周宜一 湯傳棟 陳國偉 崔志強

(銘瑞環(huán)境科技(南京)有限公司 江蘇南京 210000)

隨著我國對土壤環(huán)境的重視，近年來出臺了一系列土壤污染防治相關規(guī)定與技術規(guī)范，其中針對土壤污染狀況調查表明：污染物含量超過土壤污染風險管控標準的地塊，要求開展土壤污染風險評估。風險評估工作需在土壤污染狀況調查階段得到的分散采樣點檢測結果的基礎上，通過相關模型進行統(tǒng)計分析，從而得到污染物空間分布，確定土壤污染范圍，估算修復面積與方量，為后續(xù)修復技術方案編制與土壤污染修復工程實施提供依據。

我國相關土壤技術導則尚未規(guī)定土壤污染范圍模擬方法，目前已有較多研究采用克里金插值法[1-6]、反距離加權法[7-8]、BP神經網絡模型法[9-10]、無污染點位連線法等方法模擬污染范圍，近年來泰森多邊形法也出現(xiàn)了較多實際應用。目前，多項研究表明克里金法較其他方法模擬精度更高，但前提是數(shù)據需服從或近似服從正態(tài)分布，否則對其模擬精度產生較大影響，目前尚無明確的結論表明何種模擬方法最優(yōu)[11-14]。

本次選取當前常用的普通克里金插值法與泰森多邊形法模擬某地塊土壤污染范圍，研究模擬結果差異的影響因素，并從實際操作應用角度對比分析兩種方法的優(yōu)缺點。

1 研究方法

1.1 研究地塊概況

本次研究選取的地塊位于江蘇省某地區(qū)，地塊總面積約為4.4萬m2，地塊歷史上存在碳素廠、金屬加工廠等多家工業(yè)企業(yè)，地塊周邊曾建有焦化廠等企業(yè)。由于該地塊未來用地性質將轉換為中小學用地，按照《中華人民共和國土壤污染防治法》等相關法律法規(guī)要求，由土壤使用權人組織開展了地塊土壤污染狀況調查、風險評估等工作。

根據土壤污染狀況調查結論，地塊土壤污染物含量超過《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600-2018）規(guī)定的第一類建設用地土壤污染風險篩選值，屬于污染地塊。

地塊初步調查、詳細調查以及補充調查共布設了140個土壤采樣點，布點密度可滿足每400 m2不少于一個點位的要求，每個點位按照0.5 m 以內取一個表層樣、0.5 m 以下每2 m 取一個樣的原則，分別取0.5 m、1.5 m、2.5 m、4 m、6 m的樣品進行檢測分析。根據調查結果，地塊最大污染深度為1.5 m。本次選取地塊主要污染物苯并[a]芘作為模擬因子，基于地塊所有采樣點位不同深度樣品的檢測結果，將地塊分為0～＜0.5 m、0.5～1.5 m 兩層，分別采用普通克里金插值法與泰森多邊形法，模擬地塊污染范圍，并分析兩種方法的差異。研究地塊苯并[a]芘檢測結果基本情況如表1所示。

表1 研究地塊土壤中苯并[a]芘含量基本情況表

1.2 插值方法介紹

1.2.1 普通克里金插值法

普通克里金插值法是通過一組具有z值的分散點生成估計表面的統(tǒng)計過程。該方法基于點與點之間的統(tǒng)計關系進行內插或外推，利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據和變異函數(shù)的結構特點，對未知樣點進行線性無偏、最優(yōu)估計。目前已有較多文獻介紹了利用Surfer 等軟件通過普通克里金法模擬污染范圍的操作方法與案例[15-17]。

本次研究將140個采樣點位0～＜0.5 m、0.5～1.5 m苯并[a]芘檢測值分別在Surfer軟件中進行數(shù)據網格化，由于研究地塊數(shù)據不符合正態(tài)分布，因此對數(shù)據采用對數(shù)形式進行變異函數(shù)理論模型轉換，轉換后0～＜0.5 m、0.5～1.5 m 數(shù)據峰度分別為1.26、3.19，數(shù)據偏度分別為1.29、1.94，較原始數(shù)據更接近正態(tài)分布，基于對數(shù)轉換后的數(shù)據建立線性白化網格，并生成等值線圖層，分別按篩選值設置最小等值線值，從而得到0～＜0.5 m、0.5～1.5 m污染范圍圖。

