場地污染模型構(gòu)建研究進(jìn)展

王 婷，王建剛，陳 倩，郭 淼，全孝飛

(1.四川省天晟源環(huán)保股份有限公司，四川 成都 610072；2.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策的實施，一些化工、輕工、焦化、冶金、制藥、機(jī)械、皮革等重工業(yè)企業(yè)逐漸搬出城鎮(zhèn)中心，大量原有工業(yè)用地被置換成城市建設(shè)用地。這些企業(yè)在生產(chǎn)過程中由于化學(xué)品泄露、廢水廢氣排放以及固體廢物隨意傾倒和堆存，致使原廠地土壤、地下水和生產(chǎn)設(shè)施受到了不同程度的污染，對居住者與周邊居民的身體健康均構(gòu)成了極大危害[1-2]。因此，對污染場地開展調(diào)查與分析，準(zhǔn)確掌握場地巖土特征、水文地質(zhì)條件、污染源與污染物種類與空間分布，建立正確的場地污染概念模型是我們急需解決的問題。本文從地統(tǒng)計學(xué)建模理論入手，總結(jié)了常用建模理論與方法。在此基礎(chǔ)上，綜述了基于地統(tǒng)計學(xué)理論與方法的場地污染物分布二維模型與三維模型，并比較了不同模型的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，提出了未來發(fā)展方向。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

污染場地修復(fù)過程中，對污染場地中污染現(xiàn)狀的調(diào)查及污染物空間分布的預(yù)測是場地修復(fù)中極為關(guān)鍵的問題[3]。由于污染物在包氣帶的分布具有空間連續(xù)性和區(qū)域化變量的特征，目前對于場地中污染物分布范圍及預(yù)測，主要以地統(tǒng)計學(xué)及半變異函數(shù)分析為基礎(chǔ)，通過空間插值計算與模擬，最終獲取污染物分布范圍和污染程度。而污染物分布與模型構(gòu)建則主要包括以水平二維空間變異研究為基礎(chǔ)的二維模型及基于地統(tǒng)計分析、空間預(yù)測及圖形可視化為基礎(chǔ)的三維地質(zhì)模型[4]。

1.1 地統(tǒng)計學(xué)建模理論與方法

地統(tǒng)計學(xué)是研究具有空間分布特點(diǎn)的區(qū)域化變量的相關(guān)性與隨機(jī)性的一門學(xué)科，研究對象已經(jīng)廣泛涉及土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、氣象、資源環(huán)境等領(lǐng)域。對于研究自然對象具有空間分布的結(jié)構(gòu)性、隨機(jī)性、相關(guān)性、依賴性、空間格局與變異等屬性特征的都可以使用地統(tǒng)計學(xué)進(jìn)行分析。地統(tǒng)計學(xué)理論與方法主要涉及區(qū)域化變量空間變異結(jié)構(gòu)分析、變異函數(shù)理論、空間插值等[4]。

區(qū)域化變量指具有某種空間分布特征的變量，從場地污染物分布特征來看，它具有以下幾種空間局限性、異向性、連續(xù)性及相關(guān)性四個屬性：(1)空間局限性指污染物的分布被限制在一定的空間區(qū)域內(nèi)，其范圍受到污染物源分布、自身物理化學(xué)性質(zhì)、污染介質(zhì)特征及自然環(huán)境等因素的影響；(2)異向性指污染物在不同方向空間分布的性質(zhì)相同，即：各向同性，反之，稱為各向異性，在污染場地中，地形地貌、地下水流向、風(fēng)向、降雨量、人工擾動強(qiáng)度、污染設(shè)施和環(huán)保措施等都是造成污染物分布各向異性的常見因素；(3)連續(xù)性指不同的污染物因多種因子的影響呈現(xiàn)不同的連續(xù)性，可采用污染物空間分布的變異函數(shù)來描述；⑷相關(guān)性指一定距離內(nèi)，污染物分布在存在空間相關(guān)，當(dāng)超過這一距離范圍后，污染物之間的相關(guān)性減弱至消失。在污染場地調(diào)查與分析過程中，由于土壤中污染物的分布處于三維空間坐標(biāo)中，并且，污染物濃度隨著空間位置的不同而有所不同，所以污染物的含量的變化可以表達(dá)為以空間位置為自變量的函數(shù)，即：土壤中的污染物作為區(qū)域化變量來分析。

