商宏華，鄧明星，黃春敏，李文超，劉冰月

（杭州臻尚環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 311000）

2018年以來(lái)，土壤污染的問(wèn)題備受關(guān)注，全國(guó)各省市啟動(dòng)了“土壤調(diào)查-風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估-土壤修復(fù)”系列工作。因?yàn)橥寥赖漠愘|(zhì)性及土壤污染的隱蔽性，采用傳統(tǒng)的布點(diǎn)取樣檢測(cè)方法，工作量巨大且成本較高、工期長(zhǎng)。為提高土壤污染范圍確定的精確度，土壤調(diào)查分析工作者常常借助 Arcgis、Surfer、Voxler、ArcMap等系統(tǒng)軟件，結(jié)合傳統(tǒng)的布點(diǎn)取樣檢測(cè)方法，提高土壤調(diào)查和相關(guān)工作的成效。其中，Arcgis是地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)軟件，Surfer、Voxler、ArcMap是模擬軟件，本文就應(yīng)用最多的Arcgis和Surfer進(jìn)行闡述。

1 Arcgis在場(chǎng)地調(diào)查中的應(yīng)用

Arcgis軟件是Esri公司集40多年地理信息系統(tǒng)咨詢和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提供給用戶的一套完整的GIS平臺(tái)。它具有強(qiáng)大的地圖制作、數(shù)據(jù)管理、空間分析及空間信息整合、發(fā)布與共享等功能[1]。Arcgis在土壤調(diào)查、分析中已有比較廣泛的研究和應(yīng)用：

自然資源部大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心的趙輝等[2]針對(duì)不同轉(zhuǎn)換模型分析了 Arcgis坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的適用性與精度。通過(guò)4參數(shù)法、7參數(shù)法、Molodensky法和簡(jiǎn)化Molodensky法，進(jìn)行了80個(gè)重合點(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度分析，分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換殘差分布以±5 cm范圍內(nèi)為主，標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于3 cm。為了驗(yàn)證數(shù)字線劃圖轉(zhuǎn)換適用性，進(jìn)行了試驗(yàn)范圍內(nèi)點(diǎn)、線、面三種要素類(lèi)數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換精度、完整性和一致性均可以滿足要求，這就說(shuō)明Arcgis具有進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的適用性。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的楊婧怡[3]把Arcgis應(yīng)用于地籍調(diào)查生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了快速且準(zhǔn)確地提取出宗地四至；江西省國(guó)土空間調(diào)查規(guī)劃研究院的劉建華[4]以Arcgis平臺(tái)為基礎(chǔ)，以C#為開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于GeoProcessing開(kāi)發(fā)的多線程分鄉(xiāng)鎮(zhèn)賦值算法快速高效，實(shí)現(xiàn)了耕地坡度級(jí)別賦值。在江西省第三次國(guó)土調(diào)查時(shí)，縣級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和應(yīng)用中，平均每個(gè)縣級(jí)單元地類(lèi)圖的賦值時(shí)間僅需15分鐘，錯(cuò)誤率為零，為全省第三次國(guó)土調(diào)查工作起到了積極推動(dòng)作用。

來(lái)自河南省地質(zhì)科學(xué)研究所的王傳先[5]，基于Arcgis的第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查地類(lèi)流量計(jì)算方法研究，實(shí)現(xiàn)了地塊變化數(shù)量和位置的統(tǒng)一、高效管理。

廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院的董正國(guó)[6]，利用以Arcgis結(jié)合ArcServer進(jìn)行聯(lián)合使用的方法，將本底影像和監(jiān)測(cè)影像發(fā)布、提供給生產(chǎn)人員使用，從而提高監(jiān)測(cè)更新效率，確保不會(huì)用錯(cuò)影像，該方法在 2019 年度廣東省基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中被推廣應(yīng)用。

根據(jù)《浙江省生態(tài)環(huán)境廳辦公室關(guān)于開(kāi)展污染地塊安全利用現(xiàn)場(chǎng)檢查的通知》，對(duì)系統(tǒng)中屬于原環(huán)境保護(hù)部第42號(hào)令或浙環(huán)發(fā)[2018]7號(hào)文適用范圍內(nèi)，需要補(bǔ)充地塊空間信息。浙江省針對(duì)浙江省土壤環(huán)境，搭建“浙江省土壤環(huán)境信息化管理系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，相關(guān)部門(mén)需將地塊空間信息文件上傳至該平臺(tái)。就此以杭州市某公司地塊”為例，進(jìn)行說(shuō)明Arcgis在場(chǎng)地調(diào)查中的應(yīng)用：

