由污染場地再利用而引發(fā)的一系列環(huán)境問題，不同研究者從與污染場地相關(guān)的各個層面如制度起因[3]，環(huán)境管理標準[4]，再開發(fā)環(huán)境評估[5-6]以及污染場地土壤修復技術(shù)[7-9]等進行了深入研究.

污染場地環(huán)境評估是污染場地再開發(fā)利用管理的基礎(chǔ)性工作，場地再開發(fā)過程的環(huán)境安全性以準確評價場地污染物的空間分布格局為前提，場地土壤污染問題在本質(zhì)上是污染物在三維空間的分布問題，污染物空間分布的三維可視化(3D Visualization)研究顯得尤為必要，因此，如何有效利用科學可靠的技術(shù)手段查清污染物在場地土壤空間的污染程度和立體空間分布格局是確保污染場地再利用環(huán)境安全性和經(jīng)濟合理性的關(guān)鍵.

基于此，本文將以某鉻污染場地為例，對場地土壤鉻開展基于ArcGIS和ArcScene的三維空間格局研究，以期為污染場地再利用環(huán)境管理提供更為準確、直觀的空間格局分析思路.

圖1 場地土壤采樣點分布圖

1 材料和方法

1.1 樣品采集

研究場地為北方某鉻鹽生產(chǎn)企業(yè)退役場地，原企業(yè)歷史上均采用鈣焙燒法生產(chǎn)紅礬鈉.布點以原廠歷史沿革、工藝布局和地層條件為參考，采用專業(yè)判斷和系統(tǒng)布點相結(jié)合的方法，第一階段在具有最大污染可能性的車間中心區(qū)域設(shè)置采樣點，第二階段對整個研究區(qū)域劃分30 m×30 m(遇場內(nèi)水泥道路時適當偏移)網(wǎng)格進行系統(tǒng)網(wǎng)格布點并根據(jù)第一階段樣品測試結(jié)果對重點區(qū)域適當加密，研究場地區(qū)域共設(shè)置水平土壤采樣點27個，編號為S1-S27，采樣點分布如圖1所示.采樣放點采用高斯-克呂格(Gauss-Kruger)投影全站儀進行采樣點坐標定位，采樣過程中每個定深度采樣后對鉆頭徹底清洗，樣品于帶聚四氟乙烯密封墊的玻璃瓶中4℃下保存.

1.2 分析測試

采集樣品經(jīng)前處理風干、磨細過篩(100目)后待用.土樣經(jīng)消解后總鉻測試Cr按文獻[10]操作規(guī)程采用感耦等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)進行，分析測試過程質(zhì)量控制手段包括隨機抽樣平行測試、全程序空白測試及樣品加標回收率測定.

1.3 空間分析

1.3.1 2D空間分析 空間分析是地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)的重要功能，可提取和傳輸空間信息.污染場地在理論上可認為是具有漸變特征的連續(xù)空間，對場地污染物的鉻含量屬性數(shù)據(jù)可采用空間內(nèi)插法進行空間分析并采用連續(xù)的空間漸變模型來實現(xiàn).污染物含量的空間分布同時具有隨機性和內(nèi)部相似性，隨機性因素可由系統(tǒng)性采樣點對區(qū)域總體特征的代表性而最大限度的在樣本數(shù)據(jù)中得以體現(xiàn)，因此，空間分析主要應解決的污染場地區(qū)域變量數(shù)據(jù)的內(nèi)部相似性問題.反距離加權(quán)插值法(Inverse Distance Weighted Interpolation,IDW)是一種確定性的精確性插值方法，認為鄰近區(qū)域的預測值與樣本觀測值的影響關(guān)系隨距離增大而減小[11]，可用以研究區(qū)域空間的內(nèi)部相似性，其預測模型如下式所示[12].基于以上分析，本文應用ArcGIS 9.3空間分析模塊中的IDW工具對研究場地污染物進行空間插值分析，分析流程如圖2所示.

其中：Z(x0)為未知樣點預測值；Zi為x0周邊已知樣點值；di為兩樣點間距；n為用以預測的周邊已知樣點的數(shù)目.

1.3.2 3D可視化 查清污染物在場地中的空間分布格局后對場地污染程度和修復范圍作出合理評判是場地評估的基本任務，評估成果在準確的基礎(chǔ)上盡可能做到具體和直觀是場地評價的內(nèi)在要求.

場地評估中評估結(jié)果3D可視化的目的是準確的反映污染物在場地三維空間的超標情況并直觀地展示需修復土體的空間情景.ArcGIS具有二維數(shù)據(jù)三維結(jié)構(gòu)現(xiàn)實功能，并依賴于3D Analyst模塊在三維場景工具ArcScene中實現(xiàn).本文利用2D空間分析中以土壤CCr≤190 mg/kg為標準[13]對插值生成的柵格表面進行柵格計算后通過3D Analyst模塊中的conversion(Raster to TIN和Raster to Features等)工具將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量要素，將各層矢量數(shù)據(jù)和場地TIN表面疊加后利用Extrusion功能實現(xiàn)研究場地超標待修復土體的空間情景表達，3D可視化表達流程如圖2所示.

圖2 場地空間分析流程

2 結(jié)果與分析

2.1 鉻的空間分布

污染物Cr在整個場地中的分布具有結(jié)構(gòu)性，但在特定樣點位置又表現(xiàn)為具有一般隨機變量的特征，這種結(jié)構(gòu)性和隨機性主要表現(xiàn)為污染物Cr含量的水平和垂直分異.

