場地污染模型構建研究進展

王 婷，王建剛，陳 倩，郭 淼，全孝飛

(1.四川省天晟源環保股份有限公司，四川 成都 610072；2.四川省地質工程勘察院，四川 成都 610072)

近年來，隨著我國城市化進程的加快和產業結構調整政策的實施，一些化工、輕工、焦化、冶金、制藥、機械、皮革等重工業企業逐漸搬出城鎮中心，大量原有工業用地被置換成城市建設用地。這些企業在生產過程中由于化學品泄露、廢水廢氣排放以及固體廢物隨意傾倒和堆存，致使原廠地土壤、地下水和生產設施受到了不同程度的污染，對居住者與周邊居民的身體健康均構成了極大危害[1-2]。因此，對污染場地開展調查與分析，準確掌握場地巖土特征、水文地質條件、污染源與污染物種類與空間分布，建立正確的場地污染概念模型是我們急需解決的問題。本文從地統計學建模理論入手，總結了常用建模理論與方法。在此基礎上，綜述了基于地統計學理論與方法的場地污染物分布二維模型與三維模型，并比較了不同模型的優缺點。最后，提出了未來發展方向。

1 國內外研究現狀

污染場地修復過程中，對污染場地中污染現狀的調查及污染物空間分布的預測是場地修復中極為關鍵的問題[3]。由于污染物在包氣帶的分布具有空間連續性和區域化變量的特征，目前對于場地中污染物分布范圍及預測，主要以地統計學及半變異函數分析為基礎，通過空間插值計算與模擬，最終獲取污染物分布范圍和污染程度。而污染物分布與模型構建則主要包括以水平二維空間變異研究為基礎的二維模型及基于地統計分析、空間預測及圖形可視化為基礎的三維地質模型[4]。

1.1 地統計學建模理論與方法

地統計學是研究具有空間分布特點的區域化變量的相關性與隨機性的一門學科，研究對象已經廣泛涉及土壤學、生態學、地質學、水文學、氣象、資源環境等領域。對于研究自然對象具有空間分布的結構性、隨機性、相關性、依賴性、空間格局與變異等屬性特征的都可以使用地統計學進行分析。地統計學理論與方法主要涉及區域化變量空間變異結構分析、變異函數理論、空間插值等[4]。

區域化變量指具有某種空間分布特征的變量，從場地污染物分布特征來看，它具有以下幾種空間局限性、異向性、連續性及相關性四個屬性：(1)空間局限性指污染物的分布被限制在一定的空間區域內，其范圍受到污染物源分布、自身物理化學性質、污染介質特征及自然環境等因素的影響；(2)異向性指污染物在不同方向空間分布的性質相同，即：各向同性，反之，稱為各向異性，在污染場地中，地形地貌、地下水流向、風向、降雨量、人工擾動強度、污染設施和環保措施等都是造成污染物分布各向異性的常見因素；(3)連續性指不同的污染物因多種因子的影響呈現不同的連續性，可采用污染物空間分布的變異函數來描述；⑷相關性指一定距離內，污染物分布在存在空間相關，當超過這一距離范圍后，污染物之間的相關性減弱至消失。在污染場地調查與分析過程中，由于土壤中污染物的分布處于三維空間坐標中，并且，污染物濃度隨著空間位置的不同而有所不同，所以污染物的含量的變化可以表達為以空間位置為自變量的函數，即：土壤中的污染物作為區域化變量來分析。

半變異函數理論是克里格法空間估值的前提與基礎，也是地統計學的重要理論組成。該理論主要描述區域化變量隨著空間屬性改變而呈現相應變化的性質，能從不同方向描述區域化變量的空間分布特點。因此，對區域化變量進行半變異函數擬合過程即是對其結構性與隨機性進行數學描述的過程[4]。

空間插值是基于空間上有限離散點或分區的數據，尋求較為逼近已知點值的函數關系式，進而評估和預測一定區域范圍內未知點或分區的數值的數學模擬方法。它的理論假設是：在空間上位置越靠近的點，其屬性值的相似度越高，而距離越遠的點，其屬性值相似度則越小。基于此假設，目前形成了兩類插值方法，即：地統計插值模型和確定性插值模型[5]。地統計插值方法利用了已知樣點的統計特性，所以能量化已知點之間的空間自相關性，解釋說明預測區域范圍內采樣點的空間分布情況，其插值方法包括普通克里格、簡單克里格、概率克里格、泛克里格等。而確定性插值模型則以目標區域內的近似特征或者基于平滑度，由已獲知的樣點數據來插值未釆集樣點區域的表面。在包氣帶土壤污染物分布的調查與分析過程中，它的用途主要包括兩個方面：一是根據鉆探數據、土壤剖面等資料完成整個污染場地的地層結構體的構建，為確定污染分布提供地層結構信息；二是評估預測場地包氣帶三維空間內土壤污染物分布情況，為構造濃度等值面(線)或某一閾值下污染土方量的計算提供數據基礎和空間分析。