常用的衛(wèi)星圖軟件主要為Google earth、奧維衛(wèi)星圖、91地圖等，下載的地塊衛(wèi)星圖為WGS 1984坐標(biāo)系，無(wú)法直接生成Shapefile文件-2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，需要借助Arcgis軟件對(duì)底圖進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。在ArcMap的ArcToolbox中，能夠轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)[7]。大致方法為：打開(kāi)“地理處理”→ArcToolbox→投影和變換→投影。底圖取自“奧維衛(wèi)星圖”軟件，下載地塊衛(wèi)星圖（WGS1984，tif格式）。將底圖導(dǎo)入arcgis軟件，轉(zhuǎn)化為Shape file格式文件。然后按照上述方法，將輸出投影坐標(biāo)系選用CGCS 2000 3 Degree GK CM 120E坐標(biāo)系（本項(xiàng)目地塊位于杭州，選用120E坐標(biāo)系，其余地區(qū)需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際位置進(jìn)行調(diào)整），導(dǎo)出地圖即為CGCS 2000 坐標(biāo)Shape file格式。

2 Surfer在地下水分析中的應(yīng)用

Surfer軟件是美國(guó)Golden Softwant公司生產(chǎn)的制作等高線圖和三維立體圖的軟件，它能提供11種數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，包含了目前幾乎所有主流的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算方法，可提供各種圖形、圖像的輸入輸出接口，方便文件及數(shù)據(jù)的交流?？梢哉f(shuō)，Surfer軟件提供了一種方便、實(shí)用、可操作性強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和制圖方法。

Surfer 軟件內(nèi)置多種空間插值模型，通過(guò)建模自動(dòng)生成接近污染物空間分布的特征函數(shù)方程。插值的精準(zhǔn)度，主要取決于對(duì)污染物空間變異性的反映程度。Surfer 軟件通過(guò)對(duì)已有點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，從而獲得點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，并以此來(lái)進(jìn)行圖件繪制。Surfer軟件是場(chǎng)地調(diào)查環(huán)節(jié)必備的專業(yè)軟件之一，在場(chǎng)調(diào)過(guò)程中，常用surfer軟件完成地下水流向圖的繪制，在缺少場(chǎng)地特征參數(shù)的情況下，Surfer軟件也可以粗略繪制地下水污染羽，模擬地下水的遷移范圍，為場(chǎng)地調(diào)查階段地下水點(diǎn)位的布設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。Voxl、ArcMap也具有類(lèi)似功能。

Surfer軟件可提供10余種插值方法：距離倒數(shù)、克里格、最小曲率等?？死锔穹ㄒ卜Q空間局部插值法，它根據(jù)待插值點(diǎn)與臨近實(shí)測(cè)水位控制點(diǎn)的空間相對(duì)位置，對(duì)待插值點(diǎn)的水位標(biāo)高進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，從而生成一個(gè)水標(biāo)高的克里格插值圖，用于表達(dá)研究區(qū)域地下水的賦存狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用克里格法進(jìn)行地下水插值比其它方法更為精確，尤其當(dāng)數(shù)據(jù)的空間連續(xù)性變化的屬性非常不規(guī)律時(shí)，克里格法能更好地表達(dá)隱含在數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)，因此克里格法特別適用于場(chǎng)地調(diào)查時(shí)地下水時(shí)采樣點(diǎn)分散、無(wú)規(guī)律的情況下的數(shù)據(jù)處理和分析。

根據(jù)《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 25.2-2019）文件：地塊內(nèi)若需地下水監(jiān)測(cè)，則地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)沿著地下水流方向布設(shè)，可分別布設(shè)在地下水流向的上游、地下水可能污染較嚴(yán)重區(qū)域和（或）地下水流向的下游。故而，地塊地下水流向的確定對(duì)于土壤調(diào)查工作尤為重要。

Surfer軟件可以借助地塊地下水井?dāng)?shù)據(jù)生成等值線及矢量線，借此生成地塊地下水流向圖。具體方法為：

（1）在場(chǎng)地土壤地下水調(diào)查過(guò)程中，收集測(cè)繪資料和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。包括但不限于調(diào)查區(qū)域邊界拐點(diǎn)坐標(biāo)、地下水的監(jiān)測(cè)井井點(diǎn)坐標(biāo)、各地下水監(jiān)測(cè)井高程、地下水的穩(wěn)定水位等數(shù)據(jù)，病形成Excel文件。

（2）將帶有點(diǎn)位坐標(biāo)、地下水水位高程的Excel文件導(dǎo)入到Surfer軟件中（Excel數(shù)據(jù)不少于3組），點(diǎn)擊工作框中“網(wǎng)格數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，對(duì)Excel文件進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，然后點(diǎn)擊“等值線”，即可生成地下水水位高程等值線圖；再點(diǎn)擊“矢量圖”，即可生成地下水流向圖。Surfer軟件中也可以生成地下水流向圖、地下水流場(chǎng)圖等。

