數字化技術在工業場地污染治理工程中的應用

陳奕燁 劉 怡 楊真惠 張曉超 衣 俊

上海建工環境科技有限公司 上海 200003

目前，數字化技術多數應用于工業[1-2]、農業[3]、工程測量[4]、企業運營[5]等方面，而在污染防治相關領域內相對受限[6]。生態保護和環境修復領域涉及學科交叉、內容廣泛，很多決策往往依賴數據分析，其面臨的重要挑戰之一就是如何處理海量、無序的信息[7]。基于上海市某建設用地土壤修復工程的經驗和教訓，探索工業污染場地發展轉型中污染治理與數字化應用的深度融合，旨在總結一套可復制、可推廣的污染防治新模式。

1 傳統污染治理工程依賴數據管理

傳統污染治理工程普遍存在輕調查設計、重工程的傾向。很多污染地塊為了加快流轉忽略了調查和評估的重要性，導致后續深入治理甚至開發再利用過程中出現隱患，造成了環境二次污染和人體健康風險。還有一些污染地塊由于調查精度不高，導致過度修復破壞了土壤原有理化性質和生態功能，造成了經濟和生態雙重浪費，不具有可持續性。此外傳統的數據采集模式通常為人工統計，容易造成數據采集不及時或數據空白等情況，要實現精準調查、精準修復，傳統修復作業是難以實現的。為此，對土壤環境數據的統籌分析，是實現污染治理工程現代化、智能化管理的基礎，而數字化技術在其中起到關鍵作用。

數字化技術在土壤修復工程的實現途徑是另一難點。土壤污染治理在早期側重于清除污染源，但隨著城市更新和可持續發展，這種傳統粗放的修復模式成本過高。近年來，上海在城市老舊工業區的污染治理上逐漸啟用了新思路，這些老工業基地所在的工業區通常具有污染分布廣、污染種類繁多、污染體量大等特點，若采用傳統的修復模式逐一修復，不僅需要大量的成本，還造成設備、人才的緊缺。新思路旨在綜合考慮土壤和地下水污染風險、規劃用地功能、區域環境條件及地塊開發進程等因素，因地制宜，合理選址，通過建立“修復工廠”，對周邊區域的污染土壤進行集中修復。

2 “修復工廠”模式為數字化應用奠定基礎

自2012年來，上海寶山區南大地區啟動土壤綜合整治工作。調查結果顯示該區域疑似存在高風險、高污染企業地塊共計182個，在初步調查過程中，針對前期污染識別的疑似污染區域進行了24個試點項目地塊合計129個點位數的詳細調查，結果顯示24個地塊均出現超標且均為復合型污染地塊，超標點位數合計為57個。上海寶山區南大地區項目整體情況不僅污染地塊分布散，且污染地塊污染情況復雜。若采用傳統的修復模式逐一修復，不僅需要大量的成本，還造成設備、人才的緊缺。

為破解建設用地土壤修復項目臨時設施重復建設、大型機械反復轉場等問題，以寶山區南大地區試點示范項目為切入點，上海市開展了大區域集中式處置的“修復工廠”模式探索。根據試點經驗，修復工廠主要優點如下：

1）僅在修復工廠進行場地硬化和設備安裝，其他修復地塊不再建設，避免資源浪費，節約成本，縮短工期。

2）修復工廠存續時間長，可以集成多種污染土壤地下水修復技術、材料、工藝和裝備的現場驗證研究功能，為研發工作提供大尺度試驗條件；修復設施運行時間長，因此配套的環保設施可以按照更高標準設計、施工和運行，更有利于降低二次污染；根據合理規劃，可以使修復工廠產生的修復后的土壤量更穩定，以便于實現修復后土壤的資源化統籌利用。統一管理、集中處置，可以避免各個地塊都要設立單獨的設備和人員，設備集中處理的效率也得以提高，不僅節省了修復成本，提升了修復效率，還降低了二次污染的風險。基于這些優點，集中修復模式在大區域復雜場地治理修復項目中具有較強的復制推廣價值。

3 “環境修復＋智慧管理”的實際應用場景

土壤修復與常規市政污水處理、大氣污染治理等相比有較高的復雜性和隱蔽性，場地調查、風險評估、修復工程和效果評估重點圍繞數據展開，尤其在主體修復工程中，不僅要統計修復工程量、藥劑使用量等基礎數據，還要兼顧二次污染防治、人員職業健康風險管理等，待采集的數據分布廣、深度大。為此，針對城市再開發場地污染治理修復，亟待研發形成一套可復制、可推廣的環境修復與數字化結合應用的新模式。

基于“環境修復＋智慧管控”的理念，本研究開發了一款適用于污染修復項目施工全過程監管的智慧化管控平臺。該平臺為一套由12塊全高清液晶拼接屏組成的、4×3陣列布局的拼接系統。拼接器提供12路視頻信號輸入，將智慧感知層獲取的數據安全、準確和高效地傳輸到管理層（圖1）。在平臺試運行過程中，發現了不同修復技術在實際工程實施和管理中的不足，基于此，進一步優化了各類模塊的參數及其關聯。例如關于項目中的地下水修復和土壤修復相關數據的分布問題，前期開發中更多地側重于對數據信息的采集，多以圖表形式顯示。后期為了更為直觀地查看土壤和地下水污染的分布情況、污染物的類型以及污染深度等，對“工程透視”模塊運用地理信息系統（GIS）、建筑信息模型（BIM）、物聯網（IoT）和人工智能等技術對污染物修復過程中的各關鍵數據進行更加全面的錄入，尤其是地下土深基坑等數據。

