基于ArcGIS的污染场地土壤铬空间格局分析

方敦 吴称意 韦晓宇 龙小兰

摘要 以某铬盐生产废弃场地为例，运用空间数据管理平台ArcGIS以普通克里格插值法、趋势分析法评估污染物铬（Cr）在场地土壤中的空间分布格局并实现其可视化表达。普通克里格插值分析表明场地污染物Cr主要集中在中上层土壤且Cr污染在各层中部污染较其他区域严重，Cr在场地中的空间分布与原厂工艺布局关联度较高；趋势分析与克里格插值空间分析结果具有较好的一致性，场地空间数据分层统计，合理地利用了空间插值分析中区域变量的自相关假设，提高了评估成果的可靠性。

关键词 土壤；污染场地；空间分析；克里格插值； ArcGIS

中图分类号 S181.3；X53；X825 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05181-05

当前，城市化是中国经济社会发展的重要战略部署，城市化过程中由于产业结构和土地利用空间调整已不可避免地涉及到腾退工业土地再利用问题[1]。土壤重金属污染的隐蔽性和空间分异性[2]使得工业场地再利用具有潜在的土壤环境健康风险，因此，如何有效利用科学可靠的技术手段查清污染物在场地土壤空间的污染程度和立体空间分布格局是确保污染场地再利用环境安全性和经济合理性的关键。提高腾退工业场地再开发过程的环境安全性以准确评价场地污染物的空间分布格局为前提，然而，污染物与场地土壤环境的相互作用随区域分布的不确定性给准确认识污染物的空间分布带来了巨大困难。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是环境污染物空间分析的有效工具[3-5]，地统计模块是连接GIS与地统计学的桥梁。地统计学是以区域变化量为基础，借助变异函数，研究自然现象的空间变异与空间结构的理论与方法，是研究空间不确定性的有效方法[2，6-7]。基于此，该研究以铬盐污染场地为例，运用地统计学普通克里格（Ordinary Kriging）插值法和趋势分析法以分层统计方式开展基于ArcGIS的污染物铬的空间格局分析研究，以期在污染物空间格局分析的可靠性和直观性方面为场地环境评估及管理提供思路和技术方法参考。

1 材料与方法

1.1 场地概况 研究场地为北方某铬盐生产企业退役场地，位于37°42′～38°13′ N，113°～114°18′ E，下覆土壤pH在6.5～10.9之间。原企业历史上均采用钙焙烧法生产红矾钠，生产车间主要有原料库房、混料车间、煅烧车间、浸取车间、成品车间、硫酸储存区、铬渣堆场及锅炉房等。研究区域地势由西南向东北倾斜，出露地层为古生界寒武系张夏组一段（∈Z1）、二段（∈Z2）岩层及新生界第四系（Q）沉积物，第四系亚粘土层厚度3.0～25.9 m不等，其下为致密岩石层，节理裂隙不发育，完整性好，地下水埋深300 m以上。研究场地土壤基本理化性质如表1所示。

1.2 样品采集 布点以原厂历史沿革、工艺布局和地层条件为参考，采样布点分阶段采用专业判断和系统布点相结合的方法，第一阶段在具有最大污染可能性的车间中心区域设置采样点，第二阶段对整个研究区域划分30 m×30 m网格进行系统网格布点并根据第一阶段样品测试结果对重点区域适当加密，场地共设置水平土壤采样点27个，采样点编号为S1～S27。同时，根据水文地质条件和现场X射线荧光光谱（Niton XL2 XRF）检测结果设置垂向采样深度为5.0 m的规定深度采集剖面样且各阶段采样点数据均按上层（0～1.0 m）、中层（1.0～3.0 m）和下层（3.0～5.0 m）内采样点的算术平均值分层统计，各样点垂向采样遵循“等量”原则。采样过程中每个定深度采样后对钻头彻底清洗，样品于带聚四氟乙烯密封垫的玻璃瓶中4 ℃下保存。

1.3 分析测试方法 土壤样品经风干、除杂、磨细、过筛（10目、60目、100目）等前处理后备用，但用于六价铬（Cr6+）测定的样品除剔除砂砾石和植物根系外不作处理。研究场地土壤样品分析测试指标按常规指标和特征污染指标两类，依据原企业历史沿革深入开展污染识别结果进行设计。该研究仅以其特征污染物铬（Cr）和六价铬（Cr6+）为研究对象进行探讨，Cr和Cr6+分别按JY/T 015.1996[8]、USEPA 3060A[9]及USEPA 7196A[10]操作规程采用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP.AES）和碱消解-紫外/可见分光光度法分析测定。分析测试过程质量控制手段包括随机抽样平行测试、全程序空白测试及样品加标回收率测定。

1.4 空间分析

1.4.1 样本正态性检验。样本正态性是地统计插值法的基本假设之一，正态QQPlot图是檢验样本数据是否符合正态分布的有效方法[11]，在ArcGIS地统计分析模块（Geostatistical Analyst）中易于实现，通过模块下的探索性数据分析（Explore Data）即可实现。

1.4.2 Kriging插值空间分析。空间分析是GIS的重要功能，可提取和传输空间信息。污染场地在理论上可认为是具有渐变特征的连续空间。由于原企业工艺布局和污染物在土壤中的迁移转化等因素对场地污染物含量分布的影响，使得场地污染物含量的空间分布同时具有随机性和内部相似性，即场地污染物含量的空间分布具有区域变化量的特征。

