基于GIS技术的水源地周边土壤污染监测方法分析

王晓霞

（广东省连州市环境监测站，广东 清远 513400）

引言

当前，我国社会经济快速发展的同时，也在一定程度上带来了环境污染问题，随着人们环保意识的增强，污染监测与治理成为全社会关注的焦点。水源地为居民提供了生活及公共服务用水，而周边土壤环境直接影响水源的质量。《饮用水水源保护区污染防治管理规定》中明确指出：饮用水地表水源各级保护区及准保护区内，禁止一切破坏水环境生态平衡的活动及破坏水源林、护岸林、与水源保护相关植被的活动[1]。得益于科学技术的进步，越来越多的新型技术手段在土壤污染监测中得以应用，GIS技术就是其中典型的代表。鉴于此，本文探讨了基于GIS技术的水源地周边土壤污染监测方法，为同业人员提供参考。

1 GIS技术的应用现状

1.1 GIS技术在生态环境研究中的应用

在资源与环境应用领域，GIS发挥出技术先导的作用，目前在农业、林业、土地资源、生态环境、灾害预警等方面应用广泛。具体到生态环境研究中，GIS技术的应用包括：（1）调查生态环境背景。（2）对环境进行动态性、连续性监测。（3）对面源污染进行监测、分析与评价[2]。（4）评价生态环境影响，为环境规划与管理提供依据。早在2002年，我国农业、林业、环保等多部门在科技部门的主持下，开展了“全国环境背景数据库建设与服务”工作，建设了环境背景数据库，进一步促进了环境保护的科学分析与决策[3]。

1.2 技术应用优势

在环境污染监测工作中，GIS技术的应用优势在于：（1）设备占地面积小、重量轻，内部元件密封不受环境干扰。而且其采用整块运输方式，安装方便、费用较低，后期检修工作量小。（2）和GPS、RS等技术相结合，可提高土壤背景调查的全面性，同时对数据信息进行计算分析，为污染治理提供决策支持。（3）通过人机交互的方式建模，在其他软件工具的辅助下完善系统功能，实现监测信息的三维立体可视化，具有极强的空间综合分析和动态预测能力[4]。（4）采用实时动态载波相位差分技术（RTK），提高了定位精度，误差仅有厘米级。

2 基于GIS技术的水源地周边土壤污染监测方法

2.1 土壤污染风险评价

2.1.1 评价土壤污染程度

目前评价土壤污染程度的方法较多，采用单因子指数法，计算公式：

式中，Pi表示第i个污染物的单因子指数，Ci表示污染物含量，Si表示该污染的评价值。根据计算结果，将污染程度划分为4个等级，分别是未污染、轻度污染、中度污染和重度污染。

2.1.2 评价土壤的潜在风险

水源地周边土壤的潜在风险，从污染物浓度大小、敏感性高低、毒性水平轻重三个方面进行综合分析，最终得到污染系数，计算公式：

式中，表示污染物系数，表示土壤污染的毒性响应，表示土壤生态风险指数，RI表示土壤潜在的生态风险。根据计算结果，将土壤的潜在风险标准划分为5个等级，分别是轻微、中等、强、很强和极强。

2.1.3 评价土壤的综合生态风险

结合实践可知，造成水源地周边土壤污染的污染源并非单一的，而是多个污染因子共同作用导致的。污染因子的影响程度不同，最终土壤的污染程度也就不同[5]。因此，实际工作中对土壤污染物判定时，存在一定的模糊性。对此，选择污染物含量、距离、景观格局等要素建立评价体系，采用加权法评价土壤的综合生态风险，计算公式：

式中，Fi表示第i个评价指标的隶属度函数，Wi表示指标的权重，n表示评价指标的数量，ER表示土壤的综合生态风险。

2.2 污染空间定位

基于土壤污染程度、潜在风险、综合生态风险等评价指标，将GIS技术应用在水源地周边土壤污染的监测工作中。首先通过定位，得到水源地周边土壤的电子图像，然后对图像进行预处理：

