三維模擬與可視化技術(shù)在土壤污染調(diào)查方面的應(yīng)用

李陽(yáng) 陳沖 李成 王妙 周洋

摘 ? 要：本文以澧縣原青云香料廠廢渣及土壤污染修復(fù)項(xiàng)目為例，創(chuàng)新性的將Voxler、Arcgis等技術(shù)應(yīng)用于土壤污染調(diào)查方面。根據(jù)土壤樣品檢測(cè)時(shí)取樣點(diǎn)位的經(jīng)度、緯度與深度，確定X、Y、Z的值，將污染濃度數(shù)據(jù)錄入軟件中，對(duì)污染情況進(jìn)行三維模擬，確定污染土壤的三維分布情況，輸出了直觀的三維可視化圖片;最后計(jì)算和繪制修復(fù)目標(biāo)等值面圖，確定了污染土壤修復(fù)方量。本文對(duì)土壤污染調(diào)查的三維模擬與可視化技術(shù)進(jìn)行了探索和研究，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：三維模擬 ?可視化 ?土壤污染 ?調(diào)查 ?有機(jī)污染

中圖分類號(hào)：S712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（b）-0122-03

1 ?項(xiàng)目背景

2016年5月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，首要提出開(kāi)展土壤污染調(diào)查，掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，并開(kāi)展污染治理與修復(fù)，改善區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量。由于土壤污染調(diào)查與治理在我國(guó)目前還屬于新興行業(yè)，隨著土壤污染調(diào)查與治理項(xiàng)目的逐漸展開(kāi)，土壤污染調(diào)查與治理技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展顯得尤為重要。

澧縣原青云香料廠位于澧縣澧澹街道大港口居委會(huì)S302北側(cè)，臨津橋西500m處，該廠于1996年開(kāi)始生產(chǎn)，主要產(chǎn)品為水楊醛，副產(chǎn)品為鹽酸，生產(chǎn)工藝為鄰甲酚、三氯氧磷、氯氣合成。該項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中未采取有效的環(huán)境保護(hù)措施，生產(chǎn)產(chǎn)品和原料直接堆放在廠區(qū)，大量有毒有害的有機(jī)生產(chǎn)廢渣和有機(jī)化學(xué)衍生品直接傾倒進(jìn)入廠區(qū)前面池塘中，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥涝斐蓢?yán)重污染，并且污染地下水。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣嚴(yán)重影響周圍居民的身體健康，當(dāng)?shù)鼐用穹从硰?qiáng)烈。由于手續(xù)不齊，環(huán)境保護(hù)設(shè)施不完善，對(duì)周圍環(huán)境影響較大，2006年澧縣原香料廠被當(dāng)?shù)貓?zhí)法部門依法關(guān)停。澧縣原香料廠雖被關(guān)停，但是場(chǎng)地廢渣和污染土壤一直存在，持續(xù)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染，威脅周邊群眾的身體健康。

2 ?場(chǎng)地調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 場(chǎng)地調(diào)查

本項(xiàng)目于2017年2月，對(duì)澧縣原青云香料廠區(qū)的污染情況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查設(shè)置共21個(gè)土壤采樣點(diǎn)（2#～21#，23#），采樣點(diǎn)采用網(wǎng)格布點(diǎn)法結(jié)合系統(tǒng)布點(diǎn)的形式布設(shè)，平均間距20m×20m，具體布設(shè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況略作調(diào)整。每個(gè)取樣地點(diǎn)進(jìn)行垂直方向的分層取樣，取樣深度分別為0.5m、1m、2m、3m、5m、8m、10m，共7層（其中2#取樣為5m），合計(jì)145個(gè)樣。共檢測(cè)揮發(fā)性型有機(jī)物（VOCs）53項(xiàng)，半揮發(fā)性型有機(jī)物（SVOCs）65項(xiàng)，取樣點(diǎn)位如圖1所示。

檢測(cè)結(jié)果顯示超標(biāo)的共4種包括2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1，2，3-cd]芘，超標(biāo)率分別為29.66%、42.75%、32.41%、22.07%，超標(biāo)要集中在0～5m的土層區(qū)域。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

依據(jù)《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》（HJ25.3-2014），風(fēng)險(xiǎn)表征得到的場(chǎng)地污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)和危害商，可作為確定污染場(chǎng)地范圍的依據(jù)，計(jì)算得到單一污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)10-6或危害商大于1的采樣點(diǎn)，代表其風(fēng)險(xiǎn)值不可接受。場(chǎng)地中2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘4種物質(zhì)在土壤中致癌風(fēng)險(xiǎn)值均超過(guò)了10-6，存在致癌風(fēng)險(xiǎn)。

