張蕭漢

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

引言

近年來，隨著我國大量工業(yè)企業(yè)響應(yīng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策，關(guān)停原廠址并搬遷，產(chǎn)生了大量高污染風險的污染場地。這些污染場地不僅造成土壤資源的浪費，妨礙城市化建設(shè)和社會經(jīng)濟發(fā)展，還嚴重威脅當?shù)鼐用窈椭苓吶巳旱纳眢w健康，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)與恢復造成了嚴重的經(jīng)濟損失。

土壤調(diào)查是獲取土壤環(huán)境狀況與污染空間分布信息的重要手段，在土壤污染調(diào)查采樣工作中，密集的布設(shè)采樣點雖然可以詳細地反映研究區(qū)污染情況，但需要耗費大量的成本消耗大量的時間；稀疏的布設(shè)采樣點盡管可以節(jié)省調(diào)查費用，但往往容易丟失重要的污染信息，增加土壤污染調(diào)查結(jié)果的不確定性。郝易成等通過研究發(fā)現(xiàn)，并非加密點數(shù)量越多越能提高污染范圍的估計精度，相反加密布點數(shù)的增加在某些時候反而會降低采樣效率。趙業(yè)婷等發(fā)現(xiàn)在采樣點布設(shè)方法的研究中，使樣點盡可能具有代表性比盲目增加采樣數(shù)目對采樣效率的提升更為重要，因此采樣點位布設(shè)是土壤調(diào)查的眾多環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的步驟[1-4]。土壤采樣點布設(shè)方法的研究是在研究區(qū)內(nèi)確定一定數(shù)目具有全局代表性的采樣點的最佳位置，使其能準確高效地獲得研究區(qū)土壤污染信息并盡可能地降低采樣點布設(shè)成本，提升調(diào)查采樣的精度。

1 土壤布點原則

土壤調(diào)查布點原則是一般地表土壤調(diào)查中，采樣位點要選擇的原則。其是指以地類、土質(zhì)、土壤類別等為依據(jù)，結(jié)合植被、地表構(gòu)造、水文條件等現(xiàn)象，根據(jù)需要而確定的調(diào)查點的位置及設(shè)置的數(shù)量。通常，采樣點位的布設(shè)需遵循以下原則。

1.1 不同土壤類型都要布點

采樣時應(yīng)依照不同的土壤種類，運用現(xiàn)場X射線熒光快速檢測儀(XRF)等快速設(shè)備的檢測結(jié)果，盡量取得污染最嚴重的樣品，確保采集的土壤樣品最具代表性。

1.2 布點密度要有針對性

污染地區(qū)布點要密些，在土壤污染監(jiān)測中要優(yōu)先布置在污染嚴重、影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的地方。如，在由污水或被污染的河水引起的農(nóng)田土壤調(diào)查中，采樣點位的布設(shè)應(yīng)按水流方向帶狀布點，采樣點位的設(shè)定應(yīng)該按照污染遷移方向由密漸疏。在大氣污染物、固體廢物污染引起的土壤調(diào)查中，布點應(yīng)當以污染源為中心，參照風向和地表水的徑流方向這類影響污染物遷移的因素來確定。

1.3 合理劃分采樣模塊

在土壤調(diào)查工作中污染場地的面積往往較大，需要劃分成若干個采樣模塊，同時在未受污染源影響，較為清潔的區(qū)域選擇對照模塊，同一類別模塊間的差別要盡量減少，要在非污染區(qū)的同類土壤中布設(shè)一個或幾個對照采樣點。

1.4 布點注意事項

采樣地點不應(yīng)位于田邊、溝底、路旁、肥堆旁，或水土流失嚴重和地表土壤遭到污染的區(qū)域。取樣前應(yīng)先除去地表的枯枝落葉，有植被覆蓋的地點應(yīng)先去掉植被及其根部。取樣時要清除礫石等雜物。要注意定期清理取樣設(shè)備，防止交叉污染，影響檢測結(jié)果。

