基于ArcGIS 和EVS 的堆放廢物危險特性鑒別應(yīng)用與研究

卓 寧，陳小丫，吳 偉

（江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，工業(yè)廢物產(chǎn)生量急劇增加。與此同時，非法轉(zhuǎn)移、堆放、貯存、傾倒和填埋工業(yè)廢物近年來呈多發(fā)態(tài)勢［1-2］。為確定合法、合理、科學(xué)的廢物處置方式，及時消除環(huán)境安全隱患，保障生態(tài)環(huán)境安全，廢物危險特性的準(zhǔn)確鑒別是關(guān)鍵［3-5］。

根據(jù)HJ 298—2019 危險廢物鑒別技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，散狀堆積廢物危險特性鑒別正式采樣檢測前，現(xiàn)場首先應(yīng)劃分網(wǎng)格，順序編號，然后采用隨機數(shù)表抽取一定數(shù)量網(wǎng)格作為采樣單元，最后在網(wǎng)格中心位置采樣。然而，大量露天散狀堆積的廢物一般占地面積較廣，堆積不規(guī)則，現(xiàn)場如何合理劃分網(wǎng)格，確定網(wǎng)格中心位置是個難題。

此外，露天堆放廢物通常為分批次集中統(tǒng)一放置。在隨機抽取的廢物樣品檢測時，往往出現(xiàn)局部樣品連續(xù)超標(biāo)情況，總體超標(biāo)樣品份數(shù)雖小于HJ 298—2019 中規(guī)定的限值，但由于呈連續(xù)和集中分布，不排除某批次產(chǎn)生廢物工段異常，導(dǎo)致該批次廢物某些檢測因子超過鑒別標(biāo)準(zhǔn)限值，屬于危險廢物，且與正常工段產(chǎn)生的廢物進(jìn)行了集中統(tǒng)一堆放。如何從技術(shù)層面在大規(guī)模露天散狀堆積廢物中鎖定該批危險廢物空間范圍和數(shù)量也是個難題。

地理信息系統(tǒng)具備對地球表層信息數(shù)據(jù)采集與輸入、數(shù)據(jù)編輯與更新、空間數(shù)據(jù)分析、專題制圖等功能，常用于國土規(guī)劃、土地調(diào)查、石油化工、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域［6-9］。空間插值常用于將離散點的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，以便與其他空間現(xiàn)象的分布模式進(jìn)行比較［10-12］。三維空間插值構(gòu)建的模型因具備直觀、立體地刻畫污染物空間分布優(yōu)勢，已有關(guān)于土壤污染的研究［13-15］，但還未發(fā)現(xiàn)針對危險特性鑒別的報道。

基于此，本研究以某大型露天廢物堆放場地為例，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 模擬網(wǎng)格劃分、計算網(wǎng)格中心點坐標(biāo)（CGCS2000 坐標(biāo)系，以下相同）、順序編號等操作，并借助Real Time Kinematic（RTK）測量儀確定待采樣網(wǎng)格中心點位置；進(jìn)一步地應(yīng)用空間插值軟件Earth Volumetric Studio（EVS）建立與實際相符的堆場地形和浸出毒性無機氟化物三維可視化模型，選用鑒別標(biāo)準(zhǔn)限值作為閾值，以4 種插值方法獲取超閾值模型，計算堆場內(nèi)超標(biāo)方量，采用K折交叉驗證評價出最優(yōu)方法，以期為制訂精準(zhǔn)的廢物處置方式提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東南沿海某工業(yè)城市，場地堆放廢物已有數(shù)十年，疑似為磷石膏，數(shù)量約3.0×105t，顏色呈灰白色、性狀固態(tài)、無刺激性氣味，表面長滿雜草。堆場占地面積約2.67 hm2，現(xiàn)場分為3 堆，堆放高度自南向北依次約為4.0、5.0、8.0 m。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全年氣候溫和，四季分明，年均氣溫15～18 ℃，年均降雨量1 150～1 250 mm。

