基于加密布點優(yōu)化的土壤污染調(diào)查精度研究

鐘 茜，樓 春，林輝斌

(杭州市環(huán)境保護科學研究設計有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引言

土壤污染一般為工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)污染，當土壤中污染物含量過多超過土壤的自凈能力范疇時，就會造成土壤污染。污染物一般可以分為無機污染物和有機污染物，污染類型以無機為主，有機次之，其中復合型污染比重相對較小，常見的土壤污染物有酸、堿、重金屬、某些化合物、農(nóng)藥等。目前我國土壤污染的總體形式比較嚴峻，為了保證人體健康，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須對土壤環(huán)境進行調(diào)查和研究分析，并結(jié)合科學技術的發(fā)展提高土壤污染調(diào)查精度，保證調(diào)查結(jié)果的有效性。

2 材料與方法

2.1 研究地概況

研究地選擇為多個化工企業(yè)和研究所舊址組成的區(qū)域，此前該區(qū)域企業(yè)主要生產(chǎn)的化工類產(chǎn)品為農(nóng)藥，其中As(砷)是主要的農(nóng)藥生產(chǎn)原料之一，As是一種非金屬元素，根據(jù)世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構公布的《致癌物清單初步整理參考》，As和無機As化合物屬于致癌物，其中As化合物均有毒[1]。由于該區(qū)域后續(xù)將建立居民區(qū)，因此按照《環(huán)境保護法》《土地管理法》等法律法規(guī)要求，必須對該區(qū)域的土壤污染情況進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果使用相應的土壤污染治理手段。

2.2 數(shù)據(jù)采集與測定

根據(jù)研究地區(qū)域的地理情況和廠房、辦公樓分布情況，利用該區(qū)域的地形圖確定場地土壤初查點位布設，其中初查點位共有79個，后續(xù)布點數(shù)為100個，共179個樣點。根據(jù)樣點布設的位置與地形圖對照，在每個樣點處進行采樣，采樣方法如下：第一步使用采樣機器在采樣點采集深度為20cm的土壤；第二步使用木鏟對采集的土壤進行剔除篩選，去除石塊、枝葉等雜物；第三步將土壤裝入潔凈的密封袋中妥善保存，完成采樣[2]。

根據(jù)《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測定》(GB-T 22105.2—2008)的砷測定要求，采樣土壤中As的測定方法如下。第一步將采樣的樣品進行加熱消解；第二步向樣品中加入硫脲和硼氫化鉀；第三步將氬氣導入石英原子化器，使其進行原子態(tài)轉(zhuǎn)化；第四步使用熒光光度計對處理后的樣品進行檢測，確定As濃度含量[3]。

2.3 研究方法

2.3.1 土壤污染調(diào)查加密布點方法

本次土壤污染調(diào)查采用加密布點方法，同時，為了解決區(qū)域局部土壤(主要廠房區(qū))污染嚴重的問題，本次使用的調(diào)查方法與污染概率分析相結(jié)合使用。在進行初步調(diào)查布點之后，根據(jù)布點情況進行分析，可以確定是否有某些區(qū)域的土壤污染較為嚴重，如果存在此類區(qū)域，就需要確定該區(qū)域的污染概率，采用的方式是概率制圖方法。本次研究中使用到的概率制圖方法為指示克里格法，這種方法可以用于計算有特異值的數(shù)據(jù)，適用于地質(zhì)統(tǒng)計學中，通過使用指示克里格法進行計算，本次研究地的污染概率取值范圍為0～1，其中污染取值越大則污染超標的可能性越大，也即污染情況越嚴重，污染取值越小則土壤污染指標越小，也即土壤相對更清潔[4]。通過計算分析，在制圖完成后可以獲得污染概率的范圍，之后結(jié)合研究地所在城市的地質(zhì)情況背景劃定閾值，由于研究地不同區(qū)域的土壤污染程度很可能存在較大差異，部分區(qū)域的土壤污染相對更為嚴重，因此可以根據(jù)不同污染程度的區(qū)域確定不同概率的閾值。經(jīng)過對比和誤差分析，可以確定最終閾值為0.2。之后，根據(jù)劃定的污染區(qū)域確定加密區(qū)域，并在其中再次布設點位，其中，由于廠房一般為生產(chǎn)農(nóng)藥等化工品的場所，其與原材料倉庫以及廢料排放區(qū)的污染物含量相對要更高，因此此類區(qū)域需要重點研究，此類區(qū)域應當增加布設點位，具體方法是通過對土壤污染物空間變化的分析，確定樣點位置與污染物變化的關系，結(jié)合土壤污染物含量變化的方向布設樣點[5]。本次土壤污染調(diào)查加密布點方法工作流程如圖1所示。同時，為了對比傳統(tǒng)加密布點方法與本研究中改進的加密布點方法的區(qū)別和最終結(jié)果，使用普通布點方法再次布設一批加密點，并將最終結(jié)果形成對比和分析。