1.2.2 泰森多邊形法

泰森多邊形法構造方法為在所有點中劃分出符合Delaunay準則的不規(guī)則三角網（TIN），三角形各邊的垂直平分線即可形成泰森多邊形的邊，各平分線的交點決定泰森多邊形折點的位置。各個點覆蓋的區(qū)域中任何位置到其關聯(lián)點的距離都比到任何其他點輸入要素的距離近。

將140個采樣點位的苯并[a]芘按照0～＜0.5 m、0.5～1.5 m樣品檢測值分別列出并導入ArcGIS，創(chuàng)建泰森多邊形，并裁切得到地塊紅線范圍內所有采樣點的泰森多邊形，利用按屬性選擇功能，輸入檢測值大于篩選值的條件表達式，可得到0～＜0.5 m、0.5～1.5 m深度污染范圍圖。

2 結果與分析

分別采用普通克里金法及泰森多邊形法插值得到0～＜0.5 m、0.5～1.5 m污染范圍圖，并將不同深度的各方法模擬結果疊加進行對比，如圖1所示。

圖1 不同方法污染范圍插值結果疊加對比圖

根據模擬結果，可以看出泰森多邊形法插值結果不受點位檢測值影響，其污染范圍邊界固定位于相鄰點位連線的垂直平分線，而普通克里金法插值結果除布點位置外，還取決于點位污染物含量。選取圖1 中部分污染分區(qū)與相應點位進一步分析污染物含量對普通克里金法插值結果的影響，如表2 所示。由此可以看出：超標點位檢測值越大，模擬得到污染范圍越大；插值結果也受到相鄰不超標點檢測值影響，超標點位檢測值不變的情況下，周邊不超標點檢測值越大，污染范圍越大。

表2 污染物含量對普通克里金插值法污染范圍的影響對比

利用ArcGIS統(tǒng)計兩種方法插值得到的污染面積。泰森多邊形法插值得到的苯并[a]芘0～＜0.5 m深度污染面積為10 641 m2，0.5～1.5 m深度污染面積為7 599 m2；而普通克里金法對數(shù)轉換后插值得到的苯并[a]芘0～＜0.5 m 深度污染面積為8 454 m2，0.5～1.5 m 深度污染面積為6 333 m2。因此，基于該地塊苯并[a]芘調查數(shù)據，泰森多邊形法插值得到的污染面積大于普通克里金法插值得到的污染面積。

根據普通克里金法與泰森多邊形法插值原理，在對數(shù)轉換的情況下，研究地塊檢測值在5 mg/kg左右時兩種方法插值結果接近，如圖1 中G 點位。檢測值為4.2 mg/kg，污染面積分別為403.94 m2、394.9 m2，僅相差2%。分析研究地塊原始數(shù)據可知：0～＜0.5 m、0.5～1.5 m超標點位檢測值中位數(shù)分別為1.45 mg/kg、1.80 mg/kg，上四分位數(shù)則分別為2.38 mg/kg、3.86 mg/kg，總體小于4 mg/kg，因此研究地塊普通克里金法插值得到的污染面積小于泰森多邊形法，如圖1 中A 點位，檢測值為0.6 mg/kg，普通克里金法與泰森多邊形法插值污染面積分別為392.61 m2、1.43 m2，顯示出明顯的差異。

