基于加密布点优化的土壤污染调查精度研究

钟 茜，楼 春，林辉斌

(杭州市环境保护科学研究设计有限公司，浙江 杭州 310000)

1 引言

土壤污染一般为工业污染和农业污染，当土壤中污染物含量过多超过土壤的自净能力范畴时，就会造成土壤污染。污染物一般可以分为无机污染物和有机污染物，污染类型以无机为主，有机次之，其中复合型污染比重相对较小，常见的土壤污染物有酸、碱、重金属、某些化合物、农药等。目前我国土壤污染的总体形式比较严峻，为了保证人体健康，促进农业的可持续发展，必须对土壤环境进行调查和研究分析，并结合科学技术的发展提高土壤污染调查精度，保证调查结果的有效性。

2 材料与方法

2.1 研究地概况

研究地选择为多个化工企业和研究所旧址组成的区域，此前该区域企业主要生产的化工类产品为农药，其中As(砷)是主要的农药生产原料之一，As是一种非金属元素，根据世界卫生组织国际癌症研究机构公布的《致癌物清单初步整理参考》，As和无机As化合物属于致癌物，其中As化合物均有毒[1]。由于该区域后续将建立居民区，因此按照《环境保护法》《土地管理法》等法律法规要求，必须对该区域的土壤污染情况进行检测，并根据检测结果使用相应的土壤污染治理手段。

2.2 数据采集与测定

根据研究地区域的地理情况和厂房、办公楼分布情况，利用该区域的地形图确定场地土壤初查点位布设，其中初查点位共有79个，后续布点数为100个，共179个样点。根据样点布设的位置与地形图对照，在每个样点处进行采样，采样方法如下：第一步使用采样机器在采样点采集深度为20cm的土壤；第二步使用木铲对采集的土壤进行剔除筛选，去除石块、枝叶等杂物；第三步将土壤装入洁净的密封袋中妥善保存，完成采样[2]。

根据《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定》(GB-T 22105.2—2008)的砷测定要求，采样土壤中As的测定方法如下。第一步将采样的样品进行加热消解；第二步向样品中加入硫脲和硼氢化钾；第三步将氩气导入石英原子化器，使其进行原子态转化；第四步使用荧光光度计对处理后的样品进行检测，确定As浓度含量[3]。

2.3 研究方法

2.3.1 土壤污染调查加密布点方法

本次土壤污染调查采用加密布点方法，同时，为了解决区域局部土壤(主要厂房区)污染严重的问题，本次使用的调查方法与污染概率分析相结合使用。在进行初步调查布点之后，根据布点情况进行分析，可以确定是否有某些区域的土壤污染较为严重，如果存在此类区域，就需要确定该区域的污染概率，采用的方式是概率制图方法。本次研究中使用到的概率制图方法为指示克里格法，这种方法可以用于计算有特异值的数据，适用于地质统计学中，通过使用指示克里格法进行计算，本次研究地的污染概率取值范围为0～1，其中污染取值越大则污染超标的可能性越大，也即污染情况越严重，污染取值越小则土壤污染指标越小，也即土壤相对更清洁[4]。通过计算分析，在制图完成后可以获得污染概率的范围，之后结合研究地所在城市的地质情况背景划定阈值，由于研究地不同区域的土壤污染程度很可能存在较大差异，部分区域的土壤污染相对更为严重，因此可以根据不同污染程度的区域确定不同概率的阈值。经过对比和误差分析，可以确定最终阈值为0.2。之后，根据划定的污染区域确定加密区域，并在其中再次布设点位，其中，由于厂房一般为生产农药等化工品的场所，其与原材料仓库以及废料排放区的污染物含量相对要更高，因此此类区域需要重点研究，此类区域应当增加布设点位，具体方法是通过对土壤污染物空间变化的分析，确定样点位置与污染物变化的关系，结合土壤污染物含量变化的方向布设样点[5]。本次土壤污染调查加密布点方法工作流程如图1所示。同时，为了对比传统加密布点方法与本研究中改进的加密布点方法的区别和最终结果，使用普通布点方法再次布设一批加密点，并将最终结果形成对比和分析。

图1 本次土壤污染调查加密布点方法工作流程

2.3.2 加密精度分析方法

加密精度分析方法研究参考《土壤环境质量 建设用地土壤风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)，为确定本次研究所使用的加密布点方法所获得的数据精度是否符合标准，通过对最终得出的污染区域范围的分析来反应其精度。具体方法如下，第一步将土壤污染数据进行正态转换；第二步将半变异函数进行拟合；第三步对初查点位、普通加密点位、污染概率加密点位和总体点位进行污染区域预测，方法采用普通克里格法；第四步将预测的污染区域栅格化，得出污染区域的面积以及在研究地总面积中的占比[6]。使用到的计算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中Rp是污染概率分区，Rcv是污染变异系数分区，Z(x)是根据研究地土壤条件所预测的土壤污染物含量，Zc是土壤评价标准，Pt是被污染土壤概率阈值，Ct是清洁土壤概率阈值，CVx是局部变异系数，CVt是变异系数阈值[7]。

2.4 数据处理

本次数据处理使用到的软件有GS+7.0软件、ArcGIS 10.5软件和SPSS软件，其中GS+7.0软件用作研究区内土壤的空间结构分析，以及加密精度分析时的半变异拟合；ArcGIS 10.5软件使用Geostatistical Analyst工具，通过其计算所布设的所有样点以及每个样点与其相邻样点的变异系数，并在ArcGIS 10.5软件中完成采样网格设计和初步调查样点设计，以及所有的空间制图。SPSS软件用于分析各点位土壤中的As浓度数据及其正态转化，并根据最终所得出的结果进行描述性统计[8]。