致癌風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果表明：2，4，6-三氯苯酚主要土壤暴露途徑為吸入空氣污染物;五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘3種污染物主要土壤暴露途徑為經(jīng)口攝入土壤。

2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘4種物質(zhì)致癌風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)比例分別為36.79%、26.70%、27.39%、9.12%。

2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘4種物質(zhì)非致癌危害商均未超過(guò)1，非致癌危害商較小。

3 ?三維模擬分析

3.1 軟件介紹

為了解本項(xiàng)目地下土壤污染的分布情況，本項(xiàng)目借助三維模擬與可視化軟件Voxler和Arcgis等軟件的幫助。主要軟件情況如下。

Voxler是美國(guó)Golden軟件公司的產(chǎn)品，用于繪制三維圖形，是科技工作者的必備軟件，目前在各行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。利用Voxler廣泛的三維建模工具，可以很容易地將地質(zhì)和地球物理模型，污染羽流，激光雷達(dá)點(diǎn)云，鉆孔模型或礦體沉積模型的多組件數(shù)據(jù)可視化。區(qū)分感興趣的領(lǐng)域，突出重要信息，并在三維空間進(jìn)行可視化。

Arcgis是ESRI（美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所）公司開(kāi)發(fā)的一種地理信息系統(tǒng)軟件，它可以對(duì)空間信息進(jìn)行搜索、查詢、分析和處理，同時(shí)把地圖這種獨(dú)特的視覺(jué)化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫(kù)操作集成在一起，目前在科技、工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3.2 數(shù)據(jù)的錄入

本項(xiàng)目一共有145個(gè)樣品，118個(gè)指標(biāo)，17110個(gè)數(shù)據(jù)，其中每個(gè)樣品對(duì)應(yīng)一個(gè)經(jīng)緯度和深度數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)三維模擬中的X、Y、Z坐標(biāo)。根據(jù)檢測(cè)時(shí)取樣點(diǎn)位的經(jīng)度、緯度與深度，確定X、Y、Z的值，然后分別錄入關(guān)注污染因子的濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可直接在Excel或Voxler工作表中。

3.3 三維模擬與可視化

本項(xiàng)目錄入好的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)入工作軟件中，對(duì)于關(guān)注的污染因子2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1，2，3-cd]芘分層濃度分布情況采用Voxler軟件進(jìn)行擬合。通過(guò)選定合適的參數(shù)，本項(xiàng)目采用反距離權(quán)重法進(jìn)行插值分析，獲得限定范圍內(nèi)任意經(jīng)緯度和深度的關(guān)注因子污染濃度數(shù)據(jù)。通過(guò)形體形體渲染和切片等形式可以獲得限定范圍內(nèi)任意水平切面和垂直切面上污染物的分布情況，本位以2，4，6-三氯苯酚為例展示其三維模擬與可視化結(jié)果，結(jié)果如圖2所示，圖中網(wǎng)格坐標(biāo)為WGS1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere坐標(biāo)系，單位為m。

3.4 修復(fù)目標(biāo)

根據(jù)前期的土壤污染調(diào)查結(jié)果和場(chǎng)地具體特征條件確定的場(chǎng)地污染建議修復(fù)目標(biāo)值，本項(xiàng)目在確定修復(fù)目標(biāo)時(shí)，主要參考通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算反推得到的場(chǎng)地修復(fù)目標(biāo)值，相關(guān)的法律法規(guī)和現(xiàn)有的場(chǎng)地案例等資料，在滿足法律法規(guī)要求下，充分考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的可行性，在綜合考慮的基礎(chǔ)上確定修復(fù)目標(biāo)。本項(xiàng)目2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘4種物修復(fù)目標(biāo)值分別為62.00mg/kg、12.46mg/kg、0.3mg/kg、0.9mg/kg。

3.5 污染范圍確定

本項(xiàng)目主要根據(jù)污染土壤采樣點(diǎn)的垂向分布規(guī)律及土層的垂直分布變化確定修復(fù)區(qū)域的修復(fù)深度，通過(guò)反距離權(quán)重法插值確定場(chǎng)地污染物的分布范圍，并結(jié)合土壤采樣點(diǎn)的位置、生產(chǎn)設(shè)施分布情況及污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和現(xiàn)場(chǎng)污染判斷，確定場(chǎng)地土壤修復(fù)的范圍。

