基于ArcGIS的污染場地土壤鉻空間格局分析

方敦 吳稱意 韋曉宇 龍小蘭

摘要 以某鉻鹽生產廢棄場地為例，運用空間數據管理平臺ArcGIS以普通克里格插值法、趨勢分析法評估污染物鉻（Cr）在場地土壤中的空間分布格局并實現其可視化表達。普通克里格插值分析表明場地污染物Cr主要集中在中上層土壤且Cr污染在各層中部污染較其他區域嚴重，Cr在場地中的空間分布與原廠工藝布局關聯度較高；趨勢分析與克里格插值空間分析結果具有較好的一致性，場地空間數據分層統計，合理地利用了空間插值分析中區域變量的自相關假設，提高了評估成果的可靠性。

關鍵詞 土壤；污染場地；空間分析；克里格插值； ArcGIS

中圖分類號 S181.3；X53；X825 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05181-05

當前，城市化是中國經濟社會發展的重要戰略部署，城市化過程中由于產業結構和土地利用空間調整已不可避免地涉及到騰退工業土地再利用問題[1]。土壤重金屬污染的隱蔽性和空間分異性[2]使得工業場地再利用具有潛在的土壤環境健康風險，因此，如何有效利用科學可靠的技術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境安全性和經濟合理性的關鍵。提高騰退工業場地再開發過程的環境安全性以準確評價場地污染物的空間分布格局為前提，然而，污染物與場地土壤環境的相互作用隨區域分布的不確定性給準確認識污染物的空間分布帶來了巨大困難。

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）是環境污染物空間分析的有效工具[3-5]，地統計模塊是連接GIS與地統計學的橋梁。地統計學是以區域變化量為基礎，借助變異函數，研究自然現象的空間變異與空間結構的理論與方法，是研究空間不確定性的有效方法[2，6-7]。基于此，該研究以鉻鹽污染場地為例，運用地統計學普通克里格（Ordinary Kriging）插值法和趨勢分析法以分層統計方式開展基于ArcGIS的污染物鉻的空間格局分析研究，以期在污染物空間格局分析的可靠性和直觀性方面為場地環境評估及管理提供思路和技術方法參考。

1 材料與方法

1.1 場地概況 研究場地為北方某鉻鹽生產企業退役場地，位于37°42′～38°13′ N，113°～114°18′ E，下覆土壤pH在6.5～10.9之間。原企業歷史上均采用鈣焙燒法生產紅礬鈉，生產車間主要有原料庫房、混料車間、煅燒車間、浸取車間、成品車間、硫酸儲存區、鉻渣堆場及鍋爐房等。研究區域地勢由西南向東北傾斜，出露地層為古生界寒武系張夏組一段（∈Z1）、二段（∈Z2）巖層及新生界第四系（Q）沉積物，第四系亞粘土層厚度3.0～25.9 m不等，其下為致密巖石層，節理裂隙不發育，完整性好，地下水埋深300 m以上。研究場地土壤基本理化性質如表1所示。

1.2 樣品采集 布點以原廠歷史沿革、工藝布局和地層條件為參考，采樣布點分階段采用專業判斷和系統布點相結合的方法，第一階段在具有最大污染可能性的車間中心區域設置采樣點，第二階段對整個研究區域劃分30 m×30 m網格進行系統網格布點并根據第一階段樣品測試結果對重點區域適當加密，場地共設置水平土壤采樣點27個，采樣點編號為S1～S27。同時，根據水文地質條件和現場X射線熒光光譜（Niton XL2 XRF）檢測結果設置垂向采樣深度為5.0 m的規定深度采集剖面樣且各階段采樣點數據均按上層（0～1.0 m）、中層（1.0～3.0 m）和下層（3.0～5.0 m）內采樣點的算術平均值分層統計，各樣點垂向采樣遵循“等量”原則。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。

1.3 分析測試方法 土壤樣品經風干、除雜、磨細、過篩（10目、60目、100目）等前處理后備用，但用于六價鉻（Cr6+）測定的樣品除剔除砂礫石和植物根系外不作處理。研究場地土壤樣品分析測試指標按常規指標和特征污染指標兩類，依據原企業歷史沿革深入開展污染識別結果進行設計。該研究僅以其特征污染物鉻（Cr）和六價鉻（Cr6+）為研究對象進行探討，Cr和Cr6+分別按JY/T 015.1996[8]、USEPA 3060A[9]及USEPA 7196A[10]操作規程采用電感耦合等離子體原子發射光譜（ICP.AES）和堿消解-紫外/可見分光光度法分析測定。分析測試過程質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。

1.4 空間分析

1.4.1 樣本正態性檢驗。樣本正態性是地統計插值法的基本假設之一，正態QQPlot圖是檢驗樣本數據是否符合正態分布的有效方法[11]，在ArcGIS地統計分析模塊（Geostatistical Analyst）中易于實現，通過模塊下的探索性數據分析（Explore Data）即可實現。

1.4.2 Kriging插值空間分析。空間分析是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空間。由于原企業工藝布局和污染物在土壤中的遷移轉化等因素對場地污染物含量分布的影響，使得場地污染物含量的空間分布同時具有隨機性和內部相似性，即場地污染物含量的空間分布具有區域變化量的特征。