半變異函數(shù)理論是克里格法空間估值的前提與基礎(chǔ)，也是地統(tǒng)計學(xué)的重要理論組成。該理論主要描述區(qū)域化變量隨著空間屬性改變而呈現(xiàn)相應(yīng)變化的性質(zhì)，能從不同方向描述區(qū)域化變量的空間分布特點(diǎn)。因此，對區(qū)域化變量進(jìn)行半變異函數(shù)擬合過程即是對其結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的過程[4]。

空間插值是基于空間上有限離散點(diǎn)或分區(qū)的數(shù)據(jù)，尋求較為逼近已知點(diǎn)值的函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)而評估和預(yù)測一定區(qū)域范圍內(nèi)未知點(diǎn)或分區(qū)的數(shù)值的數(shù)學(xué)模擬方法。它的理論假設(shè)是：在空間上位置越靠近的點(diǎn)，其屬性值的相似度越高，而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其屬性值相似度則越小?；诖思僭O(shè)，目前形成了兩類插值方法，即：地統(tǒng)計插值模型和確定性插值模型[5]。地統(tǒng)計插值方法利用了已知樣點(diǎn)的統(tǒng)計特性，所以能量化已知點(diǎn)之間的空間自相關(guān)性，解釋說明預(yù)測區(qū)域范圍內(nèi)采樣點(diǎn)的空間分布情況，其插值方法包括普通克里格、簡單克里格、概率克里格、泛克里格等。而確定性插值模型則以目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的近似特征或者基于平滑度，由已獲知的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來插值未釆集樣點(diǎn)區(qū)域的表面。在包氣帶土壤污染物分布的調(diào)查與分析過程中，它的用途主要包括兩個方面：一是根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)、土壤剖面等資料完成整個污染場地的地層結(jié)構(gòu)體的構(gòu)建，為確定污染分布提供地層結(jié)構(gòu)信息；二是評估預(yù)測場地包氣帶三維空間內(nèi)土壤污染物分布情況，為構(gòu)造濃度等值面(線)或某一閾值下污染土方量的計算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和空間分析。

1.2 污染物二維平面模型研究

污染物二維平面模型是利用平面圖和剖面圖表達(dá)污染物分布狀況的一種方法，其實質(zhì)是將三維地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)現(xiàn)象投影到某一平面進(jìn)行表達(dá)[6]。由于污染場地中污染物的分布呈現(xiàn)區(qū)域化、連續(xù)性及空間性的特點(diǎn)，所以，二維平面模型可被用于表述污染物在場地包氣帶的分布特征及其分布范圍。目前，國內(nèi)外對于污染物在二維平面上的分布做了大量研究，這些研究主要集中于：基于地統(tǒng)計學(xué)插值方法來調(diào)查和監(jiān)測污染物分析[7]、各向同性范圍內(nèi)的空間變異模型參數(shù)作為克里格插值的參數(shù)選擇及其對插值精度的影響[8]、污染物區(qū)域分布影響因素分析[9]、插值方法分析和預(yù)測污染物空間分布特征[10]等方面。如Carlonc和ying均采用克里格插值方法，分別對土壤中多環(huán)芳烴和沉積物中農(nóng)藥DDT的空間局分布特征及其依賴性進(jìn)行了研究[10-11]。謝云峰等利用地統(tǒng)計模擬方法對北京市通州區(qū)污水灌溉區(qū)土壤中Cu、Pb的空間分布進(jìn)行了預(yù)測，研究結(jié)果表明，地統(tǒng)計條件模擬方法獲得的土壤Cu、Pb模擬結(jié)果特征與調(diào)查樣點(diǎn)的統(tǒng)計特征基本一致，且空間分布格局也相似[12]。張長波等利用半變異函數(shù)對污染場地中重金屬的分布進(jìn)行了擬合，并討論了污染物向同性與向異性的范圍，進(jìn)一步揭示了造成重金屬分布的主要因素[13]。

