基于ArcGIS和ArcScene的污染场地土壤铬三维空间格局研究

方 敦

(1.湖北民族学院 科技学院，湖北 恩施 445000；2.北京鼎实环境工程有限公司，北京 100029)

基于ArcGIS和ArcScene的污染场地土壤铬三维空间格局研究

方 敦

(1.湖北民族学院 科技学院，湖北 恩施 445000；2.北京鼎实环境工程有限公司，北京 100029)

以某铬污染场地为例，结合场地属性数据，开展了基于ArcGIS反距离加权(IDW)插值法和三维场景工具ArcScene的场地土壤铬(Cr)污染空间格局分析.反距离插值分析表明：场地污染物Cr主要集中在第一、二层土壤中，污染物横向分布表现为中部高四周低，纵向污染范围由第一层至第三层呈现急剧缩减的整体空间分布特征，污染物Cr在场地中的空间分布与原厂工艺布局关联度较高；三维场景工具ArcScene实现了场地Cr污染土壤空间实体的3D可视化表达，增强了场地评价成果的直观性.

污染场地；空间分析；重金属； ArcGIS；土壤

污染场地是社会经济发展和发展理念落后环境管理不足的产物.过去“先污染后治理”发展模式在全球范围内的流行造成了众多工业场地的土壤和地下水污染，污染类型包括重金属污染、有机污染(POPs和VOCs)、核污染等[1]，污染物在场地土壤空间中的隐蔽性和异质性存在特征[2]，使得其再开发利用具有潜在的人群健康和环境安全风险.

城市工业污染场地再开发利用问题在全球范围内的备受关注，使得与污染场地相关的政策法律、质量和风险评估及修复技术研究已成为当前环境领域的研究热点.为解决由污染场地再利用而引发的一系列环境问题，不同研究者从与污染场地相关的各个层面如制度起因[3]，环境管理标准[4]，再开发环境评估[5-6]以及污染场地土壤修复技术[7-9]等进行了深入研究.

污染场地环境评估是污染场地再开发利用管理的基础性工作，场地再开发过程的环境安全性以准确评价场地污染物的空间分布格局为前提，场地土壤污染问题在本质上是污染物在三维空间的分布问题，污染物空间分布的三维可视化(3D Visualization)研究显得尤为必要，因此，如何有效利用科学可靠的技术手段查清污染物在场地土壤空间的污染程度和立体空间分布格局是确保污染场地再利用环境安全性和经济合理性的关键.

基于此，本文将以某铬污染场地为例，对场地土壤铬开展基于ArcGIS和ArcScene的三维空间格局研究，以期为污染场地再利用环境管理提供更为准确、直观的空间格局分析思路.

图1 场地土壤采样点分布图

1 材料和方法

1.1 样品采集

研究场地为北方某铬盐生产企业退役场地，原企业历史上均采用钙焙烧法生产红矾钠.布点以原厂历史沿革、工艺布局和地层条件为参考，采用专业判断和系统布点相结合的方法，第一阶段在具有最大污染可能性的车间中心区域设置采样点，第二阶段对整个研究区域划分30 m×30 m(遇场内水泥道路时适当偏移)网格进行系统网格布点并根据第一阶段样品测试结果对重点区域适当加密，研究场地区域共设置水平土壤采样点27个，编号为S1-S27，采样点分布如图1所示.采样放点采用高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影全站仪进行采样点坐标定位，采样过程中每个定深度采样后对钻头彻底清洗，样品于带聚四氟乙烯密封垫的玻璃瓶中4℃下保存.

1.2 分析测试

采集样品经前处理风干、磨细过筛(100目)后待用.土样经消解后总铬测试Cr按文献[10]操作规程采用感耦等离子体原子发射光谱(ICP-AES)进行，分析测试过程质量控制手段包括随机抽样平行测试、全程序空白测试及样品加标回收率测定.

1.3 空间分析

1.3.1 2D空间分析 空间分析是地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的重要功能，可提取和传输空间信息.污染场地在理论上可认为是具有渐变特征的连续空间，对场地污染物的铬含量属性数据可采用空间内插法进行空间分析并采用连续的空间渐变模型来实现.污染物含量的空间分布同时具有随机性和内部相似性，随机性因素可由系统性采样点对区域总体特征的代表性而最大限度的在样本数据中得以体现，因此，空间分析主要应解决的污染场地区域变量数据的内部相似性问题.反距离加权插值法(Inverse Distance Weighted Interpolation,IDW)是一种确定性的精确性插值方法，认为邻近区域的预测值与样本观测值的影响关系随距离增大而减小[11]，可用以研究区域空间的内部相似性，其预测模型如下式所示[12].基于以上分析，本文应用ArcGIS 9.3空间分析模块中的IDW工具对研究场地污染物进行空间插值分析，分析流程如图2所示.

其中：Z(x0)为未知样点预测值；Zi为x0周边已知样点值；di为两样点间距；n为用以预测的周边已知样点的数目.

1.3.2 3D可视化 查清污染物在场地中的空间分布格局后对场地污染程度和修复范围作出合理评判是场地评估的基本任务，评估成果在准确的基础上尽可能做到具体和直观是场地评价的内在要求.