隨機性因素可由系統性采樣點對區域總體特征的代表性而最大限度地在樣本數據中得以體現，因此，空間分析主要應解決污染場地區域變量數據的內部相似性問題。地統計學Kriging插值是一種以半方差函數理論和結構分析為基礎的對區域變化量進行線性、無偏、最優估計的一種局部空間插值法[12]。Kriging插值在插值分析中不僅考慮未知樣點與已知樣點的距離遠近而且考慮了兩者的空間方位關系，其未知樣點與已知樣點的關系如（1）式[12]所示。基于以上分析，對場地污染物的鉻含量屬性數據可采用地統計學空間內插法進行空間分析并采用連續的空間漸變模型來實現，該研究應用ArcGIS 9.3空間分析模塊中的Geostatistical Analyst工具對研究場地污染物進行地統計學Ordinary Kriging空間插值分析。2 結果與分析

2.1 樣本數據正態性 Ordinary Kriging插值法屬于地統計學插值方法，樣本數據正態分布是地統計學插值分析的基本假設，因此，用于空間插值的樣本數據需符合正態分布假設[11]，若不符合應盡可能采用對數（Log）、冪變換（BOX.COX）等可逆變換使其符合正態分布的基本假設[13]。在正態QQ圖中，若數據的分布近似成一條直線，則數據服從正態分布[14]。由圖1～3可知，經Log變換后的研究場地各層數據均近似呈直線分布，表明研究場地調查數據經Log變換后符合Kriging插值法的基本假設；圖2顯示在低值區和高值區出現了個別異常點，S4、S5、S7及S25號樣點位于場地鉻渣堆存區（防滲），其檢測值相對樣本整體而言具有跳躍性，結合場地實際，研究判定其為局部真實離群值[14]，與場地原工藝布局等因素有關，需要指出的是，在插值分析過程中，對S4、S5、S7及S25號具有跳躍性的局部真實離群值樣點數據采用隔離-疊加措施處理使其盡可能符合真實空間分布且不影響整體的結構性，提高空間分析的準確性，即在GIS中將修剪（Clip）掉異常點后的插值結果與原插值柵格平面經異常點邊界面數據提取（Extract）的結果疊加。

2.2 鉻污染空間分布 場地污染物Cr的Ordinary Kriging插值空間分布如圖4～6所示。從空間分布圖可知：研究場地污染物Cr集中分布在中上土層中，上層Cr污染呈現出污染嚴重、污染覆蓋范圍大的特點，垂向具有由上至下污染范圍逐漸縮小的整體空間分布特征；場地整體污染Cr空間分布情況與原廠工藝布局關聯度較高，中上層污染程度大的區域與場地原工藝布局基本一致；場地主要污染深度范圍在0～3.0 m之間，下層土壤Cr含量未超出標準值，場地污染土壤修復范圍分層疊加空間分布（圖7）更直觀地體現了Cr在場地中的這種層間空間分布特征。下層Cr空間分布（圖6）與中上層（圖4、圖5）相比，插值結果具有顯著差異，表明下層土壤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的結構性特征。

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5、圖6顯示，場地中、下層污染范圍和程度有較大幅度的縮減，下層土壤Cr含量狀況良好，這與場地土壤性質、pH及Cr的特性有關[15-17]，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、土壤有機質對三價鉻和六價鉻的吸附、還原吸附共同作用的結果，同時六價鉻在土壤介質中通過形成CaCrO4、BaCrO4、PbCrO4等難溶鹽[18]也是阻礙場地Cr垂向遷移的原因之一[16]。一方面，研究場地土壤pH呈較強堿性為土壤中Cr形成沉淀和殘渣態提供了有利條件[19]，各層次土壤中的Cr均具有被沉淀和吸附進而遷移能力降低的趨勢；另一方面，Cr6+是研究場地主要污染物之一，Cr6+在環境中除與金屬形成難溶鹽外主要以Cr2O2-7、HCrO-4和CrO2-4等陰離子形式存在[18]，由于土壤膠體電負性而使其具有向下垂向遷移的能力，但同時，土壤有機質對Cr6+的還原作用在促進其垂向遷移方面又與土壤膠體形成拮抗作用。

2.3 趨勢分析 全局趨勢分析認為研究表面由全局趨勢和隨機短程變異兩部分組成，可通過空間抽樣數據擬合一個數學曲面來反映空間分布的變化情況，在ArcGIS Geostatistical Analyst中通過Trend Analysis工具即可實現。趨勢分析工具將樣點值投影到一個由東西向和南北向平面構成的正交平面上后通過多項式在投影平面上擬合曲線形成趨勢分析圖[14]，若擬合曲線平直則表示該數據內部不存在明顯趨勢[11，20]。由趨勢分析圖（圖8～圖10）可知：研究場地上、中層在東南-西北向和西南-東北向上污染物Cr含量分布呈現“U”形趨勢，即呈中部高四周相對較低的整體趨勢，趨勢分析結果與研究場地主要污染工藝在中部集中的原廠工藝布局具有一致性，與Kriging插值空間分析結果相符。而趨勢分析圖（圖10）呈現平滑過渡的直線，表明下層土壤Cr含量在場地空間內不具有明顯趨勢性，結合Kriging插值分析結果可判定其已脫離了研究場地Cr污染物分布范圍的區域變量范疇。

3 結論

當前，環境問題已成為阻礙我國可持續發展的重要因子，我國也越來越重視污染土壤的治理修復問題，然而，要使治理修復工作有條不紊行之有效地開展，準確而直觀的場地評估結論具有不可替代的作用。該研究在空間數據分層統計和樣本數據檢驗的基礎上通過Kriging插值分析和趨勢分析發現研究場地土壤鉻污染主要集中在第一、二土層中，第三層土壤幾乎不受污染，從插值分析和趨勢分析來看均表現為第三層與前兩層土壤的屬性數據脫離了自相關的結構性特征，場地土壤污染調查中分層數據統計方式可確保研究場地污染物空間分布分析的可靠性，是污染場地評價空間分析有益的實例借鑒。

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