基于加密布點(diǎn)優(yōu)化的土壤污染調(diào)查精度研究

鐘 茜，樓 春，林輝斌

(杭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引言

土壤污染一般為工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)污染，當(dāng)土壤中污染物含量過多超過土壤的自凈能力范疇時(shí)，就會(huì)造成土壤污染。污染物一般可以分為無機(jī)污染物和有機(jī)污染物，污染類型以無機(jī)為主，有機(jī)次之，其中復(fù)合型污染比重相對(duì)較小，常見的土壤污染物有酸、堿、重金屬、某些化合物、農(nóng)藥等。目前我國(guó)土壤污染的總體形式比較嚴(yán)峻，為了保證人體健康，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行調(diào)查和研究分析，并結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提高土壤污染調(diào)查精度，保證調(diào)查結(jié)果的有效性。

2 材料與方法

2.1 研究地概況

研究地選擇為多個(gè)化工企業(yè)和研究所舊址組成的區(qū)域，此前該區(qū)域企業(yè)主要生產(chǎn)的化工類產(chǎn)品為農(nóng)藥，其中As(砷)是主要的農(nóng)藥生產(chǎn)原料之一，As是一種非金屬元素，根據(jù)世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的《致癌物清單初步整理參考》，As和無機(jī)As化合物屬于致癌物，其中As化合物均有毒[1]。由于該區(qū)域后續(xù)將建立居民區(qū)，因此按照《環(huán)境保護(hù)法》《土地管理法》等法律法規(guī)要求，必須對(duì)該區(qū)域的土壤污染情況進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果使用相應(yīng)的土壤污染治理手段。

2.2 數(shù)據(jù)采集與測(cè)定

根據(jù)研究地區(qū)域的地理情況和廠房、辦公樓分布情況，利用該區(qū)域的地形圖確定場(chǎng)地土壤初查點(diǎn)位布設(shè)，其中初查點(diǎn)位共有79個(gè)，后續(xù)布點(diǎn)數(shù)為100個(gè)，共179個(gè)樣點(diǎn)。根據(jù)樣點(diǎn)布設(shè)的位置與地形圖對(duì)照，在每個(gè)樣點(diǎn)處進(jìn)行采樣，采樣方法如下：第一步使用采樣機(jī)器在采樣點(diǎn)采集深度為20cm的土壤；第二步使用木鏟對(duì)采集的土壤進(jìn)行剔除篩選，去除石塊、枝葉等雜物；第三步將土壤裝入潔凈的密封袋中妥善保存，完成采樣[2]。

根據(jù)《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測(cè)定》(GB-T 22105.2—2008)的砷測(cè)定要求，采樣土壤中As的測(cè)定方法如下。第一步將采樣的樣品進(jìn)行加熱消解；第二步向樣品中加入硫脲和硼氫化鉀；第三步將氬氣導(dǎo)入石英原子化器，使其進(jìn)行原子態(tài)轉(zhuǎn)化；第四步使用熒光光度計(jì)對(duì)處理后的樣品進(jìn)行檢測(cè)，確定As濃度含量[3]。

2.3 研究方法

2.3.1 土壤污染調(diào)查加密布點(diǎn)方法

本次土壤污染調(diào)查采用加密布點(diǎn)方法，同時(shí)，為了解決區(qū)域局部土壤(主要廠房區(qū))污染嚴(yán)重的問題，本次使用的調(diào)查方法與污染概率分析相結(jié)合使用。在進(jìn)行初步調(diào)查布點(diǎn)之后，根據(jù)布點(diǎn)情況進(jìn)行分析，可以確定是否有某些區(qū)域的土壤污染較為嚴(yán)重，如果存在此類區(qū)域，就需要確定該區(qū)域的污染概率，采用的方式是概率制圖方法。本次研究中使用到的概率制圖方法為指示克里格法，這種方法可以用于計(jì)算有特異值的數(shù)據(jù)，適用于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中，通過使用指示克里格法進(jìn)行計(jì)算，本次研究地的污染概率取值范圍為0～1，其中污染取值越大則污染超標(biāo)的可能性越大，也即污染情況越嚴(yán)重，污染取值越小則土壤污染指標(biāo)越小，也即土壤相對(duì)更清潔[4]。通過計(jì)算分析，在制圖完成后可以獲得污染概率的范圍，之后結(jié)合研究地所在城市的地質(zhì)情況背景劃定閾值，由于研究地不同區(qū)域的土壤污染程度很可能存在較大差異，部分區(qū)域的土壤污染相對(duì)更為嚴(yán)重，因此可以根據(jù)不同污染程度的區(qū)域確定不同概率的閾值。經(jīng)過對(duì)比和誤差分析，可以確定最終閾值為0.2。之后，根據(jù)劃定的污染區(qū)域確定加密區(qū)域，并在其中再次布設(shè)點(diǎn)位，其中，由于廠房一般為生產(chǎn)農(nóng)藥等化工品的場(chǎng)所，其與原材料倉(cāng)庫(kù)以及廢料排放區(qū)的污染物含量相對(duì)要更高，因此此類區(qū)域需要重點(diǎn)研究，此類區(qū)域應(yīng)當(dāng)增加布設(shè)點(diǎn)位，具體方法是通過對(duì)土壤污染物空間變化的分析，確定樣點(diǎn)位置與污染物變化的關(guān)系，結(jié)合土壤污染物含量變化的方向布設(shè)樣點(diǎn)[5]。本次土壤污染調(diào)查加密布點(diǎn)方法工作流程如圖1所示。同時(shí)，為了對(duì)比傳統(tǒng)加密布點(diǎn)方法與本研究中改進(jìn)的加密布點(diǎn)方法的區(qū)別和最終結(jié)果，使用普通布點(diǎn)方法再次布設(shè)一批加密點(diǎn)，并將最終結(jié)果形成對(duì)比和分析。

