Surfer軟件與Auto CAD結合估算某地塊重金屬污染土方量的案例應用及思考

魏彬

（蘇州市宏宇環境科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

重金屬在土壤污染過程中具有隱蔽性、長期性、不可降解和不可逆轉性的特點，它們不僅導致土壤肥力與作物產量、品質下降，還易引發地下水污染，并通過食物鏈途徑在植物、動物和人體內累積[1]。因此，土壤系統中重金屬的污染和防治一直是國內外研究的熱點和難點，而所有的修復治理技術必須建立在對所存在污染的地塊內污染的土方量有一個良好的把控，進而能夠有針對性、靶向性、科學性、經濟性的進行修復治理。所以采用何種方式進行預估模擬存在污染的地塊的土壤方量顯得尤為重要[2]。

本文主要以某工業用地為例，首先通過初步調查根據廠區工藝分布位置進行判斷布點找到核心污染位置，進而以核心污染區域為中心向周邊密集布點，直至檢測的土壤指標未超過相應的標準值停止向外界擴散布點采樣進而模擬土方量。

1 材料和方法

1.1 地塊概況

本文研究的場地為某地區一電鍍廠，主要以鍍鎳、鍍鋅和鍍銅為主，企業成立于20世紀80年代左右，2018年企業關停。為保障該地塊未來開發利用的安全，依據國家的相關規定與地方環保部門的要求，擬對該地塊土壤與地下水開展土壤污染狀況初步調查。

地塊所在區域地面以下土層可以分為4個工程地質層，第一層素填土層，厚度約0.70～1.10m；第二層粉質粘土層，厚度約3.00～8.80m；第三層粉土夾粉質粘土層，厚度約5.00～6.80m；第四層粉質粘土，未揭穿。地塊東側為道路、西側為河流，南側為住宅及農田，北側為道路。

1.2 土壤初步調查方案

基于區域內各功能車間分布明確，現場踏勘采用判斷布點，重點關注生產車間和廢水處理區域，共布設56個采樣點。土壤分層采樣，表層和下層土采樣深度分別為地面以下0～1.0m、1.0～2.0m、2.0～3.0m，共采集336個土壤樣品。采用中海達RTK5代對各采樣點位置的地理坐標及高程進行精確測量。經送樣檢測此地塊內的超標點位主要集中于兩個電鍍廠的電鍍車間及污水處理池處。

1.3 土壤樣品分析方法

本次調查所采用的方法主要是參考GB36600-2018《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準》（試行）表3中土壤污染物分析方法[3]。

2 土壤污染方量計算結果

2.1 確定關注的污染物

對比GB36600-2018《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準》相關標準限值一類用地篩選值，通過對比其值大小發現其超過標準值主要為銅、鎳、鋅三種重金屬。

以表層土壤中銅為例，Surfer和AutoCAD 軟件聯用生成污染物濃度等值線圖的操作步驟如下[4]：

（1）AutoCAD 繪制調查場地背景底圖。將廠區邊界紅線原始坐標、土壤采樣點位置導入Google earth底圖中，進而采用平面坐標系將紅線坐標和土壤點位坐標導出以備Surfer作圖使用[5]。

（2）數據整理及建立離散點數據庫。某個土壤采樣點的地理坐標設為（x，y），該點某一種污染物檢測值設為z，在Surfer中新建工作表——土壤污染物濃度數據工作表（如：表層土壤銅.bln）。當濃度未檢出時以其元素檢測方法所對應的檢測限值代替。

（3）生成網格文件。運行Surfer軟件，打開菜單欄“網格”，下拉菜單“數據”，在“打開”對話框中選擇數據文件“表層土壤銅.bln”，在“網格化方法”中選擇“克里格插值法”對數據進行網格化。在“導出網格文件”時輸出文件名“表層土壤銅.grd”，然后在“網格線索幾何學”中設置適宜的網格點數（例如X方向行數1000，Y方向1000），即可生成等值線圖所需要的網格文件“表層土壤銅.grd”[6]。

（4）Surfer生成等值線圖。新建“新場景”，點擊“新建等值線圖”，在“打開網格”對話框中選擇前一步輸出的“表層土壤銅.grd”文件，設置適宜的等值線間隔，將污染物檢測限值設為“等值線最低等級”，將污染物標準限值設為“等值線最高等級”，保存為“表層土壤銅.srf”，完成表層土壤中銅濃度等值線圖繪制。

