土壤污染調(diào)查加密布點優(yōu)化方法構(gòu)建及驗證路徑探析

柴忠朝

（陜西同元環(huán)境檢測有限公司，陜西 西安 710082）

引言

土壤取樣調(diào)查是獲取土壤污染空間分布信息的主要方法，取樣調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確度對污染風(fēng)險評估的準(zhǔn)確率以及風(fēng)險管理的合理性有很大的影響。土壤污染的監(jiān)測主要由采樣點布設(shè)、樣品采集、污染物含量分析3 部分組成。一般都是以準(zhǔn)確度為主要影響因素，而忽略了采樣與排樣的重要作用。大量的調(diào)查表明，在不同地區(qū)，不同空間的土壤污染存在著明顯的空間變異。在空間變化較大的情況下，樣點布置方案是影響測量精度的關(guān)鍵[1]。

Jenkins 等對土壤中三硝基甲苯的污染進行了研究，發(fā)現(xiàn)樣本的變異程度（統(tǒng)計方差）為95%。其他相似的研究還顯示，由于土壤取樣而產(chǎn)生的不確定性，在污染分析中占50%以上。因此，科學(xué)、合理的土壤取樣與布置方案是保證環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。目前，土壤污染監(jiān)測的布點方式有判斷性取樣和無判斷性取樣，其中判斷性取樣是依據(jù)已有的先驗性知識來設(shè)計取樣布點方案，并增加可能存在的高污染危險區(qū)域的取樣密度；在沒有環(huán)境污染的情況下，必須采用隨機抽樣、均勻網(wǎng)格布點采樣等非判斷性抽樣技術(shù)[2]。因此，傳統(tǒng)的基于整體估算的土壤污染測點定位法，其預(yù)測精度往往達不到評價結(jié)果的要求。利用地統(tǒng)計學(xué)分析技術(shù)提高土壤污染的測量準(zhǔn)確度是當(dāng)前的一個熱點問題，通過對土壤污染的空間分布進行分析，可以有效地提高土壤污染的監(jiān)測效果，但是在實際的土壤污染調(diào)查中，仍應(yīng)用較少。

土壤污染調(diào)查一般分為污染初步調(diào)查和污染詳查，以獲取土壤污染的精確空間分布。本文針對土壤污染調(diào)查的具體要求，提出了一種以污染概率和區(qū)域空間變異為基礎(chǔ)的加密布點方法，以提高其對污染區(qū)域面積、污染程度的估算準(zhǔn)確度，為土壤污染調(diào)查提供方法學(xué)依據(jù)。

1 土壤污染調(diào)查加密布點方法

1.1 加密布點區(qū)域的確定方法

本文采用的土壤污染概率法，對土壤污染的調(diào)查進行了定量評價。污染的可能性在0～1 之間，當(dāng)發(fā)生機率較高時，可以被認(rèn)為是受污染的土地；反之，當(dāng)污染機率較小時，可將其列為清潔土壤[3]。不確定性區(qū)域污染概率值較低的可能原因為：

一是本區(qū)域的污染水平偏低；二是該區(qū)域?qū)儆谑芪廴镜膮^(qū)域，樣本數(shù)量不多。本研究采用局部變異特征法，對其進行深入的探討。在前期調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，對不同區(qū)域的土壤污染物濃度進行了區(qū)域變異（包括變異系數(shù)、方差、自相關(guān)等），當(dāng)區(qū)域變化大時，則說明了其在不同的區(qū)域內(nèi)存在著很大的差異；相反，說明了污染物在空間上的分布差別很小。在具有一定的局部性變異時，一般為污染濃度高值區(qū)到低值區(qū)的過渡區(qū)，其結(jié)果具有很大的不確定性；在變量較少的區(qū)域，一般為高值區(qū)或低值區(qū)，其結(jié)果具有很高的可信度。污染調(diào)查的不確定性區(qū)是由污染概率和局部空間變異系數(shù)決定的，是污染調(diào)查的加密布點[4]。

1.2 不確定性區(qū)域樣點布設(shè)方法

在不確定的區(qū)域樣點布局中，考慮了加密樣本的數(shù)量和樣本的空間位置。其中，不確定度占了最大的加密采樣，在具有高不確定性的區(qū)域，采用加密方式的樣本數(shù)目也比較大；該樣點的空間分布與污染物的空間分布趨勢密切相關(guān)，主要采用趨勢分析法對其進行空間分布，并沿其變化方向設(shè)置加密采樣點。

本文采用加密布點法，其主要目標(biāo)在于改善污染區(qū)域之預(yù)測準(zhǔn)確率。通過這種方式，可以對加密地點進行優(yōu)化，加密地點的數(shù)量減少，加密的效力提高，因此降低了調(diào)查成本，并確保了調(diào)查的精確度。

