王曉霞

（廣東省連州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東 清遠(yuǎn) 513400）

引言

當(dāng)前，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也在一定程度上帶來了環(huán)境污染問題，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，污染監(jiān)測(cè)與治理成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。水源地為居民提供了生活及公共服務(wù)用水，而周邊土壤環(huán)境直接影響水源的質(zhì)量?！讹嬘盟幢Ｗo(hù)區(qū)污染防治管理規(guī)定》中明確指出：飲用水地表水源各級(jí)保護(hù)區(qū)及準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)，禁止一切破壞水環(huán)境生態(tài)平衡的活動(dòng)及破壞水源林、護(hù)岸林、與水源保護(hù)相關(guān)植被的活動(dòng)[1]。得益于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新型技術(shù)手段在土壤污染監(jiān)測(cè)中得以應(yīng)用，GIS技術(shù)就是其中典型的代表。鑒于此，本文探討了基于GIS技術(shù)的水源地周邊土壤污染監(jiān)測(cè)方法，為同業(yè)人員提供參考。

1 GIS技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境研究中的應(yīng)用

在資源與環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域，GIS發(fā)揮出技術(shù)先導(dǎo)的作用，目前在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地資源、生態(tài)環(huán)境、災(zāi)害預(yù)警等方面應(yīng)用廣泛。具體到生態(tài)環(huán)境研究中，GIS技術(shù)的應(yīng)用包括：（1）調(diào)查生態(tài)環(huán)境背景。（2）對(duì)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)性、連續(xù)性監(jiān)測(cè)。（3）對(duì)面源污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析與評(píng)價(jià)[2]。（4）評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境影響，為環(huán)境規(guī)劃與管理提供依據(jù)。早在2002年，我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等多部門在科技部門的主持下，開展了“全國環(huán)境背景數(shù)據(jù)庫建設(shè)與服務(wù)”工作，建設(shè)了環(huán)境背景數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)的科學(xué)分析與決策[3]。

1.2 技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)工作中，GIS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于：（1）設(shè)備占地面積小、重量輕，內(nèi)部元件密封不受環(huán)境干擾。而且其采用整塊運(yùn)輸方式，安裝方便、費(fèi)用較低，后期檢修工作量小。（2）和GPS、RS等技術(shù)相結(jié)合，可提高土壤背景調(diào)查的全面性，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算分析，為污染治理提供決策支持。（3）通過人機(jī)交互的方式建模，在其他軟件工具的輔助下完善系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的三維立體可視化，具有極強(qiáng)的空間綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力[4]。（4）采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK），提高了定位精度，誤差僅有厘米級(jí)。

2 基于GIS技術(shù)的水源地周邊土壤污染監(jiān)測(cè)方法

2.1 土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1.1 評(píng)價(jià)土壤污染程度

目前評(píng)價(jià)土壤污染程度的方法較多，采用單因子指數(shù)法，計(jì)算公式：

式中，Pi表示第i個(gè)污染物的單因子指數(shù)，Ci表示污染物含量，Si表示該污染的評(píng)價(jià)值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將污染程度劃分為4個(gè)等級(jí)，分別是未污染、輕度污染、中度污染和重度污染。

2.1.2 評(píng)價(jià)土壤的潛在風(fēng)險(xiǎn)

水源地周邊土壤的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從污染物濃度大小、敏感性高低、毒性水平輕重三個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，最終得到污染系數(shù)，計(jì)算公式：

式中，表示污染物系數(shù)，表示土壤污染的毒性響應(yīng)，表示土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，RI表示土壤潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將土壤的潛在風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)，分別是輕微、中等、強(qiáng)、很強(qiáng)和極強(qiáng)。

