污染場地環(huán)境調(diào)查與風(fēng)險評估中的軟件應(yīng)用

何海娥，戴世金 ，諶 磊，胡 青

(1.傲江生態(tài)環(huán)境科技有限公司，上海 200120； 2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城區(qū)企業(yè)“退二進(jìn)三”及“退城進(jìn)園”等相關(guān)政策的實(shí)施，一大批污染較重的工業(yè)企業(yè)將由城市人口稠密的城區(qū)遷往郊區(qū)，或進(jìn)入規(guī)劃工業(yè)園區(qū)。然而，由于原有工業(yè)企業(yè)已進(jìn)行較多的粗放式生產(chǎn)活動，遷出后原場址土地與土壤均可能受到不同程度的污染。若不加強(qiáng)場地環(huán)境調(diào)查、評估與污染治理修復(fù)，原場址土壤中殘留的污染物會影響城市和人居環(huán)境，并通過接觸、呼吸等暴露途徑進(jìn)入人體，危害人身健康[1]。

場地環(huán)境調(diào)查評估人員一般先通過對污染場地進(jìn)行資料搜集、現(xiàn)場踏勘和人員訪談，初步識別出污染場地潛在污染源和潛在污染物，隨后通過現(xiàn)場布點(diǎn)采樣，實(shí)驗(yàn)室分析檢測等手段進(jìn)行污染情況論證[2]。現(xiàn)實(shí)情況下，調(diào)查人員無法將污染場地內(nèi)的每一寸土壤、每一滴地下水全部送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測，此時需要調(diào)查評估人員憑借專業(yè)知識來制定合理有校的調(diào)查方案，選擇合適的點(diǎn)位和深度進(jìn)行樣品采集，并根據(jù)場地污染情況和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行分析檢測[3-4]。通過現(xiàn)場采樣和實(shí)驗(yàn)室檢測，調(diào)查人員可得到大量的土壤及地下水的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，如何應(yīng)用這些點(diǎn)數(shù)據(jù)去判斷整個場地的污染情況，則需要借助專業(yè)軟件進(jìn)行模擬。這些軟件內(nèi)置各種計算模型，可根據(jù)場地特征以及污染參數(shù)特征選擇有效的計算模型，以最大程度還原場地污染情況。目前，已有較多專業(yè)化繪圖軟件應(yīng)用到環(huán)境污染工程領(lǐng)域,如美國Autodesk公司開發(fā)的AutoCAD，美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的ArcMap，Golden Software公司開發(fā)的Surfer與Golden Software Voxler 3.0等。本文將針對場地調(diào)查過程中使用的主要軟件進(jìn)行介紹，并通過實(shí)例研究，比較幾種軟件的特征，為場地調(diào)查與風(fēng)險評估提供參考。

1 Surfer-地下水流向及污染情況模擬

Surfer軟件內(nèi)置多種空間插值模型，包括反距離加權(quán)插值法、克里金插值法、自然鄰點(diǎn)插值法和最近鄰點(diǎn)插值法，不同的插值方法其本質(zhì)上均是通過建模生成充分接近污染物空間分布特征的函數(shù)方程。插值的精準(zhǔn)度取決于對污染物空間變異性的反映。通過對已有的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值獲得點(diǎn)陣數(shù)據(jù)來進(jìn)行圖件繪制，是場地調(diào)查環(huán)節(jié)必備的專業(yè)軟件。調(diào)查人員通常利用surfer軟件完成地下水流向圖，在缺少場地特征參數(shù)的情況下，粗略繪制地下水污染羽，模擬地下水可能的遷移范圍，為補(bǔ)充調(diào)查階段進(jìn)行地下水點(diǎn)位布設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐[5-6]。

Surfer軟件是處理XYZ數(shù)據(jù)的第一選擇，XY代表點(diǎn)位的平面坐標(biāo)，Z可以表征為縱向坐標(biāo)，以此繪制場地地形地貌圖；Z可以表征為地下水水位，以此繪制地下水流向圖；同時，Z也可以表征為地下水某一污染因子的監(jiān)測濃度，以此繪制地下水污染羽。調(diào)查人員在進(jìn)行現(xiàn)場工作時，除了進(jìn)行土壤及地下水樣品采集，還可使用載波相位差分技術(shù) (RTK)和水位計精確獲取點(diǎn)位坐標(biāo)和地下水位，隨后利用surfer軟件繪制場地地下水流向，以便后續(xù)判斷土壤及地下水中污染物的遷移方向。