2.2.1 大气校正

利用GIS获取土壤图像时，阳光反射会影响大气分子的运动，进而影响图像质量。因此，通过大气分子校正可减小对图像的不利影响，为后续数据分析打下基础。

2.2.2 辐射定标

生成电子图像时，不论是太阳角度还是传感器性能，均会产生一定影响，导致图像光谱出现误差。辐射定标处理，就是获取空中、地面及大气环境数据，将各种参数带入大气辐射传输模型，求取遥感器入瞳时的辐射亮度，计算定标系数并进行误差分析，讨论误差的形成原因[6]。

2.2.3 图像裁剪

GIS获取的电子图像范围较大，后续数据分析处理的工作量大，为了减少工作量，提高数据分析精度，对电子图像进行裁剪，仅对水源地周边的土壤进行分析。

2.3 监测点布设

布设监测点是土壤污染监测中的一个重要环节，要保证点位布设的全面性、合理性、代表性。因土壤污染的类型不同，布设监测点的参数也不同。

2.3.1 确定概率的置信水平

土壤属性是一个独立的随机变量，假设属性平均值是µ，方差为σ2，所有监测点的平均值是p，那么事件概率的置信水平计算公式：

式中，λ表示概率系数，p1表示获取的概率置信水平。

2.3.2 确定监测点的采样数量

假设每个监测点都是独立的，随机变量η正态分布，利用中心极限定理即可得到正态分布值，确定监测点的采样数量，计算公式：

式中，k表示采样精度，正态分布值为1.645。

2.3.3 确定样本数量

一般来说，监测点的样本数量会受到采样精度、置信水平的影响，样本数量的计算公式：

式中，ta表示置信水平，t表示监测点分布，a表示监测点的分布特征，n表示采样数量，s表示总数据量。采样完成后，根据测定布设情况填写采样数据单，然后录入污染物信息，并进行归一化处理，保存所有数据。

2.4 监测数据分析

2.4.1 建立模型

依据土壤污染物评价指标，结合采集到的数据，以污染物浓度为准，利用内罗梅污染指数建立污染物等级评价模型，计算公式：

式中，Ci表示实际测量得到的污染物浓度，Si表示污染评价标准，PN表示表示污染物指数模型。根据计算结果，将污染等级划分为5个层次，分别是安全（PN≤0.7）、尚安全（0.7＜PN≤1）、轻度污染（1＜PN≤2）、中度污染（2＜PN≤3）和重度污染（PN＞3）。

集成污染物指数模型，输入采集到的污染物数据，即可自动生成分级指数。GIS获取土壤的电子图像后，根据不同分级指数渲染成不同颜色。

2.4.2 空间插值

监测点计算时，采用空间插值法对未知区域的污染物浓度进行模拟，进而得到全部污染物的分布情况。插值处理时，假设水源地周边土壤的污染区域为Z(x)，x点位的属性值是Z(xi)，待插点为x0。根据已知采集点的属性值，计算得到属性值的加权之和，计算公式：

式中，λi表示待定权重系数，Z(xi)表示污染物相关变量，Z(x0) 表示采集点属性的加权之和。得到插值结果后，在GIS中自动生成单一污染物的浓度分布图。

2.4.3 空间叠加

采用空间插值法，是从空间角度反映出污染物的浓度，明确哪个区域的污染严重、哪个区域的污染较轻[7]。要想从时间角度反映出污染物的浓度，对比不同时间段土壤的污染情况，要采用空间叠加法进行分析。具体方法如下：第一步，根据污染区域的土壤背景浓度，采用插值法生成背景浓度分布图。第二步，将背景浓度分布图、污染物浓度分布图叠加起来，得到污染物的浓度变化图。第三步，录入采集到的实时数据，反映出土壤污染前与污染后的变化。

2.4.4 空间统计

土壤污染监测实际项目中，污染物种类较多，以上分析方法适用于单一污染物的浓度计算。要想反映出多种污染物的变化，就要采用空间统计法，根据布设的监测点生成不同污染物的统计图，从而直观反映不同监测点、不同污染浓度的变化。通过对比分析，明确污染源，进而达到土壤污染监测的目标。

