污染場地損害調查中土壤布點方法的探討

張蕭漢

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

引言

近年來，隨著我國大量工業企業響應產業結構調整政策，關停原廠址并搬遷，產生了大量高污染風險的污染場地。這些污染場地不僅造成土壤資源的浪費，妨礙城市化建設和社會經濟發展，還嚴重威脅當地居民和周邊人群的身體健康，對當地生態環境建設與恢復造成了嚴重的經濟損失。

土壤調查是獲取土壤環境狀況與污染空間分布信息的重要手段，在土壤污染調查采樣工作中，密集的布設采樣點雖然可以詳細地反映研究區污染情況，但需要耗費大量的成本消耗大量的時間；稀疏的布設采樣點盡管可以節省調查費用，但往往容易丟失重要的污染信息，增加土壤污染調查結果的不確定性。郝易成等通過研究發現，并非加密點數量越多越能提高污染范圍的估計精度，相反加密布點數的增加在某些時候反而會降低采樣效率。趙業婷等發現在采樣點布設方法的研究中，使樣點盡可能具有代表性比盲目增加采樣數目對采樣效率的提升更為重要，因此采樣點位布設是土壤調查的眾多環節中最關鍵的步驟[1-4]。土壤采樣點布設方法的研究是在研究區內確定一定數目具有全局代表性的采樣點的最佳位置，使其能準確高效地獲得研究區土壤污染信息并盡可能地降低采樣點布設成本，提升調查采樣的精度。

1 土壤布點原則

土壤調查布點原則是一般地表土壤調查中，采樣位點要選擇的原則。其是指以地類、土質、土壤類別等為依據，結合植被、地表構造、水文條件等現象，根據需要而確定的調查點的位置及設置的數量。通常，采樣點位的布設需遵循以下原則。

1.1 不同土壤類型都要布點

采樣時應依照不同的土壤種類，運用現場X射線熒光快速檢測儀(XRF)等快速設備的檢測結果，盡量取得污染最嚴重的樣品，確保采集的土壤樣品最具代表性。

1.2 布點密度要有針對性

污染地區布點要密些，在土壤污染監測中要優先布置在污染嚴重、影響農業生產活動的地方。如，在由污水或被污染的河水引起的農田土壤調查中，采樣點位的布設應按水流方向帶狀布點，采樣點位的設定應該按照污染遷移方向由密漸疏。在大氣污染物、固體廢物污染引起的土壤調查中，布點應當以污染源為中心，參照風向和地表水的徑流方向這類影響污染物遷移的因素來確定。

1.3 合理劃分采樣模塊

在土壤調查工作中污染場地的面積往往較大，需要劃分成若干個采樣模塊，同時在未受污染源影響，較為清潔的區域選擇對照模塊，同一類別模塊間的差別要盡量減少，要在非污染區的同類土壤中布設一個或幾個對照采樣點。

1.4 布點注意事項

采樣地點不應位于田邊、溝底、路旁、肥堆旁，或水土流失嚴重和地表土壤遭到污染的區域。取樣前應先除去地表的枯枝落葉，有植被覆蓋的地點應先去掉植被及其根部。取樣時要清除礫石等雜物。要注意定期清理取樣設備，防止交叉污染，影響檢測結果。

2 布點方法及其特征

我國《建設用地土壤污染狀況調查技術導則》(HJ 25.1)[5]中提出，常見的布設方法主要有4種：系統隨機布點法、專業判斷布點法、分區布點法、系統布點法(網格布點法)。在國家導則《建設用地土壤污染狀況調查技術導則》(HJ 25.1-2019)和《建設用地土壤污染風險管控和修復監測技術導則》(HJ 25.2-2019)[6]中對建設用地土壤污染調查采樣點布設方法均給出了指導性的意見，其中，《建設用地土壤污染風險管控和修復監測技術導則》(HJ 25.2-2019)中提到了常見的2種布點方法：對可識別使用功能區的地塊，應選擇工作單元中央或單元內有明顯污染的部位進行布點；對于污染情況均勻和地貌嚴重破壞的地塊難以識別具體污染位置的，可采用系統隨機布點法。

在實際場地的土壤采樣調查過程中，由于場地污染的復雜程度情況與地形地貌的不同，因此采取不同的樣點布設方法。在調查區域內的污染分布不均與污染類型復雜的情況下，為摸清整個調查場地的污染情況，排查存在的污染風險，優先采用系統布點法或網格布點法；在已知調查區域內的重點污染源種類與分布區域，則可聯合采用專業判斷布點法與分區布點法2種樣點布設方法對可能存在嚴重污染的地塊重點布設樣點。本文將土壤調查中的采樣點布設方法歸納為經典采樣布點法、空間形態布點法、地統計學布點法3大類。

2.1 經典采樣布點法

在不具備研究區先驗知識的情況下，需通過實地采樣來獲取樣點，此時采樣方法的選擇依賴于經典采樣法，經典的采樣方法使用普遍，但往往布設的樣點較多，一般應用于初步調查采樣和場地污染信息缺乏的全面采樣。