3 结果与讨论

3.1 加密布点结果与分析

通过数据处理中对79个初查点的描述性统计，可以得出所获取的初查点数据不符合正态分布，并且，根据对数据的统计可以确定其中的最小值为1.27 mg/kg，最大值为88.45 mg/kg，平均值为14.62 mg/kg。当以As的筛选值(20.00 mg/kg)作为阈值时，通过使用指示克里格方法插值从而获得污染概率分布图[9]。如图2所示，其中图2a为指示克里格方法预测的污染概率分布情况，图2b为通过计算所提取的加密区域。

通过对加密布点结果的分析，可以得出以下内容：①研究地污染较严重的区域主要集中在西北角，污染最严重的概率范围最高接近0.8(污染概率范围最高不超过1.0)，最低不低于0.4；②以污染最严重的区域为中心，向外逐层污染概率呈依次降低的趋势，由此可见污染概率较高区域的土壤对周边土壤可能也会造成影响，使得周边土壤被污染但污染概率相对较低[10]；③根据对图2a的分析，取拟合效果最好的0.2作为最终阈值，得出图2b，由图2b可得污染概率为0.4～0.8的区域与污染概率为0.2～0.4的区域整体面积相差不多，但分布情况完全相反，污染概率为0.4～0.8的区域相对集中，此范围可以适当增加加密点位设置[11]。

3.2 精度分析结果及讨论

将研究区中设置的所有的点位的污染数据整合，并进行描述性统计，之后将处理后的数据进行正态转换和半方差函数拟合，然后进行污染区域预测，使用普通克里格方法。得出污染区域预测情况后，通过对数据的分析利用ArcGIS 10.5软件确定研究区污染面积和污染分布情况[12]。研究区中布置的各点位情况的统计分析结果如表1所示。

图2 污染概率分布

表1 研究区各点位情况统计分析结果

根据对表1中的数据结果进行分析，可以得出:①未加密布点、污染概率加密布点和全面布点的半变异函数(R2)分别为0.74/0.80和0.82，这表明经过正态变换和半方差函数拟合后的数据能呈现稳定的状态，数值符合克里格差值的相关要求；②根据对普通加密布点和污染概率加密布点两种布点数据中和C0+C的数据进行比较，可以得出2种布点方式下的值C0/(C0+C)分别为8.09%和0.15%，由此可见污染概率加密布点方式相比普通加密布点方式得出数据的空间相关性更明显，但整体而言两者得出的数据都具有较强的空间相关性，不过根据两者数据的比较，可知虽然数据的空间相关性较强，但是作用范围相差不大[13]；③在面积精度数据的对比中，可以看出全面布点的情况下污染面积占比为8.57%，而未加密布点的污染面积占比5.44%，由此可见，如果全面布点数据能够代表研究区土壤的真实污染情况，那么未加密布点所得出的数据与真实数据将相差3.13%，也即与实际情况存在较大的偏差[14]。

4 不足与展望

4.1 不足与局限

根据对数据结果的分析，本文中的研究仍然存在不足与局限，具体内容如下：①根据表1中的数据，普通加密布点计算出的污染面积占比相比未加密布点的污染面积占比更小，也即所得出的数据不精准，这可能是在计算中因为采用了克里格法的原理，使得布设点位比例增加，从而导致阈值边缘区域向清洁区域偏移，使原本的污染区域被判定成了清洁区域，造成研究结果的不精准；②因为在本次研究中布点是考虑了研究地原本的地理位置和建筑物情况分布等内容，在布点时相对主观性更大，很多布点可能并非是最佳的布点，这在某种程度上也会对最终的结果产生影响；③在加密方法布置的点位中，主要是在预测污染较为严重的区域布设，在研究区边界处并没有进行布设，这也导致在最终的结果分析时无法很好地确定研究区边界处的土壤污染情况。

4.2 展望

随着工业和农业的发展，其为社会带来正向影响的同时，对土地资源的影响也逐渐加大，尤其是在土壤污染方面，土壤污染会间接的导致水污染，一方面对人体健康造成危害，另一方面对农作物的绿色无公害会产生一定影响，因此对土壤污染情况进行调查研究，采取相应的防治措施至关重要[15]。本文所研究的土地污染调查方法是基于原有的加密布点方法，通过对研究地污染情况的相关了解，加以对污染概率的分析，实现对加密布点方法调查土壤污染情况的优化。根据对本次研究的相关分析可知其还有很多不足，但整体而言，这种方法能够较为精准的确定污染超标范围，在布点上能够节约大量成本，并且可以节省大量的实验室检测化验时间，在一定程度上能对后续的土壤修复提供帮助。

5 结语

在土壤污染情况调查中，加密布点方法是一种比较实用的调查方法，结合当前国内外关于加密布点的研究和相关实践经验，以污染概率为导向，根据调查地的地质环境资料和历史变革情况，合理进行加密布点，进一步确定严重污染区域和污染程度。结合对调查结果的相关研究和精度分析，可以准确地确定该地域被污染的情况，并且调查效率比较高。根据调查结果能够更好地开展后续的土壤修复工作，降低土壤污染，使土壤质量有显著提高。