2.1.3 評(píng)價(jià)土壤的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

結(jié)合實(shí)踐可知，造成水源地周邊土壤污染的污染源并非單一的，而是多個(gè)污染因子共同作用導(dǎo)致的。污染因子的影響程度不同，最終土壤的污染程度也就不同[5]。因此，實(shí)際工作中對(duì)土壤污染物判定時(shí)，存在一定的模糊性。對(duì)此，選擇污染物含量、距離、景觀格局等要素建立評(píng)價(jià)體系，采用加權(quán)法評(píng)價(jià)土壤的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)i表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，Wi表示指標(biāo)的權(quán)重，n表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量，ER表示土壤的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 污染空間定位

基于土壤污染程度、潛在風(fēng)險(xiǎn)、綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等評(píng)價(jià)指標(biāo)，將GIS技術(shù)應(yīng)用在水源地周邊土壤污染的監(jiān)測(cè)工作中。首先通過定位，得到水源地周邊土壤的電子圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理：

2.2.1 大氣校正

利用GIS獲取土壤圖像時(shí)，陽光反射會(huì)影響大氣分子的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量。因此，通過大氣分子校正可減小對(duì)圖像的不利影響，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析打下基礎(chǔ)。

2.2.2 輻射定標(biāo)

生成電子圖像時(shí)，不論是太陽角度還是傳感器性能，均會(huì)產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致圖像光譜出現(xiàn)誤差。輻射定標(biāo)處理，就是獲取空中、地面及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，將各種參數(shù)帶入大氣輻射傳輸模型，求取遙感器入瞳時(shí)的輻射亮度，計(jì)算定標(biāo)系數(shù)并進(jìn)行誤差分析，討論誤差的形成原因[6]。

2.2.3 圖像裁剪

GIS獲取的電子圖像范圍較大，后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理的工作量大，為了減少工作量，提高數(shù)據(jù)分析精度，對(duì)電子圖像進(jìn)行裁剪，僅對(duì)水源地周邊的土壤進(jìn)行分析。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是土壤污染監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要保證點(diǎn)位布設(shè)的全面性、合理性、代表性。因土壤污染的類型不同，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)也不同。

2.3.1 確定概率的置信水平

土壤屬性是一個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量，假設(shè)屬性平均值是μ，方差為σ2，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值是p，那么事件概率的置信水平計(jì)算公式：

式中，λ表示概率系數(shù)，p1表示獲取的概率置信水平。

2.3.2 確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采樣數(shù)量

假設(shè)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都是獨(dú)立的，隨機(jī)變量η正態(tài)分布，利用中心極限定理即可得到正態(tài)分布值，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采樣數(shù)量，計(jì)算公式：

式中，k表示采樣精度，正態(tài)分布值為1.645。

2.3.3 確定樣本數(shù)量

一般來說，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樣本數(shù)量會(huì)受到采樣精度、置信水平的影響，樣本數(shù)量的計(jì)算公式：

式中，ta表示置信水平，t表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布，a表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布特征，n表示采樣數(shù)量，s表示總數(shù)據(jù)量。采樣完成后，根據(jù)測(cè)定布設(shè)情況填寫采樣數(shù)據(jù)單，然后錄入污染物信息，并進(jìn)行歸一化處理，保存所有數(shù)據(jù)。

2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.4.1 建立模型

依據(jù)土壤污染物評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)，以污染物濃度為準(zhǔn)，利用內(nèi)羅梅污染指數(shù)建立污染物等級(jí)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算公式：

式中，Ci表示實(shí)際測(cè)量得到的污染物濃度，Si表示污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，PN表示表示污染物指數(shù)模型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將污染等級(jí)劃分為5個(gè)層次，分別是安全（PN≤0.7）、尚安全（0.7＜PN≤1）、輕度污染（1＜PN≤2）、中度污染（2＜PN≤3）和重度污染（PN＞3）。

集成污染物指數(shù)模型，輸入采集到的污染物數(shù)據(jù)，即可自動(dòng)生成分級(jí)指數(shù)。GIS獲取土壤的電子圖像后，根據(jù)不同分級(jí)指數(shù)渲染成不同顏色。

