李陽 陳沖 李成 王妙 周洋
摘 ? 要:本文以澧縣原青云香料廠廢渣及土壤污染修復項目為例,創(chuàng)新性的將Voxler、Arcgis等技術(shù)應(yīng)用于土壤污染調(diào)查方面。根據(jù)土壤樣品檢測時取樣點位的經(jīng)度、緯度與深度,確定X、Y、Z的值,將污染濃度數(shù)據(jù)錄入軟件中,對污染情況進行三維模擬,確定污染土壤的三維分布情況,輸出了直觀的三維可視化圖片;最后計算和繪制修復目標等值面圖,確定了污染土壤修復方量。本文對土壤污染調(diào)查的三維模擬與可視化技術(shù)進行了探索和研究,取得了較好的效果。
關(guān)鍵詞:三維模擬 ?可視化 ?土壤污染 ?調(diào)查 ?有機污染
中圖分類號:S712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-098X(2019)08(b)-0122-03
1 ?項目背景
2016年5月,國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》,首要提出開展土壤污染調(diào)查,掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況,并開展污染治理與修復,改善區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量。由于土壤污染調(diào)查與治理在我國目前還屬于新興行業(yè),隨著土壤污染調(diào)查與治理項目的逐漸展開,土壤污染調(diào)查與治理技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展顯得尤為重要。
澧縣原青云香料廠位于澧縣澧澹街道大港口居委會S302北側(cè),臨津橋西500m處,該廠于1996年開始生產(chǎn),主要產(chǎn)品為水楊醛,副產(chǎn)品為鹽酸,生產(chǎn)工藝為鄰甲酚、三氯氧磷、氯氣合成。該項目生產(chǎn)過程中未采取有效的環(huán)境保護措施,生產(chǎn)產(chǎn)品和原料直接堆放在廠區(qū),大量有毒有害的有機生產(chǎn)廢渣和有機化學衍生品直接傾倒進入廠區(qū)前面池塘中,對當?shù)赝寥涝斐蓢乐匚廴?,并且污染地下水。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣嚴重影響周圍居民的身體健康,當?shù)鼐用穹从硰娏?。由于手續(xù)不齊,環(huán)境保護設(shè)施不完善,對周圍環(huán)境影響較大,2006年澧縣原香料廠被當?shù)貓?zhí)法部門依法關(guān)停。澧縣原香料廠雖被關(guān)停,但是場地廢渣和污染土壤一直存在,持續(xù)對當?shù)丨h(huán)境造成污染,威脅周邊群眾的身體健康。
2 ?場地調(diào)查與風險分析
2.1 場地調(diào)查
本項目于2017年2月,對澧縣原青云香料廠區(qū)的污染情況進行了調(diào)查,調(diào)查設(shè)置共21個土壤采樣點(2#~21#,23#),采樣點采用網(wǎng)格布點法結(jié)合系統(tǒng)布點的形式布設(shè),平均間距20m×20m,具體布設(shè)根據(jù)現(xiàn)場實際情況略作調(diào)整。每個取樣地點進行垂直方向的分層取樣,取樣深度分別為0.5m、1m、2m、3m、5m、8m、10m,共7層(其中2#取樣為5m),合計145個樣。共檢測揮發(fā)性型有機物(VOCs)53項,半揮發(fā)性型有機物(SVOCs)65項,取樣點位如圖1所示。
檢測結(jié)果顯示超標的共4種包括2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并[1,2,3-cd]芘,超標率分別為29.66%、42.75%、32.41%、22.07%,超標要集中在0~5m的土層區(qū)域。
2.2 風險分析
依據(jù)《污染場地風險評估技術(shù)導則》(HJ25.3-2014),風險表征得到的場地污染物的致癌風險和危害商,可作為確定污染場地范圍的依據(jù),計算得到單一污染物的致癌風險超過10-6或危害商大于1的采樣點,代表其風險值不可接受。場地中2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘4種物質(zhì)在土壤中致癌風險值均超過了10-6,存在致癌風險。
