于汧卉,王洪林,史江臣,付 和,張 璐,翟欣雅

(1. 中色藍(lán)圖科技股份有限公司,北京 101300; 2. 河北中色測(cè)繪有限公司,河北 廊坊 065201)

土壤是人類生存和發(fā)展最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一,同時(shí)也是人們進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的重要資源。重金屬污染具有長(zhǎng)期性、累積性、潛伏性及不可逆性等特點(diǎn),對(duì)土壤、地下水、微生物、植物等生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。隨著工業(yè)和城市化的快速發(fā)展,土壤重金屬污染已成為嚴(yán)重的環(huán)境問題,其通過大氣、揚(yáng)塵、水體、食物鏈等途徑直接或間接威脅人類的健康甚至生命[2-5]。

土壤安全是國(guó)家糧食安全和人類健康的根本保障。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署已將砷、汞、鉛、鋅、銅、鎳、鎘、鉻8種重金屬元素列為優(yōu)先控制污染物[6]?？茖W(xué)的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法能較好地評(píng)價(jià)土壤中重金屬污染的程度或空間分布、相應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)等,是保障生態(tài)健康的基礎(chǔ)[7]。

針對(duì)上述優(yōu)先控制污染物,目前常用的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)模型按照評(píng)價(jià)對(duì)象可歸納為兩類:評(píng)價(jià)單個(gè)污染因子污染程度的單因子指數(shù)模型和評(píng)價(jià)多種污染因子共同污染的綜合評(píng)價(jià)模型[8-9]。研究人員在開展土壤重金屬評(píng)價(jià)時(shí)往往只使用一種評(píng)價(jià)模型,導(dǎo)致結(jié)果唯一,無法根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況對(duì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行擇優(yōu)選擇。且以往調(diào)查評(píng)價(jià)工作屬于小比例尺,樣品采集數(shù)量有限,受數(shù)據(jù)可得性限制,又由于重金屬在土壤中遷移緩慢。因此,在數(shù)據(jù)分散或難以獲得目標(biāo)點(diǎn)實(shí)測(cè)值的條件下,依據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)直接開展重金屬污染評(píng)價(jià),無法準(zhǔn)確、精細(xì)地評(píng)價(jià)研究區(qū)整體污染狀況。在評(píng)價(jià)結(jié)果可視化方面,目前主要采用國(guó)外商業(yè)地圖或分析軟件(如ArcGIS、Spass等)。雖然這些軟件成熟、優(yōu)勢(shì)明顯,但也存在一些突出問題,如核心技術(shù)不可控、信息數(shù)據(jù)安全存在隱患等。

為此,本文首先采用克里金法對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,估計(jì)其在地表上的分布;然后構(gòu)建面域內(nèi)多種重金屬污染評(píng)價(jià)模型,可根據(jù)不同的重金屬污染指標(biāo)特性選擇合適的插值精度進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià);最后將公式程序化,結(jié)合開源WebGL技術(shù),對(duì)重金屬分布、污染評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)顯示,完成結(jié)果的高效可視化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三河市位于河北省中東部,廊坊市北部,東與天津市薊州區(qū)交界,北與北京市平谷區(qū)接壤,西北與北京市順義區(qū)為鄰,西隔潮白河與北京市通州區(qū)相望,西南與大廠回族自治縣毗鄰,南與香河縣接壤,東南與天津市寶坻區(qū)相鄰,在京津冀一體化和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中居重要地位。海拔范圍為30～526.8 m。西北部為孤山丘陵,海拔為30～89.3 m;山前平原區(qū)地勢(shì)平坦,西北高東南低,海拔為10～30 m,坡降1/1000～1/3000;東南部為沖洪積扇前洼地,海拔為5.9～10.0 m,坡降小于1/3000?？偟貏?shì)具有北高南低的趨勢(shì),可劃分為兩個(gè)地貌單元。

(1)新構(gòu)造斷塊山地與丘陵,分布于市域東北部的蔣福山及西北部的孤山地區(qū),由巨厚的緩傾斜碳酸鹽巖地層構(gòu)成,巖溶發(fā)育,山區(qū)有溶蝕漏斗形成的山間盆地,并被深邃的隘谷、嶂山所切,相對(duì)高差達(dá)50～500 m之多。山地周邊被剝蝕堆積臺(tái)地所圍,臺(tái)地高差為15～30 m。