2 布點方法及其特征

我國《建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導則》(HJ 25.1)[5]中提出，常見的布設(shè)方法主要有4種：系統(tǒng)隨機布點法、專業(yè)判斷布點法、分區(qū)布點法、系統(tǒng)布點法(網(wǎng)格布點法)。在國家導則《建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導則》(HJ 25.1-2019)和《建設(shè)用地土壤污染風險管控和修復監(jiān)測技術(shù)導則》(HJ 25.2-2019)[6]中對建設(shè)用地土壤污染調(diào)查采樣點布設(shè)方法均給出了指導性的意見，其中，《建設(shè)用地土壤污染風險管控和修復監(jiān)測技術(shù)導則》(HJ 25.2-2019)中提到了常見的2種布點方法：對可識別使用功能區(qū)的地塊，應(yīng)選擇工作單元中央或單元內(nèi)有明顯污染的部位進行布點；對于污染情況均勻和地貌嚴重破壞的地塊難以識別具體污染位置的，可采用系統(tǒng)隨機布點法。

在實際場地的土壤采樣調(diào)查過程中，由于場地污染的復雜程度情況與地形地貌的不同，因此采取不同的樣點布設(shè)方法。在調(diào)查區(qū)域內(nèi)的污染分布不均與污染類型復雜的情況下，為摸清整個調(diào)查場地的污染情況，排查存在的污染風險，優(yōu)先采用系統(tǒng)布點法或網(wǎng)格布點法；在已知調(diào)查區(qū)域內(nèi)的重點污染源種類與分布區(qū)域，則可聯(lián)合采用專業(yè)判斷布點法與分區(qū)布點法2種樣點布設(shè)方法對可能存在嚴重污染的地塊重點布設(shè)樣點。本文將土壤調(diào)查中的采樣點布設(shè)方法歸納為經(jīng)典采樣布點法、空間形態(tài)布點法、地統(tǒng)計學布點法3大類。

2.1 經(jīng)典采樣布點法

在不具備研究區(qū)先驗知識的情況下，需通過實地采樣來獲取樣點，此時采樣方法的選擇依賴于經(jīng)典采樣法，經(jīng)典的采樣方法使用普遍，但往往布設(shè)的樣點較多，一般應(yīng)用于初步調(diào)查采樣和場地污染信息缺乏的全面采樣。

2.1.1 隨機布點法

隨機采樣法是從研究區(qū)域中對各個采樣單元都賦予同等概率被選取的采樣方法，在場地區(qū)域污染程度較為均勻的條件下，可將場地區(qū)域均勻分為若干地塊，并在各區(qū)域內(nèi)隨機布設(shè)采樣地點，其過程具有隨機性，可以避免主觀影響，具有最小的采樣方差。該方法采用的布點方式較為簡單，隨機性強，但不能用在污染較為復雜的土壤調(diào)查中，布點結(jié)果不一定具有代表性，因為隨機抽樣其特性使得采樣點分布并不均勻，甚至會出現(xiàn)局部集中和局部空缺的情況。

2.1.2 網(wǎng)格布點法

場地分為面積相等的若干地塊，每個地塊布設(shè)1個樣點，精度受網(wǎng)格大小影響，網(wǎng)格越小精度越高，適用范圍廣，特別是場地原始狀況嚴重破壞，土壤污染分布不明確情況。目前，該方法仍然是實際應(yīng)用中最為普遍的方法。

2.1.3 分區(qū)布點法

場地分為相對均勻的區(qū)域，如生產(chǎn)區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)，根據(jù)場地面積及污染特征確定布點，反映場地潛在污染區(qū)域，區(qū)塊劃分對結(jié)果有較大影響。該方法適用于場地各地塊功能分區(qū)明顯，土壤原始狀況保持良好，污染分布不均勻的污染場地。該方法精度高、誤差小、代表性較強，但需要較為豐富的先驗知識做支撐。

2.2 空間形態(tài)布點法

在特定類型的土壤區(qū)域調(diào)查研究中，因其污染區(qū)域面積大小、地勢地形條件不同，導致污染物分布的均勻程度不同，亦或是按照一定規(guī)律的路徑進行遷移轉(zhuǎn)化。此時，可以參考研究區(qū)先驗知識在特定的位置進行布點，以獲得更好的布點效率。

2.2.1 對角線布點法

適用于面積較小、地勢平坦的污水灌溉或污染河水灌溉的田塊。一般采樣點不少于5個。通常沿進水方向至出水方向引一條斜線，根據(jù)田塊的面積以及區(qū)域特征，布設(shè)出可將對角線等分的若干采樣點。