2 加密布點方法案例驗證

2.1 案例區(qū)概況

該案例資料來自于一個被重金屬污染的現(xiàn)場，其占地面積為14.50 km2。平均采樣距離200 m，在一些高污染地區(qū)，采樣量有所增加，共359 個。通過土壤污染狀況調(diào)查，發(fā)現(xiàn)重金屬銅、鉛、砷、鎘等重金屬均有一定的污染。結(jié)合實際土壤鎘污染情況，對土壤污染進行了詳細的調(diào)查與加密布置。

2.2 樣點加密布點方案

在實證研究中，未進行土壤污染的初步調(diào)查、抽樣、初步調(diào)查結(jié)果分析及詳細的加密布置。利用359 個野外觀測數(shù)據(jù)，利用空間采樣技術(shù)，對土壤污染狀況進行了初步調(diào)查，并進行了詳細的加密布置。具體實施過程是：以359 個樣本為基礎(chǔ)，對土壤污染進行模擬研究。土壤污染的空間變異特性與不確定性區(qū)域的確定是兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。地統(tǒng)計學(xué)的半方差分析是研究土壤污染空間變化的最常見的方法，必須有充足的樣本，才能獲得較為精確的土壤污染的空間分布。因此，在前期調(diào)查中，將研究分為10×10 個單位，以底層土樣作為初步調(diào)查樣本，當(dāng)存在多個樣點時隨機抽取，得到97 個樣本，樣點間的平均間距為386 m。通過對97 個樣本資料的初步調(diào)研，采用本文所提的加密布點方式進行了加密布點。具體措施是：基于前期調(diào)查數(shù)據(jù)，采用地統(tǒng)計學(xué)方法對土壤中Cd 的空間分布進行了分析。采用條件模擬法對該區(qū)域的土壤鎘污染可能性進行了預(yù)測。

根據(jù)污染的可能性，設(shè)置了污染的可能性閥值（Pt）和清洗幾率閥值（Ct），該方法由公式（1）、式（2）表示。土壤鎘污染的可能性閾值為0.8，清除幾率為0.2；然后，針對區(qū)域內(nèi)的污染特征，將局部變異系數(shù)大于變異系數(shù)的臨界點劃分為不確定區(qū)域，并把它當(dāng)作75%的局部變異系數(shù)。將污染概率與局部變異系數(shù)相結(jié)合，將其作為重點進行詳細調(diào)查，并依據(jù)其空間結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，確定出該加密樣本的位置。本研究為模擬，若取樣地點無樣點資料，則以相鄰樣點為輔助，共57 處土壤詳查資料[6]。通過對現(xiàn)場加密布點的污染監(jiān)測和359 個現(xiàn)場數(shù)據(jù)的比較，對加密布點的實施效果進行了評估。

式中：Rp為污染概率分區(qū)；Z（x）為條件模擬預(yù)測的土壤污染物含量；Zc為土壤污染評價標(biāo)準(zhǔn)；Pt為污染概率閾值，Ct為清潔概念閾值；Rcv為污染變異系數(shù)分區(qū)；CVx為局部變異系數(shù)；CVt為變異系數(shù)閾值。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

基于樣點VORONOI 曲線，利用ArcGIS10.1 的地理分析工具，對樣點中的污染物含量進行了局部變化。利用ArcGIS10.1 軟件對采樣網(wǎng)格、初步調(diào)查樣點進行了詳細的繪制，GSLIB 軟件對土壤污染狀態(tài)進行了仿真，并對污染概率進行了計算。本文利用序貫高斯仿真算法，其利用已有的樣本數(shù)據(jù)，求出被模擬點的污染濃度的條件概率分布，并將其隨機抽取作為仿真方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤Cd 統(tǒng)計特征的估計精度

土壤鎘污染預(yù)調(diào)查樣本（97 個）和加密后（154個）樣品的統(tǒng)計特性基本一致，平均差異只有0.01 mg/kg。對樣品進行加密細化后，其變異系數(shù)有所下降。與整體樣品比較，初探和加密細查兩個階段的Cd 平均值都較高，誤差在5.40%左右。與整體相比，變異系數(shù)下降2.79%，平均下降6.71%。初步調(diào)查的平均預(yù)測準(zhǔn)確率高，但對平均法的估計精度不夠高。在污染詳細調(diào)查階段，因污染空間變動較大而增加取樣點，使其變異系數(shù)有所下降[7]。

3.2 土壤污染區(qū)面積的估計精度

土壤污染數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確識別是土壤污染監(jiān)測的重要內(nèi)容。在前期調(diào)查和加密詳細調(diào)查中，樣點w（Cd）的超重率估計出了68.04%的污染區(qū)域，70.13%的污染區(qū)域，比各抽樣的估計值高3.14%，5.23%。當(dāng)污染的可能性為0.8 時，污染概率的預(yù)測范圍為53.58%～57.84%，比采樣點的估算值降低7.06%～16.39%。根據(jù)超限值來估計污染區(qū)域的大小，即在特定的取樣網(wǎng)格中，如果樣品中的污染物濃度超過一定值，就會被認(rèn)為是超標(biāo)。對樣點進行了分析，發(fā)現(xiàn)每一個新的采樣點都在高污染的可能性范圍內(nèi)，從而使整個采樣點中的采樣點所占的比重有所增加，從而使污染面積估算值得到了更大的提高。初步調(diào)查和加密細查兩個階段的評估范圍相當(dāng)接近，經(jīng)加密處理后，污染區(qū)域的面積只增加了0.16%，初步調(diào)查和加密詳細調(diào)查的面積比整體的估計值要小，污染面積被低估4.10%。為評估污染區(qū)域區(qū)域的空間定位精度，采用不同取樣階段的預(yù)測結(jié)果與整體樣品的預(yù)測結(jié)果進行空間差異計算，并將其精度分為相同、低估和高估3 類[8]。