1.3 污染物三維地質(zhì)模型研究

近年來，已有學(xué)者將二維空間變異理論擴(kuò)展到三維空間，主要通過三維普通克里格方法研究空間變量的空間變異特征。而現(xiàn)階段，三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法也較多，有學(xué)者將其歸納為基于面模型、體模型和混合模型的3大類構(gòu)模體系[6]。第一類構(gòu)模方法主要側(cè)重對三維地質(zhì)體表面的表示，如地形表面、地質(zhì)層面等，構(gòu)模方法主要包括不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)模、格網(wǎng)構(gòu)模、邊界表示構(gòu)模等。第二類構(gòu)模方法則側(cè)重于對三維地質(zhì)體的邊界與內(nèi)部的整體表示，可以實現(xiàn)對實體的三維空間操作和分析，構(gòu)模方法主要包括三維柵格、四面體格網(wǎng)、實體幾何結(jié)構(gòu)、八叉樹構(gòu)模等。第三類構(gòu)模方法則集合了前二者所具有的優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)了對三維地質(zhì)體更完整、有效地表達(dá)，包括轉(zhuǎn)換式、互補(bǔ)式、鏈接混合式與集成混合式[6]。

目前，三維地質(zhì)模型可視化技術(shù)的發(fā)展，有力的促進(jìn)了土壤學(xué)的發(fā)展。例如：應(yīng)用三維克里格與二維克里格分層的方式，對消化氮在土體中的三維分布進(jìn)行結(jié)果對比，結(jié)果顯示前者的預(yù)測精度更好[14]。應(yīng)用區(qū)域化變量理論，對污染場地中重金屬含量進(jìn)行水平變差函數(shù)擬合，可以有效確定重金屬在污染場地包氣帶中的垂向分布，并且，利用三維地質(zhì)模型擬合可以進(jìn)一步構(gòu)建污染物的三維預(yù)測模型[4,15]，這為降低污染場地調(diào)查成本，指導(dǎo)風(fēng)險評估和場地修復(fù)提供了有力的技術(shù)支撐。經(jīng)過多年發(fā)展，三維地質(zhì)模型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、采礦、勘探及污染場地模型構(gòu)建，尤其是國外推出了大量可視化軟件，這些軟件包括： EVS、MODFLOW、GMS、 MICROLYNX、GOCAD、ARCGIS等。在國內(nèi)，我國科研工作者也開發(fā)了MAPGIS、GEOVIES、GEOMO3D等可視化軟件，并且，由南京土壤所研發(fā)的國內(nèi)首款針對場地污染概念模型軟件HERA也已經(jīng)成功用于國內(nèi)污染場地概念模型構(gòu)建。

1.4 場地模型優(yōu)缺點(diǎn)分析

場地污染模型構(gòu)建中，二維模型在平面制圖中存在著非常大的空間局限性，不利于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的判斷，所構(gòu)建的模型只能反映污染物在二維體系的分布特征，對污染物在場地水平和垂直剖面的空間分布特征缺乏直觀有效的展現(xiàn)。而三維場地模型結(jié)合地統(tǒng)計分析、空間預(yù)測及圖形可視化等技術(shù)，可以很好的解決二維空間模型不能直觀展現(xiàn)地形高程和污染物垂直分布的問題，更能立體、清晰的以多種方式描述污染場地復(fù)雜的地質(zhì)信息，反映地質(zhì)形態(tài)，其三維場地模型圖件也可以服務(wù)于污染場地調(diào)查與風(fēng)險評估以及修復(fù)工程。因此，三維模型的模擬將是今后場地污染模型構(gòu)建的主方向。

2 展望

在污染場地修復(fù)過程中，由于我國尚處在起步階段，在這方面積累的工程經(jīng)驗不多。這也導(dǎo)致了我們對各種類型的工業(yè)污染場地中污染物濃度空間變異、空間分布狀況、生態(tài)風(fēng)險評價以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等都缺乏系統(tǒng)研究，積累的工程實踐經(jīng)驗也非常欠缺。在開展場地污染模型構(gòu)建，確定污染物空間分布范圍、修復(fù)治理邊界確定及污染物預(yù)測方面，我們還處在探索階段。每個污染場地中，由于水文地質(zhì)環(huán)境差異性較大，污染物組分較復(fù)雜，采樣布點(diǎn)方法與樣本數(shù)不同、氣候條件不同，所構(gòu)建的污染模型也有所不同。這就要求我們在今后實際污染場地修復(fù)中，應(yīng)制定詳細(xì)的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和污染物數(shù)據(jù)的獲取方案，結(jié)合場地調(diào)查階段，及時修正污染模型，以更準(zhǔn)確的界定污染羽的范圍，為場地修復(fù)提高更可靠的技術(shù)保障。