数字化技术在工业场地污染治理工程中的应用

2022-09-06陈奕烨杨真惠张晓超

建筑施工 2022年6期

陈奕烨刘怡杨真惠张晓超衣俊

上海建工环境科技有限公司上海 200003

目前，数字化技术多数应用于工业[1-2]、农业[3]、工程测量[4]、企业运营[5]等方面，而在污染防治相关领域内相对受限[6]。生态保护和环境修复领域涉及学科交叉、内容广泛，很多决策往往依赖数据分析，其面临的重要挑战之一就是如何处理海量、无序的信息[7]。基于上海市某建设用地土壤修复工程的经验和教训，探索工业污染场地发展转型中污染治理与数字化应用的深度融合，旨在总结一套可复制、可推广的污染防治新模式。

1 传统污染治理工程依赖数据管理

传统污染治理工程普遍存在轻调查设计、重工程的倾向。很多污染地块为了加快流转忽略了调查和评估的重要性，导致后续深入治理甚至开发再利用过程中出现隐患，造成了环境二次污染和人体健康风险。还有一些污染地块由于调查精度不高，导致过度修复破坏了土壤原有理化性质和生态功能，造成了经济和生态双重浪费，不具有可持续性。此外传统的数据采集模式通常为人工统计，容易造成数据采集不及时或数据空白等情况，要实现精准调查、精准修复，传统修复作业是难以实现的。为此，对土壤环境数据的统筹分析，是实现污染治理工程现代化、智能化管理的基础，而数字化技术在其中起到关键作用。

数字化技术在土壤修复工程的实现途径是另一难点。土壤污染治理在早期侧重于清除污染源，但随着城市更新和可持续发展，这种传统粗放的修复模式成本过高。近年来，上海在城市老旧工业区的污染治理上逐渐启用了新思路，这些老工业基地所在的工业区通常具有污染分布广、污染种类繁多、污染体量大等特点，若采用传统的修复模式逐一修复，不仅需要大量的成本，还造成设备、人才的紧缺。新思路旨在综合考虑土壤和地下水污染风险、规划用地功能、区域环境条件及地块开发进程等因素，因地制宜，合理选址，通过建立“修复工厂”，对周边区域的污染土壤进行集中修复。

2 “修复工厂”模式为数字化应用奠定基础

自2012年来，上海宝山区南大地区启动土壤综合整治工作。调查结果显示该区域疑似存在高风险、高污染企业地块共计182个，在初步调查过程中，针对前期污染识别的疑似污染区域进行了24个试点项目地块合计129个点位数的详细调查，结果显示24个地块均出现超标且均为复合型污染地块，超标点位数合计为57个。上海宝山区南大地区项目整体情况不仅污染地块分布散，且污染地块污染情况复杂。若采用传统的修复模式逐一修复，不仅需要大量的成本，还造成设备、人才的紧缺。

为破解建设用地土壤修复项目临时设施重复建设、大型机械反复转场等问题，以宝山区南大地区试点示范项目为切入点，上海市开展了大区域集中式处置的“修复工厂”模式探索。根据试点经验，修复工厂主要优点如下：

1）仅在修复工厂进行场地硬化和设备安装，其他修复地块不再建设，避免资源浪费，节约成本，缩短工期。

2）修复工厂存续时间长，可以集成多种污染土壤地下水修复技术、材料、工艺和装备的现场验证研究功能，为研发工作提供大尺度试验条件；修复设施运行时间长，因此配套的环保设施可以按照更高标准设计、施工和运行，更有利于降低二次污染；根据合理规划，可以使修复工厂产生的修复后的土壤量更稳定，以便于实现修复后土壤的资源化统筹利用。统一管理、集中处置，可以避免各个地块都要设立单独的设备和人员，设备集中处理的效率也得以提高，不仅节省了修复成本，提升了修复效率，还降低了二次污染的风险。基于这些优点，集中修复模式在大区域复杂场地治理修复项目中具有较强的复制推广价值。

3 “环境修复＋智慧管理”的实际应用场景

土壤修复与常规市政污水处理、大气污染治理等相比有较高的复杂性和隐蔽性，场地调查、风险评估、修复工程和效果评估重点围绕数据展开，尤其在主体修复工程中，不仅要统计修复工程量、药剂使用量等基础数据，还要兼顾二次污染防治、人员职业健康风险管理等，待采集的数据分布广、深度大。为此，针对城市再开发场地污染治理修复，亟待研发形成一套可复制、可推广的环境修复与数字化结合应用的新模式。

基于“环境修复＋智慧管控”的理念，本研究开发了一款适用于污染修复项目施工全过程监管的智慧化管控平台。该平台为一套由12块全高清液晶拼接屏组成的、4×3阵列布局的拼接系统。拼接器提供12路视频信号输入，将智慧感知层获取的数据安全、准确和高效地传输到管理层（图1）。在平台试运行过程中，发现了不同修复技术在实际工程实施和管理中的不足，基于此，进一步优化了各类模块的参数及其关联。例如关于项目中的地下水修复和土壤修复相关数据的分布问题，前期开发中更多地侧重于对数据信息的采集，多以图表形式显示。后期为了更为直观地查看土壤和地下水污染的分布情况、污染物的类型以及污染深度等，对“工程透视”模块运用地理信息系统（GIS）、建筑信息模型（BIM）、物联网（IoT）和人工智能等技术对污染物修复过程中的各关键数据进行更加全面的录入，尤其是地下土深基坑等数据。