1.2 危險特性初步判別

資料顯示，濕法磷酸是以硫酸和中低品位磷礦為原料，經(jīng)酸解、過濾、濃縮、澄清、除雜等工序后制得高濃度磷酸，在過濾工序會產(chǎn)生磷石膏［16］。磷石膏主要成分是二水硫酸鈣，但含少量殘酸、硅、鐵、鋁、氟化物、酸不溶物和有機物（乙二醇甲醚乙酸酯、異硫氰甲烷、3-甲氧基正戊烷等）［17-18］。磷石膏雖未列入《國家危險廢物名錄》，但鑒于其組成成分復(fù)雜，需對研究區(qū)堆放廢物開展危險特性鑒別工作，明確類別歸屬。

研究區(qū)堆放廢物在鉆機取樣時未因摩擦起火，堆放期間未自發(fā)性燃燒起火，也無法點燃，不符合易燃性的鑒別條件，可排除易燃性的危險特性。

根據(jù)研究區(qū)堆放廢物來源與組分分析，初步判斷需進(jìn)行腐蝕性（pH）、浸出毒性無機氟化物以及毒性物質(zhì)含量含氟化合物檢測。為進(jìn)一步識別和篩選危險特性，在研究區(qū)3 堆廢物中各選取2 處位置使用鉆機取樣，每處位置采取上層、中層和下層廢物混合后作為1 個樣品，共采集6 個樣品，分別進(jìn)行腐蝕性（pH）、鋼材腐蝕速率、遇酸反應(yīng)性、無機元素及化合物浸出毒性和毒性含量、有機物浸出毒性和毒性含量以及急性毒性初篩檢測。

1）腐蝕性：初篩樣品腐蝕性pH 檢測結(jié)果介于5.72～11.03，鋼材腐蝕速率檢測結(jié)果介于0.188～0.319 mm/a。鋼材腐蝕速率檢測結(jié)果遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，但腐蝕性pH 波動較大，進(jìn)一步證實需將腐蝕性pH 作為檢測指標(biāo)。

2）遇酸反應(yīng)性：研究區(qū)堆放廢物不符合反應(yīng)性中具有爆炸性質(zhì)和與水或酸接觸產(chǎn)生易燃?xì)怏w或有毒氣體的鑒別條件描述，初篩樣品遇酸反應(yīng)性氫氰酸和硫化氫也均未檢出，可排除反應(yīng)性的危險特性。

3）無機元素及化合物浸出毒性和毒性含量：初篩樣品浸出毒性無機元素及化合物檢出銅、鉻、鋅、鉛、鋇、砷、硒和無機氟化物，毒性含量檢出鉻、鎳、銅、鋅、砷、硒、鉛、鋇、銻、鈦、錳、釩和無機氟化物。根據(jù)浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)，篩選銅、總鉻、鋅、鉛、鋇、砷、硒和無機氟化物作為檢測指標(biāo)，進(jìn)一步證實需檢測無機氟化物。根據(jù)毒性物質(zhì)含量鑒別標(biāo)準(zhǔn)和最不利原則，篩選三碘化砷、氯化硒、五氧化二銻、石油溶劑、鈦、錳、釩、氯化鋇、氟化鉛、硫化鎳和收斂酸鉛作為檢測指標(biāo)，進(jìn)一步證實需檢測含氟化合物。

4）有機物浸出毒性和毒性含量：初篩樣品浸出毒性和毒性含量定量分析中未檢出有機物，半定量分析檢出匹配度較高的主要有烷烴類和脂肪酸類有機化合物，依據(jù)毒性物質(zhì)含量鑒別標(biāo)準(zhǔn)，篩選石油溶劑作為檢測指標(biāo)。