(2)山前沖洪積平原,分布于市域北部南楊莊-皇莊鎮(zhèn)以北廣大地區(qū)。潮白河、鮑丘河、泃河3條河流縱穿而過,河床切割深度為2～10 m,由南向北逐漸加大;兩河之間為高出現(xiàn)代河床5～10 m的Ⅲ級(jí)臺(tái)地,其次為高出河床3～5 m的Ⅲ級(jí)階地及古河道,以及高出河床1.5～3 m的超河漫灘Ⅲ級(jí)階地?；是f鎮(zhèn)以南為山前沖洪積扇的扇前洼地,海拔為5～10 m。

研究區(qū)土層深厚,土壤類型多樣,墾殖率較高,農(nóng)、林、牧、漁為主的土地占總土地面積的66.6%。土壤類別為輕壤質(zhì)潮土,土壤肥沃,適宜多種北方農(nóng)作物生長(zhǎng),農(nóng)作物主要有小麥、玉米、高粱、棉花、大豆、花生等,其位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))華北斷拗與燕山臺(tái)褶帶(Ⅱ級(jí))的交接地區(qū),冀中臺(tái)陷Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元的北部,橫跨6個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元,即順義斷凹、大興斷凸、大廠斷凹、寶坻斷凸、邦均斷凹、福山斷凸。

1.2 樣品采集與測(cè)定

1.2.1 樣品采集

在收集、整理三河市以往土地利用類型調(diào)查、土壤環(huán)境綜合質(zhì)量調(diào)查等各項(xiàng)工作成果基礎(chǔ)上,以黃土莊鎮(zhèn)和段甲嶺鎮(zhèn)兩個(gè)鎮(zhèn)為重點(diǎn),根據(jù)研究區(qū)耕地分布狀況、地質(zhì)單元、成土母質(zhì)分區(qū)、以往污染點(diǎn)分布、水文地質(zhì)條件等要素進(jìn)行采樣點(diǎn)部署,按照《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(NY/T 1634-2008)規(guī)范,黃土莊鎮(zhèn)和段甲嶺鎮(zhèn)耕地面積約50 km2,按照密度為1～3點(diǎn)/km2,平均2點(diǎn)/km2部署采樣點(diǎn),并根據(jù)農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景和現(xiàn)有污染源進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,共設(shè)計(jì)淺層(0～20 cm)采集樣品100個(gè),每個(gè)樣品由4個(gè)分樣組成,共計(jì)400個(gè)小樣。其中,水澆地70件、旱地9件、(果)園地21件。根據(jù)農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景分區(qū)、污染分布現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃,采集深層樣品5處,深度1.5 m,每點(diǎn)按照20～30 cm的深度間隔,采集5個(gè)樣品,共計(jì)25件樣品,樣品采樣點(diǎn)位如圖1所示。

圖1 野外樣品采集點(diǎn)位

1.2.2 樣品測(cè)定

樣品測(cè)定將選擇具有國(guó)際和國(guó)內(nèi)雙認(rèn)證資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為保證分析樣品的準(zhǔn)確性,除實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)過CMA認(rèn)證,儀器按照規(guī)定定期校正外,在進(jìn)行樣品分析時(shí),還對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制,隨時(shí)檢查和發(fā)現(xiàn)分析測(cè)試數(shù)據(jù)是否受控(主要通過標(biāo)準(zhǔn)曲線、精密度、準(zhǔn)確度等)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析方法見表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析方法

1.3 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1.3.1 克里金法

克里金法是一種考慮數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計(jì)特征的插值方法,它利用從樣本屬性計(jì)算的半變異函數(shù)對(duì)整個(gè)空間的空間變異性進(jìn)行插值,該方法能量化采樣點(diǎn)之間的空間自相關(guān)性,以確定樣本數(shù)據(jù)之間的距離對(duì)插值屬性值的作用[10-12]?？死锝鸱ㄓ捎谄錈o偏特性和相對(duì)于其他方法在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用[2]。首先使用克里金法對(duì)采樣點(diǎn)重金屬濃度的空間分布進(jìn)行插值。克里金法路線如圖2所示。然后依據(jù)插值得出的研究區(qū)內(nèi)各格網(wǎng)中心點(diǎn)的參數(shù)值,分別采用以下3種評(píng)價(jià)模型開展土壤重金屬污染評(píng)價(jià)。

圖2 克里金法路線

1.3.2 單因子評(píng)價(jià)模型

以重金屬含量值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比以除去量綱計(jì)算單因子污染指數(shù),公式[11]為

(1)

式中,Pi為重金屬元素i的污染指數(shù),量綱為1;Ci為重金屬含量值(mg/L);SI為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.3 內(nèi)梅羅指數(shù)模型