2.5 监测效果评价

GIS技术应用在水源地周边土壤污染监测中，监测精度和用时是两个重要的评价指标，前者关系到工作质量，后者关系到效率成本。为评价GIS监测效果，随机选择5处地理环境不同的水源地，将GIS土壤监测方法编号为A，高光谱RS监测方法编号为B，土壤重金属监测方法编号为C，对比如下：

2.5.1 监测精度

如表1所示，3、4两个水源地因环境条件差，3种监测方法的精度均低于1、2、5水源地。整体来看，方法A的监测精度最高，方法B次之，方法C的精度最低。说明基于GIS技术对水源地周边土壤污染进行监测，能提高监测精度，获得真实可靠的监测数据信息。

表1 不同监测方法的结果精度比较

2.5.2 监测用时

如表2所示，对土壤污染监测50次、100次、150次、200次、250次，计算三种监测方法的平均用时。结果可见，监测50次时，三种方法的用时相差较小；随着监测次数增加，用时差异也在扩大。整体上看，方法A的用时最短，方法B次之，方法C的用时最长。说明基于GIS技术对水源地周边土壤污染进行监测，能缩短监测用时，提高工作效率。

表2 不同监测方法的用时比较 单位：s

3 水源地周边土壤污染的治理措施

3.1 健全污染防治体系

第一，全面掌握土壤污染现状，对污染数据进行剖析，尤其是工业企业生产数据，明确主要污染物有哪些，评价污染程度及对地表水和地下水的影响，然后制定针对性的防治方案。第二，严格执行政策法规，紧紧跟随时代发展步伐，根据当地发展需求和土地规划，加大周边土壤环境的保护力度。第三，建立土壤环境监控体系，土壤污染并非一朝一夕形成，监控工作是一个长期性任务。要以当地政府为主导，农业、林业、环保等部门协作，合理配置人员、设备和资金，建立连续性、动态性的监控体系，及时获取土壤污染信息，使防治工作变被动为主动。

3.2 加强宣传教育工作

相比于水污染、空气污染，土壤污染不仅更加复杂，而且具有较强的隐蔽性。要想提高污染防治效果，还要加强宣传教育工作，通过增强居民的环保意识，使其积极参与到污染防治中。在宣传教育手段上，应充分利用信息技术的优势，采用微博、微信、短视频平台等媒介，以图片、视频的形式展示土壤污染与防治的相关知识，普及政策及法律法规。同时，建立畅通的交流渠道，收集处理民众的反馈信息，提高污染防治的针对性和有效性。

3.3 推广试点示范操作

土壤污染后治理工作难度较大，不仅需要充足的资金支持，还要培养专业的技术人员，实现污染治理的持续革新。由于我国地域广阔，不同地区的地理环境条件差异明显，针对土壤污染的治理，可进行试点示范然后推广。具体而言，选择具有代表性的污染土壤为试点，将生理、物理、化学等治理技术措施应用其中，观察土壤修复过程，评价土壤治理成果，然后总结成功的经验，在其他类似项目中推广，发挥出试点示范效应，达到降本增效的目标。

3.4 注重技术和设备的创新

土壤污染监测与治理，技术和设备是核心。新型污染物的出现要求必须对技术、设备进行不断创新。以GIS技术为例，未来要向着集成化、智能化的方向发展，与RS、专家系统、神经网络等技术相结合，可对地理数据进行智能分析与应用，解决复杂问题。与传统绘图软件CAD相结合，能完善绘图功能，有助于数据的输入与更新。与多媒体、虚拟现实等技术相结合，可增强GIS图像的可视化、交互性和可操作性，更加方便污染监测工作的开展。

4 结语

经济社会快速发展的同时，人们的环保意识也在增强，污染监测与治理成为一项重要工作。本研究基于GIS技术，探讨了在水源地周边土壤污染监测中的应用，结果证实不仅监测结果的精度高，而且监测作业用时短，是一种科学可行技术方案。未来，随着信息技术的发展，GIS技术的智能化程度将不断提高，在污染监测中的应用前景也将更加广阔。