图1 智慧化管控平台系统架构示意

BIM＋GIS技术有强大的数据分析、处理功能，具有高可视、高精准、高便捷的特点。利用信息系统从分子尺度到区域尺度的综合模拟仿真能力，准确识别和调控土壤微观尺度的结构和支撑生命功能到区域尺度的景观演变，构建基于土壤类型、污染类型、区域特性和土地功能的多维度、多尺度和全过程的土壤环境基础调查数据。通过对该技术的应用，可减少设计与施工的误差、提高施工效率，减少管理成本。IoT技术可实现人、物互联，对于风险管控来说，借助IoT设备可实现数据实时上传，减少信息延迟，以最快速度寻找问题源头，及时处理，减少风险持续扩大可能。对于工程应用而言，该技术可打通数据与控制间的隔膜，建立联动机制，实现“无人化”办公。IoT技术是智慧化管理平台的基石，打通了数据孤岛，提升数据收集、处理效率，优化了工程人力资源调配。人工智能技术在人员安全管控与二次污染防治方面都有出色的表现。该技术是标准化、规范化管理施工现场的极大助力。与传统的人工管理相比，AI智能的高速、高精识别可在风险初期就将其捕获。即时报警系统提升了管理效率，优化了人力资源配置。资源自动建档保证了全部数据可溯源，大大提升了风险管控的准确性与及时性。

在土壤和地下水修复工程中，施工现场相关的人员、视频监控、环境监测、运行监测、上层土和下层土以及地下水等信息如何直观地呈现给施工管理人员是个需要解决的问题。通过引入BIM模型，并加上轻量化平台，使得用户可以通过浏览器就能直观地查看相关信息，做到了真正的“工程透视化”管理和展示（图2、图3）。通过解决数据采集不全面，项目进度不及时等治理工程的基础难题，该平台目前已在上海桃浦、宝山等地区建设用地土壤风险管控和修复项目中推广应用。

图2 智慧化管控平台系统架构

图3 智慧化管控平台可视化展示

经总结，智慧化管控平台主要有2方面优势：

1）从专业化、精细化方面，对土壤修复、地下水修复的相关专业领域以及修复过程中相关的人、机、料、法、环，通过软硬件结合，注入精细化管理理念，对平台进行升级，建设HSE管控体系。

2）使用智慧化管控平台可节约近一半的劳动力成本，可长时间不间断地监测环境数据、污染物浓度等指标，大大减少了现场施工人员的工作难度，杜绝由人工作业导致的体力等工作压力产生的监测不及时。通过对土壤污染修复中环境风险和安全风险进行智能识别，实现土壤污染修复施工过程可视化工具安全智能监测和自动报警，可以有效地杜绝施工人员的安全隐患。

平台整体功能满足污染风险管控修复施工管理体系要求，利用智能终端和传感设备，并借助信息技术，不仅实现了施工现场日常办公全面无纸化升级，还能通过采集各类信息数据，挖掘分析和可视化展现，并根据环境监测数据采取相应的防护措施，为现场工人的施工环境和周边居民的生活环境提供保障。数字化技术可显著提高土壤污染修复项目施工的工作效率和管理效率，为推进环境管理转型，提升生态环境治理能力，实现“环境修复＋智慧管控”治理模式提供了有力支撑。

4 数字化技术在土壤污染防治中的应用

2021年7月上海市生态环境局发布了《上海市建设用地土壤污染风险管控和修复施工过程环境管理技术要求（试行）》（沪环土〔2021〕166号文，以下简称“166号文”），强调今后进行土壤污染风险管控和修复工程要在开工前按照该技术要求，将施工过程相关机械、视频监控和环境监测类设备接入上海市土壤污染防治综合监管信息平台，土地使用权人要督促其委托的从事土壤污染风险管控和修复活动的单位加强施工过程的管理。土壤污染风险管控和修复施工本为隐蔽工程，而上述技术要求的实施使得工程变得透明、可追溯，这是上海市在深入打好净土保卫战中做出的先驱尝试。

自2021年8月起，上海市所有新建土壤污染风险管控和修复工程均积极响应166号文要求，虽然这对全市甚至全国都是一件利好事情，但在执行层面也遇到了几个问题：

1）项目体量较小，若按照技术要求安装视频监控和环境监测等设备有些大材小用。

2）项目工期较短，可能在设备处于安装调试阶段主体工程已完成，没有起到监管的作用。

3）修复设备装备化水平有限，多数从业单位自有的修复设备较难满足新的技术要求，更新模块或研发新装备的周期较长，单一修复设备的使用率不高。

“修复工厂＋智慧管理”通过统筹资源，使其能够在时间、空间上将数字化和工程项目有效结合。以宝山区南大修复工厂为研究对象，上述环境管理从分散项目单独管理转化为修复工厂统筹管理，这种处置方式优势在于：

1）节约环境管理成本。通过在修复工厂统一设置视频监控、环境监测等设备，提高设备利用率，降低单体项目在环境管理中的投入。

2）强化二次污染防治。通过在修复工厂建立覆盖全场的环境监控设备，避免了传统污染地块原址治理不及时、不全面引发的二次污染现象。

3）增加数据采集分析和预警功能。在修复工厂布设多种数据采集传感器，统一通过物联网发送数据至云端服务器，并对其中污染物警戒值进行超标筛选，判定为超标则进行移动端报警推送并自动启动围栏喷淋等应急程序。