污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫 陽,曹 汐，李 敏，遲寶榮，周廣柱

(山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

在我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展過程中，生產(chǎn)、生活或運輸?shù)拳h(huán)節(jié)存在不合理排污現(xiàn)象，導(dǎo)致污染場地的產(chǎn)生。當(dāng)前，污染場地中的主要污染物有重金屬、石油烴、持久性有機污染物、揮發(fā)性或溶劑類有機物及有機-金屬類污染物等，有的場地還存在酸或堿污染，大部分場地處于復(fù)、混合污染狀態(tài)，對人們的生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量構(gòu)成威脅[1-4]。我國的場地污染的調(diào)查、評估、修復(fù)等已實施風(fēng)險管理模式，為了規(guī)范污染場地的風(fēng)險評估和修復(fù)工作，環(huán)保部于2014年發(fā)布了《污染場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.3-2014)[5]，國務(wù)院于2016年5月印發(fā)了《土壤污染防治行動計劃》(簡稱“土十條”)，土壤污染風(fēng)險評估與修復(fù)治理工作引起了公眾的廣泛關(guān)注[6-7]。

根據(jù)風(fēng)險評估導(dǎo)則要求，污染風(fēng)險評估工作過程需要龐大的計算，需要計算機輔助完成計算。目前國際通用的ASTM-RBCA toolkit以及國內(nèi)的HERA等軟件已經(jīng)具備了這個功能。國際通用的ASTM-RBCA toolkit雖其系統(tǒng)性較為全面，但操作較為復(fù)雜，眾多參數(shù)并非根據(jù)我國特定的環(huán)境與地質(zhì)場景所設(shè)，全英文的操作界面更是給從業(yè)人員帶來了極大不便；HERA軟件針對國內(nèi)環(huán)境特點，基于美國《基于風(fēng)險的矯正行動標(biāo)準(zhǔn)指南》[9]、英國《CLEA 模型技術(shù)背景更新文件》[10-11]以及我國《污染場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.3-2014)[5]編制而成的集成創(chuàng)新成果，內(nèi)含20余種多介質(zhì)遷移模型，收錄多種污染物理化與毒性參數(shù)，考慮原場與離場的健康及水環(huán)境受體，可快速構(gòu)建污染場地概念模型[12-13]?？梢?，目前國內(nèi)外的風(fēng)險評估軟件在計算分析能力上已經(jīng)達到較高水平，可為國內(nèi)從業(yè)人員提供更為便捷、優(yōu)質(zhì)的評估工作體驗，但是對于風(fēng)險評估從業(yè)人員，需要實地調(diào)查得到數(shù)據(jù)后才能在計算機上處理數(shù)據(jù)和得到分析結(jié)果，造成了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳在時間上的脫節(jié)；得到分析計算的數(shù)據(jù)后還需要針對場地污染的空間分布進行研究，以及把得到的評估數(shù)據(jù)編制成風(fēng)險評估報告。目前只有極少數(shù)軟件能夠生成評估人員需要的數(shù)據(jù)圖表，還沒有軟件真正意義上能夠輔助風(fēng)險評估從業(yè)人員完成風(fēng)險評估報告[14]；同時，已有的軟件均為數(shù)據(jù)分析處理軟件，缺少缺少一款貫穿整個污染風(fēng)險評估工作流程的軟件。因此，我們針對軟件功能上的這些空白，要開發(fā)一款基于Windows和Android平臺，能實現(xiàn)污染場地數(shù)據(jù)采集、分析計算，輔助編制評估報告和完成污染分布狀況分析的污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)，以期減少風(fēng)險評估從業(yè)人員工作量和提高工作效率。

1 系統(tǒng)開發(fā)平臺和特點

污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)基于C/S架構(gòu)，分為PC端、手機端以及用于數(shù)據(jù)交換的服務(wù)器。

PC端軟件基于Windows平臺開發(fā)，采用Microsoft Access 2010作為后臺數(shù)據(jù)庫支持管理平臺，使用Visual Studio 2010和vb.net語言進行開發(fā)，運行穩(wěn)定，界面簡潔，操作便利。軟件基于我國《污染場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ25.3-2014)污染分析模型，完成場地分析計算和構(gòu)建污染場地概念模型[15]，在此基礎(chǔ)上結(jié)合VBA(Visual Basic for Application),實現(xiàn)與Office軟件的連接，可多形式輸出評估結(jié)果；通過ArcGis engine提供的工具和對象，對ArcGIS進行二次開發(fā)，以實現(xiàn)污染分布圖的自動繪制。