圖1 對角線布點法示意圖

2.2.2 梅花形布點法

適用于面積較小、地勢平坦、土壤污染程度較均勻的地塊。通常以地塊的兩對角線相交位置為中心點，一圍繞該點般布設(shè)5～10個采樣點。

圖2 梅花形布點法示意圖

2.2.3 棋盤式布點法

適用于中等面積、地勢平坦、地形完整開闊，但土壤污染程度較不均勻的地塊，可用于受固體廢物污染的土壤調(diào)查。該方法與前文中提到的網(wǎng)格布點法類似，布點精度受棋盤網(wǎng)格的密度影響，根據(jù)地塊面積和場地實際情況均勻布設(shè)20個以上采樣點。

圖3 棋盤式布點法示意圖

2.2.4 蛇形布點法

又稱“S”形布點法，適用于面積較大、地勢不平坦、土壤污染程度不夠均勻的地塊。

圖4 蛇形布點法示意圖

李梅等[7]在研究GIS支持的探索豫東地區(qū)土壤野外采樣布點方法時認為，在環(huán)境因素簡單的監(jiān)測區(qū)常采用網(wǎng)格法進行布點，該方法具有樣點分布比較均勻，更穩(wěn)健地反映研究區(qū)土壤性質(zhì)及方差特征，相對快速及易于用計算機軟件進行處理的優(yōu)點。雷敏等[8]對農(nóng)田土壤鎘污染的采樣布點方法進行研究，在比較對角線法、梅花形采樣和網(wǎng)格布點法的總體均值時發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤鎘含量與分布是否均勻、污染來源多樣都未知的情況下，選擇網(wǎng)格隨機法更可靠。

2.3 地統(tǒng)計學布點法

近年來，地統(tǒng)計學的方法廣泛應(yīng)用于土壤污染調(diào)查采樣布點的研究中，地統(tǒng)計學法基于土壤污染的空間自相關(guān)性，運用空間插值或條件模擬的方法，預測土壤污染空間分布，優(yōu)化點位布局，提高布點效率。地統(tǒng)計學中的指示克里格法可以對非正態(tài)分布的研究數(shù)據(jù)進行污染概率預測，通過轉(zhuǎn)換函數(shù)對數(shù)據(jù)進行二值轉(zhuǎn)換，減少極值對數(shù)據(jù)空間分布以及半方差函數(shù)擬合的影響，然后插值得出土壤污染含量超過閾值的污染概率空間分布圖。在此基礎(chǔ)上可以確定可信度較高的土壤重金屬污染和未污染區(qū)域，為土壤重金屬污染調(diào)查采樣點布設(shè)位置的確定提供參考和依據(jù)。

吳春發(fā)[9]利用指示克里格法，預測分析了研究區(qū)土壤中各種重金屬的污染概率空間分布情況，并劃分了不同土壤重金屬污染空間范圍；謝云峰等[10]利用指示克里格條件模擬方法預測土壤中Cu、Pb含量的空間分布，在多次模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上估算重金屬元素的污染概率，基于概率閾值確定污染區(qū)范圍。目前基于地統(tǒng)計學的合理采樣布點數(shù)目研究具有諸多優(yōu)勢，可以有效減少采樣數(shù)量得出相應(yīng)的合理采樣數(shù)，但在應(yīng)用上也存在著一定程度的不足，如合理采樣數(shù)的確定需要有大量先驗數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐，并且依賴于大量采樣后所得的變異函數(shù)，但在實際土壤調(diào)查采樣工作中，并不能提前獲得大量的樣本數(shù)據(jù)求取變異系數(shù)，因此在實際采樣布點工作中存在一定的局限性，不適用于初步調(diào)查采樣和缺少場地污染信息的全面采樣[11-13]。

3 結(jié)語

針對土壤重金屬污染損害的復雜性、不可預測性和動態(tài)變化性，開展快速、經(jīng)濟、準確的土壤污染調(diào)查采樣布點工作，高效掌握場地重金屬污染狀況是現(xiàn)階段的研究目標。應(yīng)充分考慮場地土壤內(nèi)重金屬的空間變異和空間分布差異性，結(jié)合地統(tǒng)計學布點法制定高效、準確和經(jīng)濟適用性為一體的土壤精準采樣布點優(yōu)化方案，提高場地環(huán)境調(diào)查工作效率。