2.4.2 空間插值

監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算時(shí)，采用空間插值法對(duì)未知區(qū)域的污染物濃度進(jìn)行模擬，進(jìn)而得到全部污染物的分布情況。插值處理時(shí)，假設(shè)水源地周邊土壤的污染區(qū)域?yàn)閆(x)，x點(diǎn)位的屬性值是Z(xi)，待插點(diǎn)為x0。根據(jù)已知采集點(diǎn)的屬性值，計(jì)算得到屬性值的加權(quán)之和，計(jì)算公式：

式中，λi表示待定權(quán)重系數(shù)，Z(xi)表示污染物相關(guān)變量，Z(x0) 表示采集點(diǎn)屬性的加權(quán)之和。得到插值結(jié)果后，在GIS中自動(dòng)生成單一污染物的濃度分布圖。

2.4.3 空間疊加

采用空間插值法，是從空間角度反映出污染物的濃度，明確哪個(gè)區(qū)域的污染嚴(yán)重、哪個(gè)區(qū)域的污染較輕[7]。要想從時(shí)間角度反映出污染物的濃度，對(duì)比不同時(shí)間段土壤的污染情況，要采用空間疊加法進(jìn)行分析。具體方法如下：第一步，根據(jù)污染區(qū)域的土壤背景濃度，采用插值法生成背景濃度分布圖。第二步，將背景濃度分布圖、污染物濃度分布圖疊加起來，得到污染物的濃度變化圖。第三步，錄入采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，反映出土壤污染前與污染后的變化。

2.4.4 空間統(tǒng)計(jì)

土壤污染監(jiān)測(cè)實(shí)際項(xiàng)目中，污染物種類較多，以上分析方法適用于單一污染物的濃度計(jì)算。要想反映出多種污染物的變化，就要采用空間統(tǒng)計(jì)法，根據(jù)布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)生成不同污染物的統(tǒng)計(jì)圖，從而直觀反映不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)、不同污染濃度的變化。通過對(duì)比分析，明確污染源，進(jìn)而達(dá)到土壤污染監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

2.5 監(jiān)測(cè)效果評(píng)價(jià)

GIS技術(shù)應(yīng)用在水源地周邊土壤污染監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)精度和用時(shí)是兩個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，前者關(guān)系到工作質(zhì)量，后者關(guān)系到效率成本。為評(píng)價(jià)GIS監(jiān)測(cè)效果，隨機(jī)選擇5處地理環(huán)境不同的水源地，將GIS土壤監(jiān)測(cè)方法編號(hào)為A，高光譜RS監(jiān)測(cè)方法編號(hào)為B，土壤重金屬監(jiān)測(cè)方法編號(hào)為C，對(duì)比如下：

2.5.1 監(jiān)測(cè)精度

如表1所示，3、4兩個(gè)水源地因環(huán)境條件差，3種監(jiān)測(cè)方法的精度均低于1、2、5水源地。整體來看，方法A的監(jiān)測(cè)精度最高，方法B次之，方法C的精度最低。說明基于GIS技術(shù)對(duì)水源地周邊土壤污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能提高監(jiān)測(cè)精度，獲得真實(shí)可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。

表1 不同監(jiān)測(cè)方法的結(jié)果精度比較

2.5.2 監(jiān)測(cè)用時(shí)

如表2所示，對(duì)土壤污染監(jiān)測(cè)50次、100次、150次、200次、250次，計(jì)算三種監(jiān)測(cè)方法的平均用時(shí)。結(jié)果可見，監(jiān)測(cè)50次時(shí)，三種方法的用時(shí)相差較??；隨著監(jiān)測(cè)次數(shù)增加，用時(shí)差異也在擴(kuò)大。整體上看，方法A的用時(shí)最短，方法B次之，方法C的用時(shí)最長。說明基于GIS技術(shù)對(duì)水源地周邊土壤污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能縮短監(jiān)測(cè)用時(shí)，提高工作效率。