（3）根據(jù)需要疊加地塊底圖，需要先導(dǎo)入地塊底圖（tif格式），后對(duì)底圖進(jìn)行白化。也可以通過(guò)輸出獲得 Mapgis等系統(tǒng)軟件可使用的格式文件，再由 這些系統(tǒng)軟件進(jìn)一步修飾，完成最終數(shù)據(jù)的分析，形成最終的圖件。

圖1是將杭州市某香料有限公司地塊數(shù)據(jù)導(dǎo)入surfer軟件，后經(jīng)過(guò)加工得出地塊地下水流向圖。

圖1 地下水流向圖

3 Arcgis在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段，需計(jì)算出污染場(chǎng)地的修復(fù)目標(biāo)值及其修復(fù)范圍，前期的檢測(cè)數(shù)據(jù)僅能確定大致污染區(qū)域，要準(zhǔn)確確定范圍需借助Arcgis軟件，對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后確認(rèn)精確的污染范圍。

在很多修復(fù)項(xiàng)目中，用Arcgis插值的方法估算污染土方量，得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外亦有大量關(guān)于此類(lèi)方法的研究數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料[8]。杭州市某生物公司地塊修復(fù)范圍的確定，采用了空間加權(quán)反距離插值法相結(jié)合的方法進(jìn)行劃定，并采用插值與清潔點(diǎn)連線相結(jié)合的方法對(duì)污染土方量進(jìn)行估算。

反距離插值法原理：反距離插值法（Inverse Distance to a Power）的原理是，假設(shè)在平面上分布一系列的離散點(diǎn)，已知離散點(diǎn)坐標(biāo)（xi，yi）和屬性值z(mì)i（i=1，2，…，n），p（x，y）均為任一網(wǎng)格點(diǎn)，根據(jù)離散點(diǎn)的自身屬性值，采用距離加權(quán)的插值方法，求p點(diǎn)屬性值。該方法綜合了泰森多邊形的鄰近點(diǎn)法、多元回歸法的漸變方法等方法的優(yōu)點(diǎn)，離散點(diǎn)的屬性值，是在特定范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)位的距離加權(quán)平均值，該方法可以進(jìn)行確切（或圓滑的）方式插值。其相關(guān)步驟如下：

（1）計(jì)算某一任意未知點(diǎn)到所有任意點(diǎn)的距離；

（2）分別計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重，該點(diǎn)權(quán)重是距離的倒數(shù)的函數(shù)。

插值分析借助Arcgis軟件執(zhí)行。具體操作步驟：將帶有地塊坐標(biāo)信息、污染物濃度的Excel文件導(dǎo)入到Arcmap中，選擇“地理處理-ArcToolbox工具箱”，再選擇“插值分析-反距離權(quán)重法”，調(diào)整好插值權(quán)重、搜索半徑、象元大小等參數(shù)，即可生成相關(guān)區(qū)域的面積及拐點(diǎn)。反距離插值法示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 反距離插值法示意圖

通過(guò)加密布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位超標(biāo)樣品和不超標(biāo)樣品點(diǎn)分析，來(lái)判斷最終的修復(fù)邊界，結(jié)合專業(yè)判斷方式確定最終的修復(fù)范圍。

本文以杭州某生物公司為例，根據(jù)給定的修復(fù)目標(biāo)值，即可在Arcgis中生成污染范圍圖，如圖3。

圖3 某生物公司苯污染分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托土壤技術(shù)導(dǎo)則，借用項(xiàng)目實(shí)例從信息統(tǒng)計(jì)、地下水分析、污染范圍確定等功能，闡述了Arcgis、Surfer軟件在土壤調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的運(yùn)用。Arcgis、Surfer屬于具有強(qiáng)大功能的地圖編輯及空間分析軟件，借助傳統(tǒng)的布點(diǎn)檢測(cè)，結(jié)合軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析，高效得出精確的結(jié)論。隨著AutoCAD、Arcgis、Surfer、Voxler、ArcMap等軟件的研發(fā)、更新和應(yīng)用研究，它們將越來(lái)越多的應(yīng)用于場(chǎng)地調(diào)查、土壤地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，乃至后續(xù)的土壤地下水修復(fù)、土地開(kāi)發(fā)利用之中，不僅可以大大提升工作效率，還可為后續(xù)查清土壤質(zhì)量、監(jiān)控土壤和地下水環(huán)境質(zhì)量提供有力支持。