圖1 本次土壤污染調(diào)查加密布點(diǎn)方法工作流程

2.3.2 加密精度分析方法

加密精度分析方法研究參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)，為確定本次研究所使用的加密布點(diǎn)方法所獲得的數(shù)據(jù)精度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)最終得出的污染區(qū)域范圍的分析來反應(yīng)其精度。具體方法如下，第一步將土壤污染數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)轉(zhuǎn)換；第二步將半變異函數(shù)進(jìn)行擬合；第三步對(duì)初查點(diǎn)位、普通加密點(diǎn)位、污染概率加密點(diǎn)位和總體點(diǎn)位進(jìn)行污染區(qū)域預(yù)測(cè)，方法采用普通克里格法；第四步將預(yù)測(cè)的污染區(qū)域柵格化，得出污染區(qū)域的面積以及在研究地總面積中的占比[6]。使用到的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中Rp是污染概率分區(qū)，Rcv是污染變異系數(shù)分區(qū)，Z(x)是根據(jù)研究地土壤條件所預(yù)測(cè)的土壤污染物含量，Zc是土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Pt是被污染土壤概率閾值，Ct是清潔土壤概率閾值，CVx是局部變異系數(shù)，CVt是變異系數(shù)閾值[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本次數(shù)據(jù)處理使用到的軟件有GS+7.0軟件、ArcGIS 10.5軟件和SPSS軟件，其中GS+7.0軟件用作研究區(qū)內(nèi)土壤的空間結(jié)構(gòu)分析，以及加密精度分析時(shí)的半變異擬合；ArcGIS 10.5軟件使用Geostatistical Analyst工具，通過其計(jì)算所布設(shè)的所有樣點(diǎn)以及每個(gè)樣點(diǎn)與其相鄰樣點(diǎn)的變異系數(shù)，并在ArcGIS 10.5軟件中完成采樣網(wǎng)格設(shè)計(jì)和初步調(diào)查樣點(diǎn)設(shè)計(jì)，以及所有的空間制圖。SPSS軟件用于分析各點(diǎn)位土壤中的As濃度數(shù)據(jù)及其正態(tài)轉(zhuǎn)化，并根據(jù)最終所得出的結(jié)果進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)[8]。

3 結(jié)果與討論

3.1 加密布點(diǎn)結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)處理中對(duì)79個(gè)初查點(diǎn)的描述性統(tǒng)計(jì)，可以得出所獲取的初查點(diǎn)數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，并且，根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)可以確定其中的最小值為1.27 mg/kg，最大值為88.45 mg/kg，平均值為14.62 mg/kg。當(dāng)以As的篩選值(20.00 mg/kg)作為閾值時(shí)，通過使用指示克里格方法插值從而獲得污染概率分布圖[9]。如圖2所示，其中圖2a為指示克里格方法預(yù)測(cè)的污染概率分布情況，圖2b為通過計(jì)算所提取的加密區(qū)域。

通過對(duì)加密布點(diǎn)結(jié)果的分析，可以得出以下內(nèi)容：①研究地污染較嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在西北角，污染最嚴(yán)重的概率范圍最高接近0.8(污染概率范圍最高不超過1.0)，最低不低于0.4；②以污染最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)橹行模蛲庵饘游廴靖怕食室来谓档偷内厔?shì)，由此可見污染概率較高區(qū)域的土壤對(duì)周邊土壤可能也會(huì)造成影響，使得周邊土壤被污染但污染概率相對(duì)較低[10]；③根據(jù)對(duì)圖2a的分析，取擬合效果最好的0.2作為最終閾值，得出圖2b，由圖2b可得污染概率為0.4～0.8的區(qū)域與污染概率為0.2～0.4的區(qū)域整體面積相差不多，但分布情況完全相反，污染概率為0.4～0.8的區(qū)域相對(duì)集中，此范圍可以適當(dāng)增加加密點(diǎn)位設(shè)置[11]。

3.2 精度分析結(jié)果及討論

將研究區(qū)中設(shè)置的所有的點(diǎn)位的污染數(shù)據(jù)整合，并進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，之后將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)轉(zhuǎn)換和半方差函數(shù)擬合，然后進(jìn)行污染區(qū)域預(yù)測(cè)，使用普通克里格方法。得出污染區(qū)域預(yù)測(cè)情況后，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析利用ArcGIS 10.5軟件確定研究區(qū)污染面積和污染分布情況[12]。研究區(qū)中布置的各點(diǎn)位情況的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示。