（5）修改完善等值線圖和輸出。為避免所形成的等值線導入進Auto CAD中多條等值線造成模擬混亂，選擇顯示最低等級的等值線和最高等級的等值線。打開菜單“文件”，選“導出”，將“表層土壤銅.srf”文件格式保存成能夠被Auto CAD 軟件打開的圖形文件“表層土壤銅.dxf”[7]。

（6）與Auto CAD結合出圖。運行AutoCAD軟件，打開“表層土壤銅。dxf”，將地塊的紅線圖復制到“表層土壤銅.dxf”中，注意邊界需完全一致。在進行等值線處理是將所選擇的等值線特性在CAD中的“Z”值設置為“0”，在后期計算過程中可順利計算模擬等值線的面積[8]。

通過軟件模擬和計算，本次地塊內污染面積自表層至深層（0～3m）范圍內，將模擬的污染面積與污染方量與實際開挖的污染面積和污染方量進行對比發現，如下表所示。

表1 模擬數據與實際開挖數量對比

項目實際工程量與計劃工程量相比，表層污染面積及污染方量有一定增加；下層土壤相較表層有一定的較少。額外工程量主要是污染土方比預先模擬的土方超出較多，增加開挖處理工作量。

3 結果與討論

3.1 污染分布情況分析

通過以上調查結果看出，重金屬污染土壤中其主要分布于表層土中（0～1m）范圍內。從本區域內土層的工程地質層可知其第一層主要為素填土，厚度約0.7～1.10m；第二層粉質粘土層，厚度約3.00～8.00m。從表1中可以看出污染范圍0～1.0m內范圍較大，初步認為其主要是表層土壤中污染物重金屬類遷移性更強，下層土壤中粉質黏土對污染物具有一定的阻隔性[9]。

廠區內重金屬污染與電鍍廠生產功能分區相對應，說明重金屬主要來源于電鍍廢物泄漏。由于該場區填土層以下為滲透性較差的粉質黏土，不利于重金屬污染物向深部遷移，因而重金屬污染物主要集中在表層土壤。

3.2 表層土方量增加原因分析

軟件模擬的土方量主要為理論值，開挖基坑深度最深可達3m，通過計算結果發現表層0～1m范圍內實際與模擬土壤方量數值差約31%，實際方量大于模擬方量。通過案例實際發現在施工過程中的土壤量較理論增加的原因主要概括為以下幾點：

一、實際施工時防止基坑塌方需要考慮基坑放坡，遂在整個開挖過程中產生多余的土方量；二、軟件模擬的范圍基本接近準確，但由于地塊結構及地下排水管線復雜，局部開挖時導致水管、水池破損造成污染物外泄，清理時產生多余的土方量；三、前期進行廠房拆遷活動時，拆遷公司未將表層殘留的碎磚塊清理徹底，后續存在一定的掩埋遂產生多余的工作量。

3.3 深層土方量減少原因分析

從以上表格中可發現1～3m范圍內土壤的實際開挖方量和模擬方量相比較，實際的比模擬的量少。1～2m范圍內實際總量比模擬總量少15%，2～3m范圍內實際總量比模擬總量少11%。通過案例實際發現在施工過程中的土壤量較理論減少的原因主要概括為以下幾點：

一、實際施工過程中采用便攜式快篩設備XRF進行邊開挖邊快篩的原則，將污染的土壤范圍不斷的縮小即模擬的土壤方量減少；二、由于模擬過程中以某個點位是否出現超標為基準對周邊進行擴散模擬，下層土壤具有一定的不均質性和阻隔性導致其量出現減少的情形。

4 結語

1.采用軟件模擬污染土壤方量過程時，土壤點位盡量多且接近表面易觀測的污染位置。Surfer軟件模擬過程中可將模擬等值線減少到最少同時在將等值線導入CAD時將Z軸高程調整為“0”有利于等值線封閉求模擬面積。

2.土壤調查地下土壤污染狀況，對于存在地下設施及管線的區域應加密布點以準確了解其污染范圍。在現場施工過程建議開挖同時結合現場快篩設備及時了解現場的準確污染范圍，逐步將污染的土壤范圍縮小，在計算土方量時不能單純按照軟件模擬的方量，要根據現場地塊實際情況和施工過程進行分析，考慮土方的松鋪系數和放坡系數后再進行土方算量。