場地污染物Cr的IDW插值空間分布如圖3～5所示.從空間分布可知：研究場地土壤0～5.0 m之間均存在Cr污染，污染物Cr集中分布在第一和第二土層中，第三層污染范圍和程度最小，場地主要污染深度范圍為0～3.0 m之間，垂向污染呈現(xiàn)由上至下逐漸縮小的空間分布特征，場地土壤污染范圍分層疊加空間分布(圖6)更直觀地體現(xiàn)Cr在場地中的這種層間空間分布特征；污染物Cr在場地中的空間分布與原場地企業(yè)工藝布局的空間分布具有較好的符合性，污染物集中分布在污染較重的工段周圍.同時，第三層Cr空間分布(圖5)與第一、二層(圖3、圖4)相比，其污染范圍分布差異顯著，表明第三層土壤Cr含量在土壤污染的意義上來說在垂向上已脫離了研究場地垂向污染范圍自相關(guān)的結(jié)構(gòu)性特征，亦即場地空間分層統(tǒng)計有其必要性.

圖3 場地第一層土壤Cr空間分布

圖4 場地第二層土壤Cr空間分布

圖5 場地第三層土壤Cr空間分布

圖6 場地土壤修復范圍分層疊加空間分布

場地地勢由東南向西北傾斜，在降雨沖刷作用下將Cr運移至場地西北面致使整個場地第一層在長期沖刷和淋溶作用下被嚴重污染；圖4、5顯示，場地第二、第三層污染范圍和程度有較大幅度的縮小，第三層除鉻渣堆場1(S7)以外均未受到污染，這與場地土壤性質(zhì)、pH、及Cr的特性有關(guān)[14-16]，是土壤pH、土壤膠體電負性對六價鉻負離子的向下遷移推動作用、降雨淋溶作用、土壤有機質(zhì)對三價鉻和六價鉻的吸附、還原吸附共同作用的結(jié)果.

圖7 場地污染土體修復空間3D可視化表達

2.2 3D可視化表達

污染土方實體空間的三維性的3D可視化表達是實現(xiàn)評估成果直觀化的重要途徑.在修復實踐中，分清污染物的平面分布范圍和垂向遷移深度是修復工作有效推進的前提條件，因此，層次分明、界限清晰是土壤修復實踐對污染場地空間格局分布3D可視化表達的必然要求.本文針對研究場地2D空間分析數(shù)據(jù)，根據(jù)3D可視化表達流程在三維場景工具ArcScene中實現(xiàn).場地污染土體修復空間立體圖，如圖7(上)所示，修復空間立體圖從污染土方實體的水平和垂向空間分布按修復層次及深度實現(xiàn)了待修復土方的3D可視化表達.污染土方修復空間透視圖(圖7下)由污染土方修復空間立體圖經(jīng)透視處理得到，對三維空間內(nèi)部情景和界限實現(xiàn)了3D表達.與二維平面圖相比三維圖中可更清晰地看出各層土壤需修復的范圍及其變化趨勢.

3 結(jié)語

土壤作為不可或缺的環(huán)境資源，其環(huán)境問題不僅制約我國城市化進程而且有嚴重環(huán)境問題的土壤具有影響水環(huán)境安全、糧食安全和生態(tài)安全的潛在可能性.本文研究在基于反距離插值實現(xiàn)土壤鉻污染物平面二維空間分析的基礎(chǔ)上嘗試利用GIS ArcSence平臺實現(xiàn)修復土體空間格局的3D可視化表達是對修復空間實體性表達的有益嘗試.需要指出的是本文3D實體只是污染土體三維性的直觀表達，在修復實踐中可通過新建修復邊界角點shape文件后從修復范圍圖層數(shù)據(jù)中提取修復邊界點的坐標進而實現(xiàn)對實體進行準確定位，同時，三維實體的空間插值分析也是3D GIS的研究方向之一.

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責任編輯：時凌

3DSpatialPatternStudyofCrinContaminatedSiteBasedonArcGISandArcScene

FANG Dun

(1.Science and Technology Colleague，Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China; 2.Beijing Dingshi Environmental Engineering Co.,Ltd,Beijing 100029,China)

In this paper, ArcGIS has been used to assess the spatial distribution pattern of chromium (Cr)based on the attribute data of the contaminated site. A GIS based 3D analysis process was proposed,2D spatial analyst and 3D visualization expression of Cr were accomplished by using ArcGIS. Inverse distance weighting (IDW)method was used for the spatial interpolation analysis of soil Cr.The results of IDW showed that Cr pollution was mainly concentrated in the first and second soil layers, and Cr content of the central soil was higher than that of the surrounding soil, and a drastically decrease of Cr pollution range was found from the first layer to the third layer;strong correlation between Cr data spatial distribution and original factory process layout was found. 3D visualization expression of Cr polluted spatial entities was implemented by using ArcScene and visibility of the evaluation results was enhanced.

contaminated site；spatial analyst；heavy metal；ArcGIS；soil

2014-05-05.

國家自然科學基金項目(41261060).

方敦(1986- )，男(土家族)，碩士，主要從事土壤環(huán)境化學、污染場地環(huán)境評估及其治理技術(shù)研究.

X53；X82

A

1008-8423(2014)02-0237-04