圖2 污染概率分布

表1 研究區(qū)各點(diǎn)位情況統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

根據(jù)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出:①未加密布點(diǎn)、污染概率加密布點(diǎn)和全面布點(diǎn)的半變異函數(shù)(R2)分別為0.74/0.80和0.82，這表明經(jīng)過正態(tài)變換和半方差函數(shù)擬合后的數(shù)據(jù)能呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，數(shù)值符合克里格差值的相關(guān)要求；②根據(jù)對(duì)普通加密布點(diǎn)和污染概率加密布點(diǎn)兩種布點(diǎn)數(shù)據(jù)中和C0+C的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以得出2種布點(diǎn)方式下的值C0/(C0+C)分別為8.09%和0.15%，由此可見污染概率加密布點(diǎn)方式相比普通加密布點(diǎn)方式得出數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性更明顯，但整體而言兩者得出的數(shù)據(jù)都具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，不過根據(jù)兩者數(shù)據(jù)的比較，可知雖然數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性較強(qiáng)，但是作用范圍相差不大[13]；③在面積精度數(shù)據(jù)的對(duì)比中，可以看出全面布點(diǎn)的情況下污染面積占比為8.57%，而未加密布點(diǎn)的污染面積占比5.44%，由此可見，如果全面布點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠代表研究區(qū)土壤的真實(shí)污染情況，那么未加密布點(diǎn)所得出的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)將相差3.13%，也即與實(shí)際情況存在較大的偏差[14]。

4 不足與展望

4.1 不足與局限

根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，本文中的研究仍然存在不足與局限，具體內(nèi)容如下：①根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，普通加密布點(diǎn)計(jì)算出的污染面積占比相比未加密布點(diǎn)的污染面積占比更小，也即所得出的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，這可能是在計(jì)算中因?yàn)椴捎昧丝死锔穹ǖ脑恚沟貌荚O(shè)點(diǎn)位比例增加，從而導(dǎo)致閾值邊緣區(qū)域向清潔區(qū)域偏移，使原本的污染區(qū)域被判定成了清潔區(qū)域，造成研究結(jié)果的不精準(zhǔn)；②因?yàn)樵诒敬窝芯恐胁键c(diǎn)是考慮了研究地原本的地理位置和建筑物情況分布等內(nèi)容，在布點(diǎn)時(shí)相對(duì)主觀性更大，很多布點(diǎn)可能并非是最佳的布點(diǎn)，這在某種程度上也會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生影響；③在加密方法布置的點(diǎn)位中，主要是在預(yù)測(cè)污染較為嚴(yán)重的區(qū)域布設(shè)，在研究區(qū)邊界處并沒有進(jìn)行布設(shè)，這也導(dǎo)致在最終的結(jié)果分析時(shí)無法很好地確定研究區(qū)邊界處的土壤污染情況。

4.2 展望

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，其為社會(huì)帶來正向影響的同時(shí)，對(duì)土地資源的影響也逐漸加大，尤其是在土壤污染方面，土壤污染會(huì)間接的導(dǎo)致水污染，一方面對(duì)人體健康造成危害，另一方面對(duì)農(nóng)作物的綠色無公害會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此對(duì)土壤污染情況進(jìn)行調(diào)查研究，采取相應(yīng)的防治措施至關(guān)重要[15]。本文所研究的土地污染調(diào)查方法是基于原有的加密布點(diǎn)方法，通過對(duì)研究地污染情況的相關(guān)了解，加以對(duì)污染概率的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)加密布點(diǎn)方法調(diào)查土壤污染情況的優(yōu)化。根據(jù)對(duì)本次研究的相關(guān)分析可知其還有很多不足，但整體而言，這種方法能夠較為精準(zhǔn)的確定污染超標(biāo)范圍，在布點(diǎn)上能夠節(jié)約大量成本，并且可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)化驗(yàn)時(shí)間，在一定程度上能對(duì)后續(xù)的土壤修復(fù)提供幫助。

5 結(jié)語

在土壤污染情況調(diào)查中，加密布點(diǎn)方法是一種比較實(shí)用的調(diào)查方法，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于加密布點(diǎn)的研究和相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以污染概率為導(dǎo)向，根據(jù)調(diào)查地的地質(zhì)環(huán)境資料和歷史變革情況，合理進(jìn)行加密布點(diǎn)，進(jìn)一步確定嚴(yán)重污染區(qū)域和污染程度。結(jié)合對(duì)調(diào)查結(jié)果的相關(guān)研究和精度分析，可以準(zhǔn)確地確定該地域被污染的情況，并且調(diào)查效率比較高。根據(jù)調(diào)查結(jié)果能夠更好地開展后續(xù)的土壤修復(fù)工作，降低土壤污染，使土壤質(zhì)量有顯著提高。