表1 上海某污染場地地下水調(diào)查數(shù)據(jù)

表1是上海某污染場地的調(diào)查數(shù)據(jù)，其中XY為調(diào)查點(diǎn)位平面坐標(biāo)，Z為地下水穩(wěn)定水位，C為某污染物的濃度。由此數(shù)據(jù)，可利用surfer軟件繪制地下水流向和水位圖如圖1和圖2所示。圖1數(shù)字表示地下水水位，曲線是水位等值線，箭頭方向表示地下水流向，根據(jù)surfer軟件模擬情況可知，地下水自東北向西南方向流動；圖2不同顏色表示不同的污染濃度，根據(jù)左側(cè)圖例可知，深色區(qū)域污染最嚴(yán)重，主要集中在場地南側(cè)。

圖1 利用surfer軟件模擬的地下水流向圖

圖2 利用surfer軟件模擬的地下水污染羽

結(jié)合這兩張surfer圖片可知，場地的污染物主要集中于地下水下游方向，調(diào)查評估人員據(jù)此可模擬出地下水中污染物的大致遷移范圍，操作簡單，輸出的圖片較為直觀，適合大部分污染場地。但是由于surfer軟件插入XYZ數(shù)據(jù)后，無法再次插入其他分量，即調(diào)查評估人員無法通過surfer軟件繪制出三維的地下水污染羽，這就使得surfer軟件也具有一定的局限性。

2 ArcMap-調(diào)查點(diǎn)位布設(shè)及土壤污染物模擬

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)是一門集計算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、地理學(xué)等多門學(xué)科為一體的新興學(xué)科。ArcMap是隸屬于ArcGIS的一個桌面軟件，是二維空間可視化工具，用于編輯、顯示、查詢和分析地圖數(shù)據(jù)，其包含一個復(fù)雜的專業(yè)制圖和編輯系統(tǒng)，既是一個面向?qū)ο蟮木庉嬈?，又是一個完整的數(shù)據(jù)表生成器。在污染場地環(huán)境調(diào)查與風(fēng)險評估領(lǐng)域，其應(yīng)用更為廣泛[4,7]。通常情況下，調(diào)查評估人員使用surfer軟件繪制調(diào)查場地地下水流向和地下水污染羽，由于ArcMap和Surfer軟件內(nèi)置空間插值模型和功能的差異性，ArcMap則應(yīng)用于土壤監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)格布點(diǎn)和土壤污染物模擬。

ArcMap內(nèi)土壤污染預(yù)測模型包括克里金插值法、反距離權(quán)重插值法和泰森多邊形。在使用空間插值模型進(jìn)行污染物空間分布模擬時，應(yīng)充分考慮場地特征與數(shù)據(jù)特征，選擇最合適的空間插值方法。同時ArcMap可以通過創(chuàng)建漁網(wǎng)的方式對調(diào)查場地進(jìn)行網(wǎng)格布點(diǎn)。圖3和圖4是山東某污染場地進(jìn)行調(diào)查評估時采用ArcMap繪制的圖件，當(dāng)調(diào)查評估場地污染不明確時，可通過創(chuàng)建漁網(wǎng)的方式進(jìn)行土壤監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)，漁網(wǎng)的大小根據(jù)土壤用地性質(zhì)進(jìn)行選擇，由于ArcMap自帶地理坐標(biāo)系統(tǒng)，可直接導(dǎo)出土壤點(diǎn)位坐標(biāo)，由此可見ArcMap相較于AutoCAD或Google Earth進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)的優(yōu)勢所在。

圖3 ArcMap網(wǎng)格布點(diǎn)法

圖4 ArcMap中土壤污染物不同的表征方式

由于土壤污染物具有難遷移性，調(diào)查評估人員不能類比地下水直接進(jìn)行空間插值污染物模擬，首先應(yīng)對點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出統(tǒng)計規(guī)律，剔除異常值。ArcMap有多種土壤點(diǎn)污染物濃度的表征方式，包括餅狀圖、柱狀圖和堆疊圖，通過這些圖形可以直觀判斷出土壤點(diǎn)的污染特征，包括污染因子，主要污染物和異常值。如圖5所示為采用泰森多邊形法進(jìn)行土壤污染趨勢進(jìn)行模擬，通過對土壤點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，最終選擇合適的空間插值模型。