致癌風險分析的結(jié)果表明:2,4,6-三氯苯酚主要土壤暴露途徑為吸入空氣污染物;五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘3種污染物主要土壤暴露途徑為經(jīng)口攝入土壤。
2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘4種物質(zhì)致癌風險貢獻比例分別為36.79%、26.70%、27.39%、9.12%。
2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘4種物質(zhì)非致癌危害商均未超過1,非致癌危害商較小。
3 ?三維模擬分析
3.1 軟件介紹
為了解本項目地下土壤污染的分布情況,本項目借助三維模擬與可視化軟件Voxler和Arcgis等軟件的幫助。主要軟件情況如下。
Voxler是美國Golden軟件公司的產(chǎn)品,用于繪制三維圖形,是科技工作者的必備軟件,目前在各行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。利用Voxler廣泛的三維建模工具,可以很容易地將地質(zhì)和地球物理模型,污染羽流,激光雷達點云,鉆孔模型或礦體沉積模型的多組件數(shù)據(jù)可視化。區(qū)分感興趣的領(lǐng)域,突出重要信息,并在三維空間進行可視化。
Arcgis是ESRI(美國環(huán)境系統(tǒng)研究所)公司開發(fā)的一種地理信息系統(tǒng)軟件,它可以對空間信息進行搜索、查詢、分析和處理,同時把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作集成在一起,目前在科技、工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
3.2 數(shù)據(jù)的錄入
本項目一共有145個樣品,118個指標,17110個數(shù)據(jù),其中每個樣品對應(yīng)一個經(jīng)緯度和深度數(shù)據(jù),分別對應(yīng)三維模擬中的X、Y、Z坐標。根據(jù)檢測時取樣點位的經(jīng)度、緯度與深度,確定X、Y、Z的值,然后分別錄入關(guān)注污染因子的濃度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可直接在Excel或Voxler工作表中。
3.3 三維模擬與可視化
本項目錄入好的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)導入進入工作軟件中,對于關(guān)注的污染因子2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并[1,2,3-cd]芘分層濃度分布情況采用Voxler軟件進行擬合。通過選定合適的參數(shù),本項目采用反距離權(quán)重法進行插值分析,獲得限定范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度和深度的關(guān)注因子污染濃度數(shù)據(jù)。通過形體形體渲染和切片等形式可以獲得限定范圍內(nèi)任意水平切面和垂直切面上污染物的分布情況,本位以2,4,6-三氯苯酚為例展示其三維模擬與可視化結(jié)果,結(jié)果如圖2所示,圖中網(wǎng)格坐標為WGS1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere坐標系,單位為m。
3.4 修復目標
根據(jù)前期的土壤污染調(diào)查結(jié)果和場地具體特征條件確定的場地污染建議修復目標值,本項目在確定修復目標時,主要參考通過風險評價計算反推得到的場地修復目標值,相關(guān)的法律法規(guī)和現(xiàn)有的場地案例等資料,在滿足法律法規(guī)要求下,充分考慮經(jīng)濟和技術(shù)的可行性,在綜合考慮的基礎(chǔ)上確定修復目標。本項目2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘4種物修復目標值分別為62.00mg/kg、12.46mg/kg、0.3mg/kg、0.9mg/kg。