通過對土壤Cd 平均值的估算，發(fā)現(xiàn)在初始調(diào)查期，該方法的估算準(zhǔn)確率超過94.00%，而對污染區(qū)域的預(yù)測精度則只有79.35%。結(jié)果顯示，在土壤污染監(jiān)測中，平均或統(tǒng)計特性的估算準(zhǔn)確率不能準(zhǔn)確地反映出污染區(qū)域的范圍。污染區(qū)的空間分布是評價土壤環(huán)境恢復(fù)成本的重要依據(jù)。本文所提之土壤污染細查加密布點法，可明顯改善污染區(qū)域的預(yù)測準(zhǔn)確率，且能較好地保持整體平均濃度估算的準(zhǔn)確性；本文污染區(qū)域的面積估算值和空間定位準(zhǔn)確率分別為4.10%和86.10%，比原始測量精度提高6.75%；土壤污染調(diào)查的樣本量顯著下降，其中的初步調(diào)查和加密的抽樣比例僅為42.90%。

本文提出了一種新的樣本點優(yōu)化方法，即在具有高不確定度的區(qū)域加入樣本點，以環(huán)境模擬中的污染幾率和局部變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。污染區(qū)的邊界存在著大量的不確定區(qū)，在初步調(diào)查階段，當(dāng)污染水平被低估時，將污染區(qū)錯列為潔凈區(qū)；在沒有污染物分布的背景資料的情況下，采用隨機抽樣布點法可以很好地預(yù)報出整體的平均含量和變異程度，而不能準(zhǔn)確地預(yù)報區(qū)域污染。

污染機率閾值的選取對密碼點的空間分布有很大的影響，若選取的污染機率門限太低，則無法辨識出被測區(qū)；如果存在較高的概率門限，則會增加不確定范圍，添加了需要進行加密的樣品，因此對加密點的有效性產(chǎn)生了影響。為了提高不確定度，采用高污染率和低潔凈率閾值作為采樣點優(yōu)化的效果。

由于樣點的加入不能使其在空間位置上達到最佳化，從而影響了樣點的優(yōu)化效果。本文所提出的加密布點法，其關(guān)鍵在于，當(dāng)污染預(yù)測不明確時，根據(jù)污染的空間分布情況，對采樣點進行補充。但是一些污染物，例如氯化碳污染，主要是由滲漏進入土壤，再經(jīng)孔隙向下擴散，因而此類污染物的空間自相關(guān)程度不高，本文所提出的加密布點方式無法應(yīng)用。

在初步調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用地統(tǒng)計學(xué)的方法對污染的空間分布進行了分析，加密布點是根據(jù)前期調(diào)查的結(jié)果，根據(jù)污染調(diào)查的需要，識別出污染物的空間分布，進行詳查布點優(yōu)化。所以，初步勘察的可靠性將對加密布點的有效性產(chǎn)生重要的影響。利用地統(tǒng)計學(xué)方法對污染物的空間自相關(guān)進行了半方差分析。

研究發(fā)現(xiàn)，樣點數(shù)目及空間分布對半方差分析的精度有很大的影響。一般情況下，樣點數(shù)小于60 的情況下，很難得到精確的半方差。在特定情況下，可以通過半方差函數(shù)擬合的結(jié)果來評價樣品的數(shù)量。從樣點的空間分布情況來看，為了評價污染在不同距離、不同方向上的空間分異，初始采樣點要盡量在研究區(qū)內(nèi)均勻分布，并在一定范圍內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的樣本，以便于對污染物的空間分布進行分析，從而有助于提高加密布點的優(yōu)化效率。

4 結(jié)論

1）采用現(xiàn)場實測布點法估算土壤污染濃度，結(jié)果表明，現(xiàn)場土壤Cd 的平均偏差分別為5.40%和6.71%。

2）結(jié)果表明，采用現(xiàn)場實測和布點法可以提高土壤鎘污染范圍的準(zhǔn)確率，結(jié)果表明，該地區(qū)土壤鎘污染面積的預(yù)測誤差可達4.10%，污染區(qū)的定位準(zhǔn)確率可達86.35%。

3）在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)污染機率及區(qū)域變異系數(shù)，對土壤污染進行了優(yōu)選，既能提高土壤污染調(diào)查的準(zhǔn)確度，又能大大減少樣本數(shù)量。