手機端軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，采用SQLite數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫支持管理平臺，在Android studio 2.3上完成軟件開發(fā)，軟件小巧，操作便利。軟件主要完成采樣數(shù)據(jù)的實時上傳和用戶定位，同時，手機端也可完成采樣數(shù)據(jù)的初步處理和分析。

系統(tǒng)的服務(wù)器采用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成PC、手機和服務(wù)器三方的數(shù)據(jù)交換，使用賬號登陸決定用戶的訪問權(quán)限。

2 系統(tǒng)設(shè)計與功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)包括PC端和手機端，通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)；同時服務(wù)器通過身份驗證給以不同的訪問權(quán)限。PC端主要包括數(shù)據(jù)載入、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出等模塊，主要用于處理與分析服務(wù)器上和用戶導(dǎo)入的數(shù)據(jù)；手機端包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)上傳和實時定位等模塊，用于場地調(diào)查工作者輸入與統(tǒng)計實地參數(shù)、定位與向服務(wù)器上傳場地調(diào)查數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲和交換場地數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)以及用戶身份信息，同時在用戶登陸時給以相應(yīng)權(quán)限。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存、內(nèi)置參數(shù)數(shù)據(jù)庫分別使用不同的數(shù)據(jù)庫文件，文件類型均為Access 2003。為保證評估軟件穩(wěn)定運行，使用時應(yīng)確認(rèn)計算機系統(tǒng)安裝了Access2003 及以上版本或Access引擎。PC端內(nèi)置參數(shù)數(shù)據(jù)庫包括評估模型使用的理化毒性參數(shù)和一些參數(shù)的推薦值；服務(wù)器數(shù)據(jù)庫包括用于更新的理化毒性參數(shù)和參數(shù)推薦值數(shù)據(jù)庫、場地調(diào)查數(shù)據(jù)庫和用戶身份信息等數(shù)據(jù)；手機端內(nèi)置數(shù)據(jù)庫主要包括歷史調(diào)查數(shù)據(jù)庫。各個數(shù)據(jù)庫的名稱和作用如表1所示。各個數(shù)據(jù)庫所包含的表以及表中的字段，由于篇幅限制不一一列出。

表1 各內(nèi)置數(shù)據(jù)庫功能說明

2.3 主要功能

2.3.1 污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)PC端功能

PC端污染場地風(fēng)險評估軟件功能具體包括:

采樣數(shù)據(jù)的收集與導(dǎo)入：除了用戶手動輸入數(shù)據(jù)之外，本軟件還支持多種形式的數(shù)據(jù)錄入，包括Excel表格(.xls)，Access數(shù)據(jù)庫(.mdb)等形式的導(dǎo)入，同時支持從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上下載數(shù)據(jù)文件(需要登陸并獲得相應(yīng)權(quán)限)。導(dǎo)入后的數(shù)據(jù)被保存在安裝目錄下的Access數(shù)據(jù)庫中，用戶可對其進行添加、刪除及輸出等操作。

風(fēng)險參數(shù)的處理和計算：對用戶輸入或從文件中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的風(fēng)險評估模塊，基于《污染場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》中提出的污染場地風(fēng)險評估模型與方法，分析計算暴露評估模塊，毒性評估模塊，風(fēng)險表征模塊，控制值計算模塊。

評估結(jié)果的多種形式導(dǎo)出：除了在軟件中直接以表格形式呈現(xiàn)評估結(jié)果之外，本軟件可通過與office軟件的接口，導(dǎo)出為Excel表格。同時，通過在程序目錄下的模板文件夾中的評估報告模板，系統(tǒng)可以將生成的場地評估數(shù)據(jù)按模板生成一份評估報告，方便評估工作者的工作；用戶也可以自己加入不同形式的模板以生成用戶所需的報告格式。

污染分布圖的自動繪制：本軟件引入了地理信息系統(tǒng)(GIS)，通過對ArcGis Engine的二次開發(fā)，在系統(tǒng)界面中加入了GIS控件。用戶可輸入當(dāng)?shù)氐牡貓D(帶坐標(biāo))，同時輸入采樣點的坐標(biāo)，系統(tǒng)就可以自動生成污染物的空間分布圖在GIS控件中顯示，用戶可以在控件中查看、修改分布圖，該功能能夠直觀的展現(xiàn)各采樣點的污染物濃度和計算結(jié)果。

