污染場地環境調查與風險評估中的軟件應用

何海娥，戴世金 ，諶 磊，胡 青

(1.傲江生態環境科技有限公司，上海 200120； 2.同濟大學 環境科學與工程學院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

隨著我國城市化進程的加快，城區企業“退二進三”及“退城進園”等相關政策的實施，一大批污染較重的工業企業將由城市人口稠密的城區遷往郊區，或進入規劃工業園區。然而，由于原有工業企業已進行較多的粗放式生產活動，遷出后原場址土地與土壤均可能受到不同程度的污染。若不加強場地環境調查、評估與污染治理修復，原場址土壤中殘留的污染物會影響城市和人居環境，并通過接觸、呼吸等暴露途徑進入人體，危害人身健康[1]。

場地環境調查評估人員一般先通過對污染場地進行資料搜集、現場踏勘和人員訪談，初步識別出污染場地潛在污染源和潛在污染物，隨后通過現場布點采樣，實驗室分析檢測等手段進行污染情況論證[2]。現實情況下，調查人員無法將污染場地內的每一寸土壤、每一滴地下水全部送往實驗室進行分析檢測，此時需要調查評估人員憑借專業知識來制定合理有校的調查方案，選擇合適的點位和深度進行樣品采集，并根據場地污染情況和行業標準要求設置監測項目進行分析檢測[3-4]。通過現場采樣和實驗室檢測，調查人員可得到大量的土壤及地下水的點位數據，如何應用這些點數據去判斷整個場地的污染情況，則需要借助專業軟件進行模擬。這些軟件內置各種計算模型，可根據場地特征以及污染參數特征選擇有效的計算模型，以最大程度還原場地污染情況。目前，已有較多專業化繪圖軟件應用到環境污染工程領域,如美國Autodesk公司開發的AutoCAD，美國環境系統研究所開發的ArcMap，Golden Software公司開發的Surfer與Golden Software Voxler 3.0等。本文將針對場地調查過程中使用的主要軟件進行介紹，并通過實例研究，比較幾種軟件的特征，為場地調查與風險評估提供參考。

1 Surfer-地下水流向及污染情況模擬

Surfer軟件內置多種空間插值模型，包括反距離加權插值法、克里金插值法、自然鄰點插值法和最近鄰點插值法，不同的插值方法其本質上均是通過建模生成充分接近污染物空間分布特征的函數方程。插值的精準度取決于對污染物空間變異性的反映。通過對已有的點數據進行空間插值獲得點陣數據來進行圖件繪制，是場地調查環節必備的專業軟件。調查人員通常利用surfer軟件完成地下水流向圖，在缺少場地特征參數的情況下，粗略繪制地下水污染羽，模擬地下水可能的遷移范圍，為補充調查階段進行地下水點位布設提供數據支撐[5-6]。

Surfer軟件是處理XYZ數據的第一選擇，XY代表點位的平面坐標，Z可以表征為縱向坐標，以此繪制場地地形地貌圖；Z可以表征為地下水水位，以此繪制地下水流向圖；同時，Z也可以表征為地下水某一污染因子的監測濃度，以此繪制地下水污染羽。調查人員在進行現場工作時，除了進行土壤及地下水樣品采集，還可使用載波相位差分技術 (RTK)和水位計精確獲取點位坐標和地下水位，隨后利用surfer軟件繪制場地地下水流向，以便后續判斷土壤及地下水中污染物的遷移方向。

表1 上海某污染場地地下水調查數據

表1是上海某污染場地的調查數據，其中XY為調查點位平面坐標，Z為地下水穩定水位，C為某污染物的濃度。由此數據，可利用surfer軟件繪制地下水流向和水位圖如圖1和圖2所示。圖1數字表示地下水水位，曲線是水位等值線，箭頭方向表示地下水流向，根據surfer軟件模擬情況可知，地下水自東北向西南方向流動；圖2不同顏色表示不同的污染濃度，根據左側圖例可知，深色區域污染最嚴重，主要集中在場地南側。

圖1 利用surfer軟件模擬的地下水流向圖

圖2 利用surfer軟件模擬的地下水污染羽

結合這兩張surfer圖片可知，場地的污染物主要集中于地下水下游方向，調查評估人員據此可模擬出地下水中污染物的大致遷移范圍，操作簡單，輸出的圖片較為直觀，適合大部分污染場地。但是由于surfer軟件插入XYZ數據后，無法再次插入其他分量，即調查評估人員無法通過surfer軟件繪制出三維的地下水污染羽，這就使得surfer軟件也具有一定的局限性。

2 ArcMap-調查點位布設及土壤污染物模擬

地理信息系統(Geographic Information System，簡稱GIS)是一門集計算機科學、信息學、地理學等多門學科為一體的新興學科。ArcMap是隸屬于ArcGIS的一個桌面軟件，是二維空間可視化工具，用于編輯、顯示、查詢和分析地圖數據，其包含一個復雜的專業制圖和編輯系統，既是一個面向對象的編輯器，又是一個完整的數據表生成器。在污染場地環境調查與風險評估領域，其應用更為廣泛[4,7]。通常情況下，調查評估人員使用surfer軟件繪制調查場地地下水流向和地下水污染羽，由于ArcMap和Surfer軟件內置空間插值模型和功能的差異性，ArcMap則應用于土壤監測點網格布點和土壤污染物模擬。