根據(jù)污染物垂直分布圖可知本項(xiàng)目土壤污染最大深度在5.5m左右，從控制風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā)，確定6.0m作為最大清挖深度。為進(jìn)一步確定污染土壤的總量及土方量，本項(xiàng)目采用三維插值模擬軟件，計(jì)算和繪制修復(fù)目標(biāo)等值面圖，該軟件可以根據(jù)污染物的空間分布情況，設(shè)定目標(biāo)值，可直接計(jì)算污染物的土方量并繪制等值線/面圖。

以2，4，6-三氯苯酚為例，在Voxler軟件輸入臨界值“62mg/kg”后，計(jì)算大于目標(biāo)值的體積為“10978.27m3”，并可生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的等值面圖。依次輸入五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘4種物修復(fù)目標(biāo)值后可分別獲得，另外3種污染物的污染方量和等值面圖，進(jìn)行疊加后即可獲得本項(xiàng)目土壤污染超過(guò)目標(biāo)值的范圍和方量，疊加后各種污染物的等值面圖如圖3所示。

3.6 治理方量計(jì)算

通過(guò)上述模擬和計(jì)算結(jié)果顯示：2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘四種物質(zhì)超標(biāo)方量分別為：10978.27m3、7289.89m3、7502.22m3、7761.73m3。該為各類污染物單獨(dú)清挖時(shí)方量，由于大部分清挖方量重疊，因此根據(jù)各類污染物最大超標(biāo)范圍確定清挖界限，該軟件同時(shí)可以給出任意深度修復(fù)目標(biāo)值等值線清理范圍。廠區(qū)污染土壤分為3層計(jì)算，分別為0～2m，2～4m、4～6m，治理為最大深度為6.0m。通過(guò)Arcgis的數(shù)據(jù)分析功能，可以方便導(dǎo)出污染分布平面圖拐點(diǎn)坐標(biāo)和面積，根據(jù)Arcgis軟件計(jì)算得各層次污染土壤面積，自上而下分別為2339m2、1971m2、1734m2，根據(jù)厚度計(jì)算得廢渣與污染土壤總體積為12088m3。

4 ?項(xiàng)目實(shí)施與評(píng)估

本項(xiàng)目選用“異位熱脫附技術(shù)+光催化氧化+活性炭吸附”的方式，處理澧縣原青云香料廠的廢渣和土壤污染問(wèn)題。項(xiàng)目實(shí)施后2018年12月18日，澧縣人民政府在澧縣主持召開(kāi)了《澧縣原青云香料廠廢渣及土壤修復(fù)工程效果評(píng)估報(bào)告》專家評(píng)審會(huì)，對(duì)土壤修復(fù)工程進(jìn)行全面評(píng)估。評(píng)估顯示：清挖土壤遺留坑基側(cè)壁及底面土壤的2，4，6-三氯苯酚檢出最大值為0.88mg/kg，均小于修復(fù)目標(biāo)值62mg/kg;五氯苯酚檢出最大值為1.19mg/kg，均小于修復(fù)目標(biāo)值12.6 mg/kg;苯并（a）芘均最大值為0.26mg/kg，均小于修復(fù)目標(biāo)值12.6mg/kg;茚并（1，2，3-cd）最大值為0.21mg/kg，均小于修復(fù)目標(biāo)值1.36mg/kg。不同區(qū)域不同深度土壤的2，4，6-三氯苯酚檢出最大值為0.21mg/kg，均小于修復(fù)目標(biāo)值62mg/kg。評(píng)估認(rèn)為工程治理效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 ?結(jié)語(yǔ)

土壤污染調(diào)查與分析是土壤污染防治的重點(diǎn)，其中確定污染土壤的分布規(guī)律和范圍項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵。

澧縣原青云香料廠廢渣及土壤污染修復(fù)項(xiàng)目創(chuàng)新性的將Voxler、Arcgis等技術(shù)應(yīng)用于土壤污染調(diào)查方面，對(duì)土壤污染調(diào)查的三維模擬與可視化技術(shù)進(jìn)行了探索和研究，取得了較好的效果，優(yōu)化后可以進(jìn)行推廣和利用。

同時(shí)本項(xiàng)目在土壤進(jìn)行三維模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，參數(shù)的選取對(duì)模擬結(jié)果有著較為顯著的影響，因此，如何優(yōu)化參數(shù)選取可考慮進(jìn)一步研究確定。

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