圖1 本次土壤污染調(diào)查加密布點方法工作流程

2.3.2 加密精度分析方法

加密精度分析方法研究參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設用地土壤風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)，為確定本次研究所使用的加密布點方法所獲得的數(shù)據(jù)精度是否符合標準，通過對最終得出的污染區(qū)域范圍的分析來反應其精度。具體方法如下，第一步將土壤污染數(shù)據(jù)進行正態(tài)轉(zhuǎn)換；第二步將半變異函數(shù)進行擬合；第三步對初查點位、普通加密點位、污染概率加密點位和總體點位進行污染區(qū)域預測，方法采用普通克里格法；第四步將預測的污染區(qū)域柵格化，得出污染區(qū)域的面積以及在研究地總面積中的占比[6]。使用到的計算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中Rp是污染概率分區(qū)，Rcv是污染變異系數(shù)分區(qū)，Z(x)是根據(jù)研究地土壤條件所預測的土壤污染物含量，Zc是土壤評價標準，Pt是被污染土壤概率閾值，Ct是清潔土壤概率閾值，CVx是局部變異系數(shù)，CVt是變異系數(shù)閾值[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本次數(shù)據(jù)處理使用到的軟件有GS+7.0軟件、ArcGIS 10.5軟件和SPSS軟件，其中GS+7.0軟件用作研究區(qū)內(nèi)土壤的空間結(jié)構分析，以及加密精度分析時的半變異擬合；ArcGIS 10.5軟件使用Geostatistical Analyst工具，通過其計算所布設的所有樣點以及每個樣點與其相鄰樣點的變異系數(shù)，并在ArcGIS 10.5軟件中完成采樣網(wǎng)格設計和初步調(diào)查樣點設計，以及所有的空間制圖。SPSS軟件用于分析各點位土壤中的As濃度數(shù)據(jù)及其正態(tài)轉(zhuǎn)化，并根據(jù)最終所得出的結(jié)果進行描述性統(tǒng)計[8]。

3 結(jié)果與討論

3.1 加密布點結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)處理中對79個初查點的描述性統(tǒng)計，可以得出所獲取的初查點數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，并且，根據(jù)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可以確定其中的最小值為1.27 mg/kg，最大值為88.45 mg/kg，平均值為14.62 mg/kg。當以As的篩選值(20.00 mg/kg)作為閾值時，通過使用指示克里格方法插值從而獲得污染概率分布圖[9]。如圖2所示，其中圖2a為指示克里格方法預測的污染概率分布情況，圖2b為通過計算所提取的加密區(qū)域。

通過對加密布點結(jié)果的分析，可以得出以下內(nèi)容：①研究地污染較嚴重的區(qū)域主要集中在西北角，污染最嚴重的概率范圍最高接近0.8(污染概率范圍最高不超過1.0)，最低不低于0.4；②以污染最嚴重的區(qū)域為中心，向外逐層污染概率呈依次降低的趨勢，由此可見污染概率較高區(qū)域的土壤對周邊土壤可能也會造成影響，使得周邊土壤被污染但污染概率相對較低[10]；③根據(jù)對圖2a的分析，取擬合效果最好的0.2作為最終閾值，得出圖2b，由圖2b可得污染概率為0.4～0.8的區(qū)域與污染概率為0.2～0.4的區(qū)域整體面積相差不多，但分布情況完全相反，污染概率為0.4～0.8的區(qū)域相對集中，此范圍可以適當增加加密點位設置[11]。

3.2 精度分析結(jié)果及討論

將研究區(qū)中設置的所有的點位的污染數(shù)據(jù)整合，并進行描述性統(tǒng)計，之后將處理后的數(shù)據(jù)進行正態(tài)轉(zhuǎn)換和半方差函數(shù)擬合，然后進行污染區(qū)域預測，使用普通克里格方法。得出污染區(qū)域預測情況后，通過對數(shù)據(jù)的分析利用ArcGIS 10.5軟件確定研究區(qū)污染面積和污染分布情況[12]。研究區(qū)中布置的各點位情況的統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所示。