5）急性毒性初篩：初篩樣品口服毒性半數(shù)致死量LD50（小鼠經(jīng)口攝取）檢測值均大于5 000 mg/kg，未達(dá)到急性毒性初篩規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值（固體廢物L(fēng)D50≤200 mg/kg 屬于危險廢物），可排除急性毒性的危險特性。

綜上所述，研究區(qū)堆放廢物可排除易燃性、反應(yīng)性、急性毒性和腐蝕性（鋼材腐蝕速率）的危險特性，須進(jìn)行腐蝕性（pH）、浸出毒性和毒性物質(zhì)含量的鑒別。

1.3 樣品采集

1）地理配準(zhǔn)和繪制邊界：基于研究區(qū)無人機航拍圖和ArcGIS 中“地理配準(zhǔn)”工具條添加控制點對研究區(qū)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，然后繪制出堆放范圍邊界，如圖1 所示。

圖1 邊界范圍示意Figure 1 Schematic of boundary range

2）創(chuàng)建網(wǎng)格和順序編號：研究區(qū)廢物質(zhì)量遠(yuǎn)大于1 000 t，按照HJ 298—2019 規(guī)定，至少采集100 個樣品，堆放面積約2.67 hm2，應(yīng)劃分5N個網(wǎng)格（N為所需采集樣品個數(shù)，取值100），順序編號。基于ArcGIS 中“創(chuàng)建漁網(wǎng)”工具將堆放區(qū)域劃分為500 個網(wǎng)格，與此同時創(chuàng)建網(wǎng)格中心點，計算網(wǎng)格中心點X、Y坐標(biāo)，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格和中心點坐標(biāo)創(chuàng)建示意Figure 2 Schematic of creating grid and center point coordinates

3）抽取網(wǎng)格：研究區(qū)廢物散狀堆積高度遠(yuǎn)大于0.5 m，按照HJ 298—2019 規(guī)定，采樣層數(shù)可定為3 層，采用隨機數(shù)表法抽取34 個網(wǎng)格作為采樣單元（編號：G01～G34）采集樣品，則最終確定采集樣品102 個。

4）RTK 定點和鉆機采樣：基于ArcGIS 計算出網(wǎng)格中心點X、Y坐標(biāo)，輸入RTK 測量儀，應(yīng)用“點放樣”工具測量出采樣單元G01～G34 網(wǎng)格中心點位置，誤差控制在0.1 m 范圍內(nèi)，然后鉆機進(jìn)駐研究區(qū)堆場開始現(xiàn)場采樣。采樣時，每個點位分上層（0.3 m 處）、中層（1/2 深度處）和下層（5/6 深度處）分別采集樣品，每個點位上層、中層、下層樣品混合后作為1 個樣品。

樣品采集整體工作流程如圖3 所示。

圖3 樣品采集工作流程Figure 3 Sample collection workflow

1.4 空間插值方法和精度評價

基于廢物樣品中超鑒別標(biāo)準(zhǔn)污染物檢測數(shù)據(jù)，選用克里金插值法（Kriging）、反距離加權(quán)法（IDW）、最近鄰點法（NN） 和徑向基函數(shù)法（RBF）［19-20］構(gòu)建三維空間模型，對比4 種插值模型污染物分布范圍和方量，進(jìn)一步采用K折交叉驗證評價插值精度［21］。

K折交叉驗證是將原始數(shù)據(jù)樣本平均分成K組子集，每組子集互不相交，輪流抽取1 組子集作為一次驗證集，將其余的K-1 組子集數(shù)據(jù)組合作為訓(xùn)練集，進(jìn)行K次單獨的模型訓(xùn)練和驗證，應(yīng)用驗證集對應(yīng)實際值和模擬預(yù)測值之間的差值評價插值精度［22］。差值采用平均絕對誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）作為統(tǒng)計指標(biāo)，MAE 越接近于0，RMSE 越小，則表明插值方法的精度越高［23］。

式中：yi和y?i分別為樣本的實際值和模擬預(yù)測值；n為樣本數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測結(jié)果分析