1.2 污染物二維平面模型研究

污染物二維平面模型是利用平面圖和剖面圖表達污染物分布狀況的一種方法，其實質是將三維地質環境中的地質現象投影到某一平面進行表達[6]。由于污染場地中污染物的分布呈現區域化、連續性及空間性的特點，所以，二維平面模型可被用于表述污染物在場地包氣帶的分布特征及其分布范圍。目前，國內外對于污染物在二維平面上的分布做了大量研究，這些研究主要集中于：基于地統計學插值方法來調查和監測污染物分析[7]、各向同性范圍內的空間變異模型參數作為克里格插值的參數選擇及其對插值精度的影響[8]、污染物區域分布影響因素分析[9]、插值方法分析和預測污染物空間分布特征[10]等方面。如Carlonc和ying均采用克里格插值方法，分別對土壤中多環芳烴和沉積物中農藥DDT的空間局分布特征及其依賴性進行了研究[10-11]。謝云峰等利用地統計模擬方法對北京市通州區污水灌溉區土壤中Cu、Pb的空間分布進行了預測，研究結果表明，地統計條件模擬方法獲得的土壤Cu、Pb模擬結果特征與調查樣點的統計特征基本一致，且空間分布格局也相似[12]。張長波等利用半變異函數對污染場地中重金屬的分布進行了擬合，并討論了污染物向同性與向異性的范圍，進一步揭示了造成重金屬分布的主要因素[13]。

1.3 污染物三維地質模型研究

近年來，已有學者將二維空間變異理論擴展到三維空間，主要通過三維普通克里格方法研究空間變量的空間變異特征。而現階段，三維地質模型構建方法也較多，有學者將其歸納為基于面模型、體模型和混合模型的3大類構模體系[6]。第一類構模方法主要側重對三維地質體表面的表示，如地形表面、地質層面等，構模方法主要包括不規則三角網構模、格網構模、邊界表示構模等。第二類構模方法則側重于對三維地質體的邊界與內部的整體表示，可以實現對實體的三維空間操作和分析，構模方法主要包括三維柵格、四面體格網、實體幾何結構、八叉樹構模等。第三類構模方法則集合了前二者所具有的優點，實現了對三維地質體更完整、有效地表達，包括轉換式、互補式、鏈接混合式與集成混合式[6]。

目前，三維地質模型可視化技術的發展，有力的促進了土壤學的發展。例如：應用三維克里格與二維克里格分層的方式，對消化氮在土體中的三維分布進行結果對比，結果顯示前者的預測精度更好[14]。應用區域化變量理論，對污染場地中重金屬含量進行水平變差函數擬合，可以有效確定重金屬在污染場地包氣帶中的垂向分布，并且，利用三維地質模型擬合可以進一步構建污染物的三維預測模型[4,15]，這為降低污染場地調查成本，指導風險評估和場地修復提供了有力的技術支撐。經過多年發展，三維地質模型已經被廣泛應用于地質、采礦、勘探及污染場地模型構建，尤其是國外推出了大量可視化軟件，這些軟件包括： EVS、MODFLOW、GMS、 MICROLYNX、GOCAD、ARCGIS等。在國內，我國科研工作者也開發了MAPGIS、GEOVIES、GEOMO3D等可視化軟件，并且，由南京土壤所研發的國內首款針對場地污染概念模型軟件HERA也已經成功用于國內污染場地概念模型構建。

1.4 場地模型優缺點分析

場地污染模型構建中，二維模型在平面制圖中存在著非常大的空間局限性，不利于地質結構的判斷，所構建的模型只能反映污染物在二維體系的分布特征，對污染物在場地水平和垂直剖面的空間分布特征缺乏直觀有效的展現。而三維場地模型結合地統計分析、空間預測及圖形可視化等技術，可以很好的解決二維空間模型不能直觀展現地形高程和污染物垂直分布的問題，更能立體、清晰的以多種方式描述污染場地復雜的地質信息，反映地質形態，其三維場地模型圖件也可以服務于污染場地調查與風險評估以及修復工程。因此，三維模型的模擬將是今后場地污染模型構建的主方向。

2 展望

在污染場地修復過程中，由于我國尚處在起步階段，在這方面積累的工程經驗不多。這也導致了我們對各種類型的工業污染場地中污染物濃度空間變異、空間分布狀況、生態風險評價以及遷移轉化規律等都缺乏系統研究，積累的工程實踐經驗也非常欠缺。在開展場地污染模型構建，確定污染物空間分布范圍、修復治理邊界確定及污染物預測方面，我們還處在探索階段。每個污染場地中，由于水文地質環境差異性較大，污染物組分較復雜，采樣布點方法與樣本數不同、氣候條件不同，所構建的污染模型也有所不同。這就要求我們在今后實際污染場地修復中，應制定詳細的水文地質數據和污染物數據的獲取方案，結合場地調查階段，及時修正污染模型，以更準確的界定污染羽的范圍，為場地修復提高更可靠的技術保障。