圖2 污染概率分布

表1 研究區(qū)各點位情況統(tǒng)計分析結(jié)果

根據(jù)對表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，可以得出:①未加密布點、污染概率加密布點和全面布點的半變異函數(shù)(R2)分別為0.74/0.80和0.82，這表明經(jīng)過正態(tài)變換和半方差函數(shù)擬合后的數(shù)據(jù)能呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，數(shù)值符合克里格差值的相關要求；②根據(jù)對普通加密布點和污染概率加密布點兩種布點數(shù)據(jù)中和C0+C的數(shù)據(jù)進行比較，可以得出2種布點方式下的值C0/(C0+C)分別為8.09%和0.15%，由此可見污染概率加密布點方式相比普通加密布點方式得出數(shù)據(jù)的空間相關性更明顯，但整體而言兩者得出的數(shù)據(jù)都具有較強的空間相關性，不過根據(jù)兩者數(shù)據(jù)的比較，可知雖然數(shù)據(jù)的空間相關性較強，但是作用范圍相差不大[13]；③在面積精度數(shù)據(jù)的對比中，可以看出全面布點的情況下污染面積占比為8.57%，而未加密布點的污染面積占比5.44%，由此可見，如果全面布點數(shù)據(jù)能夠代表研究區(qū)土壤的真實污染情況，那么未加密布點所得出的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)將相差3.13%，也即與實際情況存在較大的偏差[14]。

4 不足與展望

4.1 不足與局限

根據(jù)對數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，本文中的研究仍然存在不足與局限，具體內(nèi)容如下：①根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，普通加密布點計算出的污染面積占比相比未加密布點的污染面積占比更小，也即所得出的數(shù)據(jù)不精準，這可能是在計算中因為采用了克里格法的原理，使得布設點位比例增加，從而導致閾值邊緣區(qū)域向清潔區(qū)域偏移，使原本的污染區(qū)域被判定成了清潔區(qū)域，造成研究結(jié)果的不精準；②因為在本次研究中布點是考慮了研究地原本的地理位置和建筑物情況分布等內(nèi)容，在布點時相對主觀性更大，很多布點可能并非是最佳的布點，這在某種程度上也會對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響；③在加密方法布置的點位中，主要是在預測污染較為嚴重的區(qū)域布設，在研究區(qū)邊界處并沒有進行布設，這也導致在最終的結(jié)果分析時無法很好地確定研究區(qū)邊界處的土壤污染情況。

4.2 展望

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，其為社會帶來正向影響的同時，對土地資源的影響也逐漸加大，尤其是在土壤污染方面，土壤污染會間接的導致水污染，一方面對人體健康造成危害，另一方面對農(nóng)作物的綠色無公害會產(chǎn)生一定影響，因此對土壤污染情況進行調(diào)查研究，采取相應的防治措施至關重要[15]。本文所研究的土地污染調(diào)查方法是基于原有的加密布點方法，通過對研究地污染情況的相關了解，加以對污染概率的分析，實現(xiàn)對加密布點方法調(diào)查土壤污染情況的優(yōu)化。根據(jù)對本次研究的相關分析可知其還有很多不足，但整體而言，這種方法能夠較為精準的確定污染超標范圍，在布點上能夠節(jié)約大量成本，并且可以節(jié)省大量的實驗室檢測化驗時間，在一定程度上能對后續(xù)的土壤修復提供幫助。

5 結(jié)語

在土壤污染情況調(diào)查中，加密布點方法是一種比較實用的調(diào)查方法，結(jié)合當前國內(nèi)外關于加密布點的研究和相關實踐經(jīng)驗，以污染概率為導向，根據(jù)調(diào)查地的地質(zhì)環(huán)境資料和歷史變革情況，合理進行加密布點，進一步確定嚴重污染區(qū)域和污染程度。結(jié)合對調(diào)查結(jié)果的相關研究和精度分析，可以準確地確定該地域被污染的情況，并且調(diào)查效率比較高。根據(jù)調(diào)查結(jié)果能夠更好地開展后續(xù)的土壤修復工作，降低土壤污染，使土壤質(zhì)量有顯著提高。