场地评估中评估结果3D可视化的目的是准确的反映污染物在场地三维空间的超标情况并直观地展示需修复土体的空间情景.ArcGIS具有二维数据三维结构现实功能，并依赖于3D Analyst模块在三维场景工具ArcScene中实现.本文利用2D空间分析中以土壤CCr≤190 mg/kg为标准[13]对插值生成的栅格表面进行栅格计算后通过3D Analyst模块中的conversion(Raster to TIN和Raster to Features等)工具将栅格数据转换为矢量要素，将各层矢量数据和场地TIN表面叠加后利用Extrusion功能实现研究场地超标待修复土体的空间情景表达，3D可视化表达流程如图2所示.

图2 场地空间分析流程

2 结果与分析

2.1 铬的空间分布

污染物Cr在整个场地中的分布具有结构性，但在特定样点位置又表现为具有一般随机变量的特征，这种结构性和随机性主要表现为污染物Cr含量的水平和垂直分异.

场地污染物Cr的IDW插值空间分布如图3～5所示.从空间分布可知：研究场地土壤0～5.0 m之间均存在Cr污染，污染物Cr集中分布在第一和第二土层中，第三层污染范围和程度最小，场地主要污染深度范围为0～3.0 m之间，垂向污染呈现由上至下逐渐缩小的空间分布特征，场地土壤污染范围分层叠加空间分布(图6)更直观地体现Cr在场地中的这种层间空间分布特征；污染物Cr在场地中的空间分布与原场地企业工艺布局的空间分布具有较好的符合性，污染物集中分布在污染较重的工段周围.同时，第三层Cr空间分布(图5)与第一、二层(图3、图4)相比，其污染范围分布差异显著，表明第三层土壤Cr含量在土壤污染的意义上来说在垂向上已脱离了研究场地垂向污染范围自相关的结构性特征，亦即场地空间分层统计有其必要性.

图3 场地第一层土壤Cr空间分布

图4 场地第二层土壤Cr空间分布

图5 场地第三层土壤Cr空间分布

图6 场地土壤修复范围分层叠加空间分布

场地地势由东南向西北倾斜，在降雨冲刷作用下将Cr运移至场地西北面致使整个场地第一层在长期冲刷和淋溶作用下被严重污染；图4、5显示，场地第二、第三层污染范围和程度有较大幅度的缩小，第三层除铬渣堆场1(S7)以外均未受到污染，这与场地土壤性质、pH、及Cr的特性有关[14-16]，是土壤pH、土壤胶体电负性对六价铬负离子的向下迁移推动作用、降雨淋溶作用、土壤有机质对三价铬和六价铬的吸附、还原吸附共同作用的结果.

图7 场地污染土体修复空间3D可视化表达

2.2 3D可视化表达

污染土方实体空间的三维性的3D可视化表达是实现评估成果直观化的重要途径.在修复实践中，分清污染物的平面分布范围和垂向迁移深度是修复工作有效推进的前提条件，因此，层次分明、界限清晰是土壤修复实践对污染场地空间格局分布3D可视化表达的必然要求.本文针对研究场地2D空间分析数据，根据3D可视化表达流程在三维场景工具ArcScene中实现.场地污染土体修复空间立体图，如图7(上)所示，修复空间立体图从污染土方实体的水平和垂向空间分布按修复层次及深度实现了待修复土方的3D可视化表达.污染土方修复空间透视图(图7下)由污染土方修复空间立体图经透视处理得到，对三维空间内部情景和界限实现了3D表达.与二维平面图相比三维图中可更清晰地看出各层土壤需修复的范围及其变化趋势.

3 结语

土壤作为不可或缺的环境资源，其环境问题不仅制约我国城市化进程而且有严重环境问题的土壤具有影响水环境安全、粮食安全和生态安全的潜在可能性.本文研究在基于反距离插值实现土壤铬污染物平面二维空间分析的基础上尝试利用GIS ArcSence平台实现修复土体空间格局的3D可视化表达是对修复空间实体性表达的有益尝试.需要指出的是本文3D实体只是污染土体三维性的直观表达，在修复实践中可通过新建修复边界角点shape文件后从修复范围图层数据中提取修复边界点的坐标进而实现对实体进行准确定位，同时，三维实体的空间插值分析也是3D GIS的研究方向之一.

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责任编辑：时凌

3DSpatialPatternStudyofCrinContaminatedSiteBasedonArcGISandArcScene

FANG Dun

(1.Science and Technology Colleague，Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China; 2.Beijing Dingshi Environmental Engineering Co.,Ltd,Beijing 100029,China)

In this paper, ArcGIS has been used to assess the spatial distribution pattern of chromium (Cr)based on the attribute data of the contaminated site. A GIS based 3D analysis process was proposed,2D spatial analyst and 3D visualization expression of Cr were accomplished by using ArcGIS. Inverse distance weighting (IDW)method was used for the spatial interpolation analysis of soil Cr.The results of IDW showed that Cr pollution was mainly concentrated in the first and second soil layers, and Cr content of the central soil was higher than that of the surrounding soil, and a drastically decrease of Cr pollution range was found from the first layer to the third layer;strong correlation between Cr data spatial distribution and original factory process layout was found. 3D visualization expression of Cr polluted spatial entities was implemented by using ArcScene and visibility of the evaluation results was enhanced.

contaminated site；spatial analyst；heavy metal；ArcGIS；soil

2014-05-05.

国家自然科学基金项目(41261060).

方敦(1986- )，男(土家族)，硕士，主要从事土壤环境化学、污染场地环境评估及其治理技术研究.

X53；X82

A

1008-8423(2014)02-0237-04