3 討論

根據模擬過程操作及模擬結果對比普通克里金法與泰森多邊形法在土壤污染模擬中的應用差異如下。

3.1 操作使用對比

根據相關研究，Surfer 軟件插值功能較ArcGIS 更優(yōu)[18-20]，且便于設置任意的最小等值線，從而得到污染范圍圖，但Surfer 中的普通克里金法每次僅能模擬單一深度單一因子污染范圍，不能進行批量網格化與等值線設置，對于污染分層較多、污染因子較多的地塊，模擬工作量較大。同時，Surfer在坐標提取與統(tǒng)計功能上相對欠缺，需配合CAD 或ArcGIS 等軟件進一步分析，操作較為繁瑣。本研究模擬過程中，在Surfer中設置最大、最小等值線均為篩選值，得到污染范圍線，導出為.shp 文件，再導入ArcGIS 進行定義投影、統(tǒng)計面積、提取坐標等操作，由于研究地塊邊界處仍有污染，Surfer白化后使污染范圍線在地塊邊界處斷開，在導入ArcGIS后還需通過編輯器進行閉合。若需得到地塊疊加污染范圍，或按重金屬污染、有機污染等不同污染類別進行分類疊加，則需采取更多的操作步驟。

泰森多邊形法一般通過ArcGIS軟件進行模擬，可通過按屬性要素選擇功能，輸入條件表達式，一次性得到所有污染單元，或根據需求改變條件表達式，分層、分因子模擬污染范圍，方法較靈活便捷。

3.2 模擬結果對比

泰森多邊形法僅通過點位之間的位置關系劃定單元，最終確定的污染范圍僅與布點密度有關，與點位污染程度無關，因此模擬結果不確定性較大。

普通克里金法在各土壤點位的位置關系基礎上，考慮各點位同一深度污染物含量，插值得到未知區(qū)域污染物含量，可直觀反映出地塊某一深度的污染物含量梯度變化情況。但在數(shù)據不能服從正態(tài)分布的情況下，模擬結果可能出現(xiàn)較大偏差，在超標倍數(shù)較高的點位，因其平滑效應使預測范圍過大，可能導致過度修復，或在超標倍數(shù)較低的點位，可能預測范圍過小，將污染區(qū)誤判為清潔區(qū)。由于土壤的不均質性，調查得到的污染物數(shù)據較多情況下不能服從正態(tài)分布，目前雖有較多文獻介紹利用Surfer 軟件普通克里金法進行土壤污染模擬的操作方法，但基本直接采用線性插值，而數(shù)據通過變異函數(shù)進行優(yōu)化后模擬結果可能發(fā)生較大變化。

3.3 劃定修復范圍應用對比

普通克里金法模擬得到的污染范圍為平滑曲線，對于后續(xù)采取開挖方式進行異位修復的情況，需通過裁彎取直進一步劃定范圍，從而得到修復拐點坐標，以便土壤開挖的實施，因此實際修復范圍將會擴大，修復工程量相應增加。且不同深度模擬得到的修復區(qū)邊界垂直投影差異較大，不便于分層施工定界。

利用泰森多邊形法模擬結果為直線多段線型修復邊界，可直接提取修復拐點坐標，模擬得到的污染單元即為建議修復范圍。泰森多邊形法在各采樣點位不同深度均有數(shù)據的情況下，各層劃分的單元格垂直投影一致，便于實際施工。李靜文等人[21]采用克里金法模擬無數(shù)據點位，再利用泰森多邊形法進行修復區(qū)劃定的方法，進一步解決了泰森多邊形法中數(shù)據不足對施工定界的影響。

4 結語

由于土壤具有不均質性，且不同污染源與污染因子在土壤中吸附與遷移過程復雜，目前雖有多種劃定修復范圍的方法，但尚無明確結論何種方法最優(yōu)。泰森多邊形法在操作使用與修復工程定界方面較普通克里金法有較大的優(yōu)勢，但插值結果不確定性較普通克里金法更大。

建議在劃定地塊污染范圍時，可采用兩種方法分別進行模擬，對于模擬結果相近的區(qū)域，優(yōu)先選用泰森多邊形法，便于后續(xù)修復范圍劃定與修復施工；對于模擬結果差別較大的區(qū)域，結合地塊歷史用途、生產特征、土壤性質等因素，具體分析數(shù)據特征、污染物遷移規(guī)律，并進行加密布點和異常值分析，進一步減少不確定性。