圖2 PC端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3.2 污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)手機端功能

用戶登錄：用戶登錄是用戶在手機客戶端通過輸入正確身份信息，連接遠程服務(wù)器對操作用戶的賬號信息進行驗證并獲得數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限。

GPS定位：本功能要求用戶在手機的“設(shè)置”中的“位置服務(wù)”中選擇“GPS衛(wèi)星”。用戶在進入數(shù)據(jù)采集界面后，選擇“開始定位”功能時調(diào)用手機此時刻的定位信息并在此界面中顯示此位置信息 ，保存到本地數(shù)據(jù)庫。利用GPS定位功能對正在進行現(xiàn)場勘測的采樣點準(zhǔn)確定位，根據(jù)定位信息填寫現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)的功能有獲取采樣點的位置信息，數(shù)據(jù)的輸入、分類整理以及儲存和上傳到服務(wù)器等功能，為野外現(xiàn)場調(diào)查的評估工作者提供一個存儲、整理資料的平臺。

數(shù)據(jù)分析與上傳：完成對采樣點的定位功能后，輸入到軟件中的土壤調(diào)查信息可直接存儲到本地數(shù)據(jù)庫文件中。用戶可對現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進行數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)處理等操作；確認(rèn)無誤后，可直接通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。

2.3 數(shù)據(jù)模擬

根據(jù)《污染場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》，污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)內(nèi)置了9種主要暴露途徑和暴露評估模型，包括經(jīng)口攝入土壤、皮膚接觸土壤、吸入土壤顆粒物、吸入室外空氣中來自表層土壤的氣態(tài)污染物、吸入室外空氣中來自下層土壤的氣態(tài)污染物、吸入室內(nèi)空氣中來自下層土壤的氣態(tài)污染物共6 種土壤污染物暴露途徑和吸入室外空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物、吸入室內(nèi)空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物、飲用地下水共3 種地下水污染物暴露途徑。下文以某工業(yè)區(qū)經(jīng)皮膚接觸途徑為例介紹軟件的主要功能。

2.3.1 數(shù)據(jù)計算與分析

取某一采樣點，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采樣點數(shù)據(jù)

注：ND表示未檢出

數(shù)據(jù)輸入后如下圖所示，即可由左側(cè)導(dǎo)航欄選擇計算結(jié)果查看或由菜單欄“數(shù)據(jù)”一欄導(dǎo)出結(jié)果，如圖3、圖4所示。

圖3 計算結(jié)果

圖4 計算結(jié)果分析

2.3.2 污染分布

重復(fù)以上數(shù)據(jù)輸入操作或直接由服務(wù)器下載數(shù)據(jù)即可得到多點的污染風(fēng)險評估結(jié)果，利用系統(tǒng)對arcgis的接口與用戶所給的地理及坐標(biāo)信息，即可通過致癌風(fēng)險是否可接受對采樣點分類，繪制污染分布圖，如圖5所示。

3 結(jié)論與展望

該系統(tǒng)能較好地完成輔助評估工作者完成風(fēng)險評價的功能，在分析計算場地數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上能做到分析結(jié)果的多格式輸出，可輔助風(fēng)險評估的從業(yè)人員輔助編制報告，特別針對多點源污染能夠完成污染分布狀況分析，填補了諸多軟件的這一空白。相比其他如HERA軟件，尚存在如理化毒性參數(shù)包含的污染物種類較少的問題。

污染場地風(fēng)險評估系統(tǒng)的Android端將調(diào)查結(jié)果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到PC服務(wù)器端；PC端通過互聯(lián)網(wǎng)獲得安卓端提供的數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫進行保存，利用計算模塊分析計算，并將計算結(jié)果多形式地反饋給用戶，Android端和PC端的結(jié)合可更大程度的利用現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)勢，減少工作人員工作量，提高工作效率。

該系統(tǒng)還預(yù)留了土壤修復(fù)管理等功能的程序接口，后續(xù)版本中將實現(xiàn)依據(jù)本軟件分析計算結(jié)果，確認(rèn)場地污染狀況，基于《污染場地土壤修復(fù)技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.4-2014)[16]提出修復(fù)目標(biāo)，確認(rèn)修復(fù)要求，進而篩選修復(fù)技術(shù)和制定修復(fù)方案[17]。