1）腐蝕性：研究區(qū)堆放的廢物腐蝕性pH 介于3.15～11.94，低于GB 5085.1—2007 危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)腐蝕性鑒別規(guī)定的限值，不具有腐蝕性pH的危險特性。

2）浸出毒性：研究區(qū)堆放的廢物浸出毒性檢測結(jié)果見表1。采集的樣品中除無機氟化物以外，其他檢測項目均低于GB 5085.3—2007 危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別規(guī)定的限值。在34 個采樣單元中有3 個單元（編號：G03、G13、G28）的樣品浸出毒性無機氟化物濃度超過限值100 mg/L，如圖4 所示。從圖4 可以看出，超標(biāo)單元具有連續(xù)性和集中性的分布特征。

表1 浸出毒性檢測結(jié)果Table 1 Extraction toxicity test results

圖4 浸出毒性無機氟化物濃度超標(biāo)單元示意Figure 4 Schematic of extraction toxic inorganic fluoride exceeding the threshold

3）毒性物質(zhì)含量：研究區(qū)堆放的廢物毒性物質(zhì)含量檢測結(jié)果見表2。采集的樣品中無機氟化物（以氟化鉛計）最高含量為1.659 17%，其他物質(zhì)最高含量均低于0.02%。劇毒物質(zhì)、有毒物質(zhì)、致癌性物質(zhì)和生殖毒性物質(zhì)的總含量均低于GB 5085.6—2007 危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)毒性物質(zhì)含量鑒別規(guī)定的限值，累積毒性數(shù)值也低于標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，待鑒別廢物不具有毒性物質(zhì)含量指示的危險特性。

采集的102 個樣品中浸出毒性檢測結(jié)果超標(biāo)樣品數(shù)為6 個，低于HJ 298—2019 規(guī)定的超標(biāo)下限值，但超標(biāo)的樣品呈連續(xù)性和集中性分布，難以排除研究區(qū)局部范圍廢物具有浸出毒性的危險特性。通過在超標(biāo)位置周圍加密布點（新增點位：G35～G42），進(jìn)一步驗證了上述范圍內(nèi)存在浸出毒性無機氟化物超標(biāo)情況，以下應(yīng)用三維空間插值界定廢物超標(biāo)范圍，并估算超標(biāo)方量。

2.2 堆場和鉆孔三維可視化地形模型

研究區(qū)廢物堆放參差不齊，較為混亂，建立堆場三維空間模型為廢物浸出毒性無機氟化物濃度空間插值提供載體。首先，對研究區(qū)進(jìn)行測繪獲取地形圖，得到大量的位置信息和高程樣本數(shù)據(jù)，然后疊加采樣鉆孔位置和高程數(shù)據(jù)，最后應(yīng)用EVS 建立地形樣本和鉆孔樣本之間聯(lián)系，揭示研究區(qū)三維空間地形，同時也展示采樣鉆孔的空間分布，如圖5 所示。圖5 中3 處位置明顯高于周圍地面，高出部分即為堆放的廢物。

2.3 污染物三維可視化分布模型

應(yīng)用EVS 中Kriging、IDW、NN 和RBF 4 種插值方法取得研究區(qū)地形表面廢物浸出毒性無機氟化物濃度分布模型。同時，為清晰展示內(nèi)部濃度分布情況，剖切模型后獲取了內(nèi)部剖視圖。表面濃度分布和剖視圖疊加如圖6 所示。圖6 中4種模型均能直觀展現(xiàn)污染物在堆場中三維空間分布情況，Kriging、IDW 和RBF 插值模型結(jié)果較平滑，但RBF 模型連續(xù)性不理想，出現(xiàn)曲面邊界自擬合和多余孔洞現(xiàn)象，NN 插值模型棱角較分明，具有明顯的鋸齒狀。4 種模型中污染物分布總體趨勢基本一致，但局部區(qū)域存在明顯差別，整體超標(biāo)范圍順序為NN>RBF>Kriging>IDW。