2.1.1 隨機布點法

隨機采樣法是從研究區域中對各個采樣單元都賦予同等概率被選取的采樣方法，在場地區域污染程度較為均勻的條件下，可將場地區域均勻分為若干地塊，并在各區域內隨機布設采樣地點，其過程具有隨機性，可以避免主觀影響，具有最小的采樣方差。該方法采用的布點方式較為簡單，隨機性強，但不能用在污染較為復雜的土壤調查中，布點結果不一定具有代表性，因為隨機抽樣其特性使得采樣點分布并不均勻，甚至會出現局部集中和局部空缺的情況。

2.1.2 網格布點法

場地分為面積相等的若干地塊，每個地塊布設1個樣點，精度受網格大小影響，網格越小精度越高，適用范圍廣，特別是場地原始狀況嚴重破壞，土壤污染分布不明確情況。目前，該方法仍然是實際應用中最為普遍的方法。

2.1.3 分區布點法

場地分為相對均勻的區域，如生產區、辦公區、生活區，根據場地面積及污染特征確定布點，反映場地潛在污染區域，區塊劃分對結果有較大影響。該方法適用于場地各地塊功能分區明顯，土壤原始狀況保持良好，污染分布不均勻的污染場地。該方法精度高、誤差小、代表性較強，但需要較為豐富的先驗知識做支撐。

2.2 空間形態布點法

在特定類型的土壤區域調查研究中，因其污染區域面積大小、地勢地形條件不同，導致污染物分布的均勻程度不同，亦或是按照一定規律的路徑進行遷移轉化。此時，可以參考研究區先驗知識在特定的位置進行布點，以獲得更好的布點效率。

2.2.1 對角線布點法

適用于面積較小、地勢平坦的污水灌溉或污染河水灌溉的田塊。一般采樣點不少于5個。通常沿進水方向至出水方向引一條斜線，根據田塊的面積以及區域特征，布設出可將對角線等分的若干采樣點。

圖1 對角線布點法示意圖

2.2.2 梅花形布點法

適用于面積較小、地勢平坦、土壤污染程度較均勻的地塊。通常以地塊的兩對角線相交位置為中心點，一圍繞該點般布設5～10個采樣點。

圖2 梅花形布點法示意圖

2.2.3 棋盤式布點法

適用于中等面積、地勢平坦、地形完整開闊，但土壤污染程度較不均勻的地塊，可用于受固體廢物污染的土壤調查。該方法與前文中提到的網格布點法類似，布點精度受棋盤網格的密度影響，根據地塊面積和場地實際情況均勻布設20個以上采樣點。

圖3 棋盤式布點法示意圖

2.2.4 蛇形布點法

又稱“S”形布點法，適用于面積較大、地勢不平坦、土壤污染程度不夠均勻的地塊。

圖4 蛇形布點法示意圖

李梅等[7]在研究GIS支持的探索豫東地區土壤野外采樣布點方法時認為，在環境因素簡單的監測區常采用網格法進行布點，該方法具有樣點分布比較均勻，更穩健地反映研究區土壤性質及方差特征，相對快速及易于用計算機軟件進行處理的優點。雷敏等[8]對農田土壤鎘污染的采樣布點方法進行研究，在比較對角線法、梅花形采樣和網格布點法的總體均值時發現，農田土壤鎘含量與分布是否均勻、污染來源多樣都未知的情況下，選擇網格隨機法更可靠。

2.3 地統計學布點法

近年來，地統計學的方法廣泛應用于土壤污染調查采樣布點的研究中，地統計學法基于土壤污染的空間自相關性，運用空間插值或條件模擬的方法，預測土壤污染空間分布，優化點位布局，提高布點效率。地統計學中的指示克里格法可以對非正態分布的研究數據進行污染概率預測，通過轉換函數對數據進行二值轉換，減少極值對數據空間分布以及半方差函數擬合的影響，然后插值得出土壤污染含量超過閾值的污染概率空間分布圖。在此基礎上可以確定可信度較高的土壤重金屬污染和未污染區域，為土壤重金屬污染調查采樣點布設位置的確定提供參考和依據。

吳春發[9]利用指示克里格法，預測分析了研究區土壤中各種重金屬的污染概率空間分布情況，并劃分了不同土壤重金屬污染空間范圍；謝云峰等[10]利用指示克里格條件模擬方法預測土壤中Cu、Pb含量的空間分布，在多次模擬結果的基礎上估算重金屬元素的污染概率，基于概率閾值確定污染區范圍。目前基于地統計學的合理采樣布點數目研究具有諸多優勢，可以有效減少采樣數量得出相應的合理采樣數，但在應用上也存在著一定程度的不足，如合理采樣數的確定需要有大量先驗數據作為數據支撐，并且依賴于大量采樣后所得的變異函數，但在實際土壤調查采樣工作中，并不能提前獲得大量的樣本數據求取變異系數，因此在實際采樣布點工作中存在一定的局限性，不適用于初步調查采樣和缺少場地污染信息的全面采樣[11-13]。

3 結語

針對土壤重金屬污染損害的復雜性、不可預測性和動態變化性，開展快速、經濟、準確的土壤污染調查采樣布點工作，高效掌握場地重金屬污染狀況是現階段的研究目標。應充分考慮場地土壤內重金屬的空間變異和空間分布差異性，結合地統計學布點法制定高效、準確和經濟適用性為一體的土壤精準采樣布點優化方案，提高場地環境調查工作效率。