ArcMap內土壤污染預測模型包括克里金插值法、反距離權重插值法和泰森多邊形。在使用空間插值模型進行污染物空間分布模擬時，應充分考慮場地特征與數據特征，選擇最合適的空間插值方法。同時ArcMap可以通過創建漁網的方式對調查場地進行網格布點。圖3和圖4是山東某污染場地進行調查評估時采用ArcMap繪制的圖件，當調查評估場地污染不明確時，可通過創建漁網的方式進行土壤監測點位布設，漁網的大小根據土壤用地性質進行選擇，由于ArcMap自帶地理坐標系統，可直接導出土壤點位坐標，由此可見ArcMap相較于AutoCAD或Google Earth進行點位布設的優勢所在。

圖3 ArcMap網格布點法

圖4 ArcMap中土壤污染物不同的表征方式

由于土壤污染物具有難遷移性，調查評估人員不能類比地下水直接進行空間插值污染物模擬，首先應對點數據進行分析，找出統計規律，剔除異常值。ArcMap有多種土壤點污染物濃度的表征方式，包括餅狀圖、柱狀圖和堆疊圖，通過這些圖形可以直觀判斷出土壤點的污染特征，包括污染因子，主要污染物和異常值。如圖5所示為采用泰森多邊形法進行土壤污染趨勢進行模擬，通過對土壤點數據進行分析判斷，最終選擇合適的空間插值模型。

ArcMap相較于Surfer軟件存在很多優勢，如自帶地理坐標系統，自帶風向標、比例尺和圖例等元素，空間插值模型更為豐富，但是由于ArcMap也是二維空間可視化工具，它和Surfer軟件一樣，無法繪制土壤及地下水污染物三維模型。

圖5 土壤污染趨勢模擬(ArcMap泰森多邊形法)

3 Voxler-污染物三維模擬

(a) 形體渲染、等值面圖、切片圖、豎井渲染圖

(b) 散點圖

Voxler是一款地質數據勘測軟件，可與多種數據格式兼容，操作簡單，功能強大。任何一款模擬軟件，都因其內置的空間插值模型完成相應功能，Voxler也不例外。Voxler可用于顯示(X，Y，Z，C)數據，其中C表示在X，Y和Z位置的變量。相較于Surfer和ArcMap而言，其優勢在于可完成土壤及地下水污染物三維模擬，同時根據土壤及地下水修復目標值計算出修復方量，為后續場地修復的成本預算和修復方式選擇提供了依據[8]。

Voxler軟件繪制三維污染范圍有多種表征方式，如散點圖、形體渲染、表面渲染、等值線圖、等值面圖、高低區域圖和切片圖，除了繪制每一監測點的空間污染情況，還可根據豎井信息進行豎井渲染。根據場地污染特征和調查評估人員的要求，可以采用一種表達方式或是多種表達方式相結合，繪制的圖件可以從多個角度進行觀察，最終目的是將污染范圍更加直觀、更加美觀的方式呈現。圖6是天津某污染場地使用Voxler軟件繪制的污染物模擬圖，由于采用三維圖片展示，可更為直觀和形象地展示各種污染物的多維度空間分布情況。其繪制的豎井軌跡圖(圖6a)可以更全面反映污染物在場地土壤層中的垂直分布情況,并快速定位污染物濃度超標點位及深度范圍。而這是surfer和Arcmap軟件所不具備的。當然，由于運用Voxler繪制三維圖像需要更多的數據,該軟件要求在場地調查階段適當提高采樣密度，同時降低采樣間隔，保證采樣點位和每層鉆孔間隔的均勻性。李曉璇等[9]指出，可適當增加采樣過程中的土孔數目，提高每個土孔的采集樣品數，減小土孔間的距離。另外，在選擇模擬參數時，應先大致分析目標場地的污染特征和污染物大致分布情況,在使用Voxler繪制圖像時盡量選擇合適的參數，提高模擬的準確性，使污染問題能夠準確展示出來。

4 結論

在污染場地調查評估領域，無論采用何種模擬方式，其目的都是為了獲取準確的土壤及地下水污染范圍，Surfer、ArcMap和Voxler軟件各有優勢，也各有缺失，在進行調查評估時，我們很難通過一種軟件完整的表征出場地污染情況，往往需要多軟件相結合，在追求模擬結果逼近真實情況的同時，也力求圖形更加直觀和美觀。除了選擇正確的模擬軟件外，調查評估人員必須保證調查數據的有效性，根據場地特征和數據特征，選擇合適的空間插值模型。才能保證最終場地調查結果的可靠性，才能作為后續場地治理修復的依據。