圖1 智慧化管控平臺系統架構示意

BIM＋GIS技術有強大的數據分析、處理功能，具有高可視、高精準、高便捷的特點。利用信息系統從分子尺度到區域尺度的綜合模擬仿真能力，準確識別和調控土壤微觀尺度的結構和支撐生命功能到區域尺度的景觀演變，構建基于土壤類型、污染類型、區域特性和土地功能的多維度、多尺度和全過程的土壤環境基礎調查數據。通過對該技術的應用，可減少設計與施工的誤差、提高施工效率，減少管理成本。IoT技術可實現人、物互聯，對于風險管控來說，借助IoT設備可實現數據實時上傳，減少信息延遲，以最快速度尋找問題源頭，及時處理，減少風險持續擴大可能。對于工程應用而言，該技術可打通數據與控制間的隔膜，建立聯動機制，實現“無人化”辦公。IoT技術是智慧化管理平臺的基石，打通了數據孤島，提升數據收集、處理效率，優化了工程人力資源調配。人工智能技術在人員安全管控與二次污染防治方面都有出色的表現。該技術是標準化、規范化管理施工現場的極大助力。與傳統的人工管理相比，AI智能的高速、高精識別可在風險初期就將其捕獲。即時報警系統提升了管理效率，優化了人力資源配置。資源自動建檔保證了全部數據可溯源，大大提升了風險管控的準確性與及時性。

在土壤和地下水修復工程中，施工現場相關的人員、視頻監控、環境監測、運行監測、上層土和下層土以及地下水等信息如何直觀地呈現給施工管理人員是個需要解決的問題。通過引入BIM模型，并加上輕量化平臺，使得用戶可以通過瀏覽器就能直觀地查看相關信息，做到了真正的“工程透視化”管理和展示（圖2、圖3）。通過解決數據采集不全面，項目進度不及時等治理工程的基礎難題，該平臺目前已在上海桃浦、寶山等地區建設用地土壤風險管控和修復項目中推廣應用。

圖2 智慧化管控平臺系統架構

圖3 智慧化管控平臺可視化展示

經總結，智慧化管控平臺主要有2方面優勢：

1）從專業化、精細化方面，對土壤修復、地下水修復的相關專業領域以及修復過程中相關的人、機、料、法、環，通過軟硬件結合，注入精細化管理理念，對平臺進行升級，建設HSE管控體系。

2）使用智慧化管控平臺可節約近一半的勞動力成本，可長時間不間斷地監測環境數據、污染物濃度等指標，大大減少了現場施工人員的工作難度，杜絕由人工作業導致的體力等工作壓力產生的監測不及時。通過對土壤污染修復中環境風險和安全風險進行智能識別，實現土壤污染修復施工過程可視化工具安全智能監測和自動報警，可以有效地杜絕施工人員的安全隱患。

平臺整體功能滿足污染風險管控修復施工管理體系要求，利用智能終端和傳感設備，并借助信息技術，不僅實現了施工現場日常辦公全面無紙化升級，還能通過采集各類信息數據，挖掘分析和可視化展現，并根據環境監測數據采取相應的防護措施，為現場工人的施工環境和周邊居民的生活環境提供保障。數字化技術可顯著提高土壤污染修復項目施工的工作效率和管理效率，為推進環境管理轉型，提升生態環境治理能力，實現“環境修復＋智慧管控”治理模式提供了有力支撐。

4 數字化技術在土壤污染防治中的應用

2021年7月上海市生態環境局發布了《上海市建設用地土壤污染風險管控和修復施工過程環境管理技術要求（試行）》（滬環土〔2021〕166號文，以下簡稱“166號文”），強調今后進行土壤污染風險管控和修復工程要在開工前按照該技術要求，將施工過程相關機械、視頻監控和環境監測類設備接入上海市土壤污染防治綜合監管信息平臺，土地使用權人要督促其委托的從事土壤污染風險管控和修復活動的單位加強施工過程的管理。土壤污染風險管控和修復施工本為隱蔽工程，而上述技術要求的實施使得工程變得透明、可追溯，這是上海市在深入打好凈土保衛戰中做出的先驅嘗試。

自2021年8月起，上海市所有新建土壤污染風險管控和修復工程均積極響應166號文要求，雖然這對全市甚至全國都是一件利好事情，但在執行層面也遇到了幾個問題：

1）項目體量較小，若按照技術要求安裝視頻監控和環境監測等設備有些大材小用。

2）項目工期較短，可能在設備處于安裝調試階段主體工程已完成，沒有起到監管的作用。

3）修復設備裝備化水平有限，多數從業單位自有的修復設備較難滿足新的技術要求，更新模塊或研發新裝備的周期較長，單一修復設備的使用率不高。

“修復工廠＋智慧管理”通過統籌資源，使其能夠在時間、空間上將數字化和工程項目有效結合。以寶山區南大修復工廠為研究對象，上述環境管理從分散項目單獨管理轉化為修復工廠統籌管理，這種處置方式優勢在于：

1）節約環境管理成本。通過在修復工廠統一設置視頻監控、環境監測等設備，提高設備利用率，降低單體項目在環境管理中的投入。

2）強化二次污染防治。通過在修復工廠建立覆蓋全場的環境監控設備，避免了傳統污染地塊原址治理不及時、不全面引發的二次污染現象。

3）增加數據采集分析和預警功能。在修復工廠布設多種數據采集傳感器，統一通過物聯網發送數據至云端服務器，并對其中污染物警戒值進行超標篩選，判定為超標則進行移動端報警推送并自動啟動圍欄噴淋等應急程序。

5 結語

數字化技術使污染治理工程由隱蔽轉為透明、從無序走向有秩序，隨著數字化轉型不斷推進，其在生態治理領域的應用會更加成熟。本文通過總結數字化技術在修復工廠中的應用經驗，為今后上海乃至全國土壤污染綜合防治提供了新的研究思路。