3.5 污染范圍確定
本項目主要根據(jù)污染土壤采樣點的垂向分布規(guī)律及土層的垂直分布變化確定修復區(qū)域的修復深度,通過反距離權(quán)重法插值確定場地污染物的分布范圍,并結(jié)合土壤采樣點的位置、生產(chǎn)設(shè)施分布情況及污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和現(xiàn)場污染判斷,確定場地土壤修復的范圍。
根據(jù)污染物垂直分布圖可知本項目土壤污染最大深度在5.5m左右,從控制風險角度出發(fā),確定6.0m作為最大清挖深度。為進一步確定污染土壤的總量及土方量,本項目采用三維插值模擬軟件,計算和繪制修復目標等值面圖,該軟件可以根據(jù)污染物的空間分布情況,設(shè)定目標值,可直接計算污染物的土方量并繪制等值線/面圖。
以2,4,6-三氯苯酚為例,在Voxler軟件輸入臨界值“62mg/kg”后,計算大于目標值的體積為“10978.27m3”,并可生產(chǎn)對應(yīng)的等值面圖。依次輸入五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘4種物修復目標值后可分別獲得,另外3種污染物的污染方量和等值面圖,進行疊加后即可獲得本項目土壤污染超過目標值的范圍和方量,疊加后各種污染物的等值面圖如圖3所示。
3.6 治理方量計算
通過上述模擬和計算結(jié)果顯示:2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘四種物質(zhì)超標方量分別為:10978.27m3、7289.89m3、7502.22m3、7761.73m3。該為各類污染物單獨清挖時方量,由于大部分清挖方量重疊,因此根據(jù)各類污染物最大超標范圍確定清挖界限,該軟件同時可以給出任意深度修復目標值等值線清理范圍。廠區(qū)污染土壤分為3層計算,分別為0~2m,2~4m、4~6m,治理為最大深度為6.0m。通過Arcgis的數(shù)據(jù)分析功能,可以方便導出污染分布平面圖拐點坐標和面積,根據(jù)Arcgis軟件計算得各層次污染土壤面積,自上而下分別為2339m2、1971m2、1734m2,根據(jù)厚度計算得廢渣與污染土壤總體積為12088m3。
4 ?項目實施與評估
本項目選用“異位熱脫附技術(shù)+光催化氧化+活性炭吸附”的方式,處理澧縣原青云香料廠的廢渣和土壤污染問題。項目實施后2018年12月18日,澧縣人民政府在澧縣主持召開了《澧縣原青云香料廠廢渣及土壤修復工程效果評估報告》專家評審會,對土壤修復工程進行全面評估。評估顯示:清挖土壤遺留坑基側(cè)壁及底面土壤的2,4,6-三氯苯酚檢出最大值為0.88mg/kg,均小于修復目標值62mg/kg;五氯苯酚檢出最大值為1.19mg/kg,均小于修復目標值12.6 mg/kg;苯并(a)芘均最大值為0.26mg/kg,均小于修復目標值12.6mg/kg;茚并(1,2,3-cd)最大值為0.21mg/kg,均小于修復目標值1.36mg/kg。不同區(qū)域不同深度土壤的2,4,6-三氯苯酚檢出最大值為0.21mg/kg,均小于修復目標值62mg/kg。評估認為工程治理效果良好,達到預期目標。
5 ?結(jié)語
土壤污染調(diào)查與分析是土壤污染防治的重點,其中確定污染土壤的分布規(guī)律和范圍項目實施的關(guān)鍵。
澧縣原青云香料廠廢渣及土壤污染修復項目創(chuàng)新性的將Voxler、Arcgis等技術(shù)應(yīng)用于土壤污染調(diào)查方面,對土壤污染調(diào)查的三維模擬與可視化技術(shù)進行了探索和研究,取得了較好的效果,優(yōu)化后可以進行推廣和利用。
同時本項目在土壤進行三維模擬時發(fā)現(xiàn),參數(shù)的選取對模擬結(jié)果有著較為顯著的影響,因此,如何優(yōu)化參數(shù)選取可考慮進一步研究確定。
參考文獻
[1] 李陽.基于GIS的先覺廟水庫流域面源污染負荷研究[D].華中科技大學,2014.
[2] 魏文俠,宋博宇,李培中,等.三維可視化建模方法在污染場地中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學報,2016,6(4):384-390.
[3] 陳思萱.土壤重金屬污染時空模擬與環(huán)境風險預警研究[D].中南大學,2014.