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[8]為

(2)

(3)

權(quán)重w按重金屬對(duì)環(huán)境的影響程度分成3類,因一類、二類、三類微量元素環(huán)境重要性逐漸下降,分別賦值為3、2、1作為權(quán)重。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.4加權(quán)平均指數(shù)模型

加權(quán)平均指數(shù)模型是通過設(shè)置各重金屬加權(quán)值進(jìn)行評(píng)價(jià)的綜合性評(píng)價(jià)方法?？蓪?duì)8種重金屬權(quán)重進(jìn)行設(shè)置,權(quán)重之和為1,公式[13]為

PI=∑ωi(Ci/Si)

(4)

式中,PI為土壤重金屬綜合污染指數(shù);ωi為污染因子的權(quán)重;Ci為土壤污染物i的實(shí)測(cè)濃度;SI為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 可視化方法

WebGL 技術(shù)是一種三維繪圖標(biāo)準(zhǔn),不需要通過安裝渲染插件即可進(jìn)行網(wǎng)頁的模型加載及渲染。WebGL技術(shù)以其高效的可移植性和交互性開創(chuàng)了HTML交互式繪圖技術(shù)的新紀(jì)元,具有無插件、硬件加速、瀏覽器兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。盡管該技術(shù)目前還處于發(fā)展中,但其發(fā)展的潛力巨大,具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭[14-15]。

本文將評(píng)價(jià)公式程序化,并結(jié)合開源WebGL技術(shù),對(duì)重金屬分布情況、面域污染狀況進(jìn)行分級(jí)顯示,完成結(jié)果的高效可視化。其中,WebGL可視化渲染流程如圖3所示。

圖3 渲染流程

1.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用CSK(client-server-kernel)模式,即客戶端-服務(wù)層-核心層3層體系架構(gòu)?？蛻舳酥饕瓿膳c用戶的交互任務(wù),服務(wù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理,核心層主要實(shí)現(xiàn)解析運(yùn)算、渲染等工作。該架構(gòu)交互性強(qiáng)、具有安全的存取模式,且響應(yīng)速度快。開發(fā)過程中采用前后端分離的開發(fā)方法,易于代碼的維護(hù),提高開發(fā)效率。后臺(tái)使用JavaScript語言進(jìn)行開發(fā),采用Express開源框架,前端使用JavaScript腳本語言進(jìn)行開發(fā)。

核心代碼使用C++編寫,通過Node使用V8引擎的方式調(diào)用C++,保證了超大規(guī)模運(yùn)算的高效及系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

2 結(jié)果與討論

結(jié)合上述重金屬污染評(píng)價(jià)與可視化方法,開展研究區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)及其可視化。

2.1 研究區(qū)重金屬分布

研究區(qū)8種土壤重金屬含量在不同插值精度下(以插值精度1000和200 m為例)的空間分布情況如圖4-圖5所示。

圖4 重金屬分布(插值精度為1000 m)

圖5 重金屬分布(插值精度為200 m)

2.2 研究區(qū)重金屬評(píng)價(jià)

2.2.1單因子評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)重金屬污染

采用單因子評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)。以重金屬元素Cu、Hg為例,其可視化結(jié)果如圖6-圖7所示。

圖7 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果(Hg)

2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)模型評(píng)價(jià)重金屬污染

采用內(nèi)梅羅指數(shù)模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià),其可視化結(jié)果如圖8所示。

圖8 內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.3 加權(quán)平均指數(shù)模型評(píng)價(jià)重金屬污染

采用加權(quán)平均指數(shù)模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià),其可視化結(jié)果如圖9所示。

圖9 加權(quán)平均指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 語

本文將克里金法、多種重金屬評(píng)價(jià)模型及WebGL可視化技術(shù)結(jié)合,用戶可根據(jù)需求選擇更加貼合實(shí)際的評(píng)價(jià)模型和插值精度開展研究區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià),具有較高的數(shù)據(jù)可得性,有利于評(píng)價(jià)研究區(qū)整體重金屬污染狀況,得出面域評(píng)價(jià)結(jié)果,其可視化成果可直觀地揭示土壤重金屬污染分布情況,增強(qiáng)了用戶與數(shù)據(jù)、模型之間的交互能力。

隨著越來越多的學(xué)者對(duì)重金屬污染評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深入研究,本文采用的克里金法和重金屬評(píng)價(jià)模型還有待改進(jìn)、完善與擴(kuò)充。尋得更優(yōu)、更具普適性的評(píng)價(jià)模型或方法將是下一步的研究方向。