ArcMap相較于Surfer軟件存在很多優(yōu)勢，如自帶地理坐標(biāo)系統(tǒng)，自帶風(fēng)向標(biāo)、比例尺和圖例等元素，空間插值模型更為豐富，但是由于ArcMap也是二維空間可視化工具，它和Surfer軟件一樣，無法繪制土壤及地下水污染物三維模型。

圖5 土壤污染趨勢模擬(ArcMap泰森多邊形法)

3 Voxler-污染物三維模擬

(a) 形體渲染、等值面圖、切片圖、豎井渲染圖

(b) 散點(diǎn)圖

Voxler是一款地質(zhì)數(shù)據(jù)勘測軟件，可與多種數(shù)據(jù)格式兼容，操作簡單，功能強(qiáng)大。任何一款模擬軟件，都因其內(nèi)置的空間插值模型完成相應(yīng)功能，Voxler也不例外。Voxler可用于顯示(X，Y，Z，C)數(shù)據(jù)，其中C表示在X，Y和Z位置的變量。相較于Surfer和ArcMap而言，其優(yōu)勢在于可完成土壤及地下水污染物三維模擬，同時根據(jù)土壤及地下水修復(fù)目標(biāo)值計算出修復(fù)方量，為后續(xù)場地修復(fù)的成本預(yù)算和修復(fù)方式選擇提供了依據(jù)[8]。

Voxler軟件繪制三維污染范圍有多種表征方式，如散點(diǎn)圖、形體渲染、表面渲染、等值線圖、等值面圖、高低區(qū)域圖和切片圖，除了繪制每一監(jiān)測點(diǎn)的空間污染情況，還可根據(jù)豎井信息進(jìn)行豎井渲染。根據(jù)場地污染特征和調(diào)查評估人員的要求，可以采用一種表達(dá)方式或是多種表達(dá)方式相結(jié)合，繪制的圖件可以從多個角度進(jìn)行觀察，最終目的是將污染范圍更加直觀、更加美觀的方式呈現(xiàn)。圖6是天津某污染場地使用Voxler軟件繪制的污染物模擬圖，由于采用三維圖片展示，可更為直觀和形象地展示各種污染物的多維度空間分布情況。其繪制的豎井軌跡圖(圖6a)可以更全面反映污染物在場地土壤層中的垂直分布情況,并快速定位污染物濃度超標(biāo)點(diǎn)位及深度范圍。而這是surfer和Arcmap軟件所不具備的。當(dāng)然，由于運(yùn)用Voxler繪制三維圖像需要更多的數(shù)據(jù),該軟件要求在場地調(diào)查階段適當(dāng)提高采樣密度，同時降低采樣間隔，保證采樣點(diǎn)位和每層鉆孔間隔的均勻性。李曉璇等[9]指出，可適當(dāng)增加采樣過程中的土孔數(shù)目，提高每個土孔的采集樣品數(shù)，減小土孔間的距離。另外，在選擇模擬參數(shù)時，應(yīng)先大致分析目標(biāo)場地的污染特征和污染物大致分布情況,在使用Voxler繪制圖像時盡量選擇合適的參數(shù)，提高模擬的準(zhǔn)確性，使污染問題能夠準(zhǔn)確展示出來。

4 結(jié)論

在污染場地調(diào)查評估領(lǐng)域，無論采用何種模擬方式，其目的都是為了獲取準(zhǔn)確的土壤及地下水污染范圍，Surfer、ArcMap和Voxler軟件各有優(yōu)勢，也各有缺失，在進(jìn)行調(diào)查評估時，我們很難通過一種軟件完整的表征出場地污染情況，往往需要多軟件相結(jié)合，在追求模擬結(jié)果逼近真實(shí)情況的同時，也力求圖形更加直觀和美觀。除了選擇正確的模擬軟件外，調(diào)查評估人員必須保證調(diào)查數(shù)據(jù)的有效性，根據(jù)場地特征和數(shù)據(jù)特征，選擇合適的空間插值模型。才能保證最終場地調(diào)查結(jié)果的可靠性，才能作為后續(xù)場地治理修復(fù)的依據(jù)。