圖6 浸出毒性無機氟化物三維可視化分布模型Figure 6 3D visual distribution model of extraction toxic inorganic fluoride

2.4 界定超標(biāo)范圍和方量估算

在浸出毒性無機氟化物三維可視化分布模型基礎(chǔ)上，以鑒別標(biāo)準(zhǔn)限值（100 mg/L）作為閾值，進(jìn)一步構(gòu)建4 種插值方法超閾值三維可視化分布模型透視圖，并估算出超閾值方量。圖7 中4 種模型超閾值范圍形態(tài)和污染物濃度分布存在明顯差異。Kriging 是利用已知廢物樣品浸出毒性無機氟化物數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點對鄰近區(qū)域的值進(jìn)行最優(yōu)無偏估算［24］，構(gòu)建的模型表面較光滑，幾何質(zhì)量較高。IDW 是采用估算點周圍局部廢物樣品浸出毒性濃度加權(quán)平均作為輸出結(jié)果［25］，構(gòu)建的模型出現(xiàn)大量典型的“牛眼”現(xiàn)象，局部存在諸多小圓圈，不同濃度邊界線條具有顫抖和突角跡象。NN 是基于距離估算點最近的1 個廢物樣品浸出毒性濃度作為輸出結(jié)果［26］，導(dǎo)致連續(xù)性遭受破壞，構(gòu)建的模型鋸齒狀也最為明顯。RBF 是利用一系列徑向基函數(shù)生成平滑表面，擬合表面須經(jīng)過每一個已知廢物樣品點［27］，構(gòu)建的模型表面十分光滑，幾何質(zhì)量高，但大于400 mg/L 出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。

圖7 超閾值三維可視化分布模型Figure 7 3D visual model of exceeding the threshold

經(jīng)EVS 進(jìn)一步估算，NN 超閾值方量為11 671 m3，數(shù)值最大；IDW 超閾值方量為1 376 m3，數(shù)值最小；Kriging 和RBF 超閾值方量較為接近，但濃度分布差異顯著。

2.5 插值方法精度驗證

在研究區(qū)獲取了126 個原始樣本數(shù)據(jù)，將其平均分成14 組互不相交的子集，輪流抽取1 組子集作為一次驗證集，將其余的13 組子集數(shù)據(jù)組合作為訓(xùn)練集，則4 種插值方法各進(jìn)行14 次單獨的模型訓(xùn)練和驗證，預(yù)測誤差結(jié)果見表3。MAE 的數(shù)值排列順序為Kriging

表3 4 種插值方法的預(yù)測誤差Table 3 MAE and RMSE of four interpolation methods

3 結(jié)論

1）基于ArcGIS 空間數(shù)據(jù)分析與管理、制圖表達(dá)及高級制圖等功能，可簡單便捷繪制堆放場地邊界、創(chuàng)建網(wǎng)格、計算中心點坐標(biāo)和順序編號，配合RTK 測量儀確定采樣位置，現(xiàn)場無需再次實施網(wǎng)格劃分等繁瑣操作，極大地簡化工作量，提升采樣方案質(zhì)量和工作效率。

2）基于EVS 建立地形和采樣鉆孔之間聯(lián)系，直觀展示堆場三維空間地形模型，疊加4 種插值方法獲取地形表面和內(nèi)部浸出毒性無機氟化物濃度三維可視化分布模型，以鑒別標(biāo)準(zhǔn)限值作為閾值，進(jìn)一步鎖定超標(biāo)空間范圍和方量，采用K折交叉驗證確認(rèn)Kriging 方法為最優(yōu)插值方法，為制訂精準(zhǔn)的廢物處置方式提供了技術(shù)支撐，同時在今后類似危險特性鑒別場景中也具有較為廣闊的應(yīng)用前景。