表2 不同監(jiān)測(cè)方法的用時(shí)比較 單位：s

3 水源地周邊土壤污染的治理措施

3.1 健全污染防治體系

第一，全面掌握土壤污染現(xiàn)狀，對(duì)污染數(shù)據(jù)進(jìn)行剖析，尤其是工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，明確主要污染物有哪些，評(píng)價(jià)污染程度及對(duì)地表水和地下水的影響，然后制定針對(duì)性的防治方案。第二，嚴(yán)格執(zhí)行政策法規(guī)，緊緊跟隨時(shí)代發(fā)展步伐，根據(jù)當(dāng)?shù)匕l(fā)展需求和土地規(guī)劃，加大周邊土壤環(huán)境的保護(hù)力度。第三，建立土壤環(huán)境監(jiān)控體系，土壤污染并非一朝一夕形成，監(jiān)控工作是一個(gè)長期性任務(wù)。要以當(dāng)?shù)卣疄橹鲗?dǎo)，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等部門協(xié)作，合理配置人員、設(shè)備和資金，建立連續(xù)性、動(dòng)態(tài)性的監(jiān)控體系，及時(shí)獲取土壤污染信息，使防治工作變被動(dòng)為主動(dòng)。

3.2 加強(qiáng)宣傳教育工作

相比于水污染、空氣污染，土壤污染不僅更加復(fù)雜，而且具有較強(qiáng)的隱蔽性。要想提高污染防治效果，還要加強(qiáng)宣傳教育工作，通過增強(qiáng)居民的環(huán)保意識(shí)，使其積極參與到污染防治中。在宣傳教育手段上，應(yīng)充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用微博、微信、短視頻平臺(tái)等媒介，以圖片、視頻的形式展示土壤污染與防治的相關(guān)知識(shí)，普及政策及法律法規(guī)。同時(shí)，建立暢通的交流渠道，收集處理民眾的反饋信息，提高污染防治的針對(duì)性和有效性。

3.3 推廣試點(diǎn)示范操作

土壤污染后治理工作難度較大，不僅需要充足的資金支持，還要培養(yǎng)專業(yè)的技術(shù)人員，實(shí)現(xiàn)污染治理的持續(xù)革新。由于我國地域廣闊，不同地區(qū)的地理環(huán)境條件差異明顯，針對(duì)土壤污染的治理，可進(jìn)行試點(diǎn)示范然后推廣。具體而言，選擇具有代表性的污染土壤為試點(diǎn)，將生理、物理、化學(xué)等治理技術(shù)措施應(yīng)用其中，觀察土壤修復(fù)過程，評(píng)價(jià)土壤治理成果，然后總結(jié)成功的經(jīng)驗(yàn)，在其他類似項(xiàng)目中推廣，發(fā)揮出試點(diǎn)示范效應(yīng)，達(dá)到降本增效的目標(biāo)。

3.4 注重技術(shù)和設(shè)備的創(chuàng)新

土壤污染監(jiān)測(cè)與治理，技術(shù)和設(shè)備是核心。新型污染物的出現(xiàn)要求必須對(duì)技術(shù)、設(shè)備進(jìn)行不斷創(chuàng)新。以GIS技術(shù)為例，未來要向著集成化、智能化的方向發(fā)展，與RS、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析與應(yīng)用，解決復(fù)雜問題。與傳統(tǒng)繪圖軟件CAD相結(jié)合，能完善繪圖功能，有助于數(shù)據(jù)的輸入與更新。與多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合，可增強(qiáng)GIS圖像的可視化、交互性和可操作性，更加方便污染監(jiān)測(cè)工作的開展。

4 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，人們的環(huán)保意識(shí)也在增強(qiáng)，污染監(jiān)測(cè)與治理成為一項(xiàng)重要工作。本研究基于GIS技術(shù)，探討了在水源地周邊土壤污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，結(jié)果證實(shí)不僅監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度高，而且監(jiān)測(cè)作業(yè)用時(shí)短，是一種科學(xué)可行技術(shù)方案。未來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，GIS技術(shù)的智能化程度將不斷提高，在污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景也將更加廣闊。