随机性因素可由系统性采样点对区域总体特征的代表性而最大限度地在样本数据中得以体现，因此，空间分析主要应解决污染场地区域变量数据的内部相似性问题。地统计学Kriging插值是一种以半方差函数理论和结构分析为基础的对区域变化量进行线性、无偏、最优估计的一种局部空间插值法[12]。Kriging插值在插值分析中不仅考虑未知样点与已知样点的距离远近而且考虑了两者的空间方位关系，其未知样点与已知样点的关系如（1）式[12]所示。基于以上分析，对场地污染物的铬含量属性数据可采用地统计学空间内插法进行空间分析并采用连续的空间渐变模型来实现，该研究应用ArcGIS 9.3空间分析模块中的Geostatistical Analyst工具对研究场地污染物进行地统计学Ordinary Kriging空间插值分析。2 结果与分析

2.1 样本数据正态性 Ordinary Kriging插值法属于地统计学插值方法，样本数据正态分布是地统计学插值分析的基本假设，因此，用于空间插值的样本数据需符合正态分布假设[11]，若不符合应尽可能采用对数（Log）、幂变换（BOX.COX）等可逆变换使其符合正态分布的基本假设[13]。在正态QQ图中，若数据的分布近似成一条直线，则数据服从正态分布[14]。由图1～3可知，经Log变换后的研究场地各层数据均近似呈直线分布，表明研究场地调查数据经Log变换后符合Kriging插值法的基本假设；图2显示在低值区和高值区出现了个别异常点，S4、S5、S7及S25号样点位于场地铬渣堆存区（防渗），其检测值相对样本整体而言具有跳跃性，结合场地实际，研究判定其为局部真实离群值[14]，与场地原工艺布局等因素有关，需要指出的是，在插值分析过程中，对S4、S5、S7及S25号具有跳跃性的局部真实离群值样点数据采用隔离-叠加措施处理使其尽可能符合真实空间分布且不影响整体的结构性，提高空间分析的准确性，即在GIS中将修剪（Clip）掉异常点后的插值结果与原插值栅格平面经异常点边界面数据提取（Extract）的结果叠加。

2.2 铬污染空间分布 场地污染物Cr的Ordinary Kriging插值空间分布如图4～6所示。从空间分布图可知：研究场地污染物Cr集中分布在中上土层中，上层Cr污染呈现出污染严重、污染覆盖范围大的特点，垂向具有由上至下污染范围逐渐缩小的整体空间分布特征；场地整体污染Cr空间分布情况与原厂工艺布局关联度较高，中上层污染程度大的区域与场地原工艺布局基本一致；场地主要污染深度范围在0～3.0 m之间，下层土壤Cr含量未超出标准值，场地污染土壤修复范围分层叠加空间分布（图7）更直观地体现了Cr在场地中的这种层间空间分布特征。下层Cr空间分布（图6）与中上层（图4、图5）相比，插值结果具有显著差异，表明下层土壤Cr含量在土壤污染的意义上来说在垂向上已脱离了研究场地垂向污染范围自相关的结构性特征。

场地地势由东南向西北倾斜，在降雨冲刷作用下将Cr运移至场地西北面致使整个场地第一层在长期冲刷和淋溶作用下被严重污染；图5、图6显示，场地中、下层污染范围和程度有较大幅度的缩减，下层土壤Cr含量状况良好，这与场地土壤性质、pH及Cr的特性有关[15-17]，是土壤pH、土壤胶体电负性对六价铬负离子的向下迁移推动作用、降雨淋溶作用、土壤有机质对三价铬和六价铬的吸附、还原吸附共同作用的结果，同时六价铬在土壤介质中通过形成CaCrO4、BaCrO4、PbCrO4等难溶盐[18]也是阻碍场地Cr垂向迁移的原因之一[16]。一方面，研究场地土壤pH呈较强碱性为土壤中Cr形成沉淀和残渣态提供了有利条件[19]，各层次土壤中的Cr均具有被沉淀和吸附进而迁移能力降低的趋势；另一方面，Cr6+是研究场地主要污染物之一，Cr6+在环境中除与金属形成难溶盐外主要以Cr2O2-7、HCrO-4和CrO2-4等阴离子形式存在[18]，由于土壤胶体电负性而使其具有向下垂向迁移的能力，但同时，土壤有机质对Cr6+的还原作用在促进其垂向迁移方面又与土壤胶体形成拮抗作用。

2.3 趋势分析 全局趋势分析认为研究表面由全局趋势和随机短程变异两部分组成，可通过空间抽样数据拟合一个数学曲面来反映空间分布的变化情况，在ArcGIS Geostatistical Analyst中通过Trend Analysis工具即可实现。趋势分析工具将样点值投影到一个由东西向和南北向平面构成的正交平面上后通过多项式在投影平面上拟合曲线形成趋势分析图[14]，若拟合曲线平直则表示该数据内部不存在明显趋势[11，20]。由趋势分析图（图8～图10）可知：研究场地上、中层在东南-西北向和西南-东北向上污染物Cr含量分布呈现“U”形趋势，即呈中部高四周相对较低的整体趋势，趋势分析结果与研究场地主要污染工艺在中部集中的原厂工艺布局具有一致性，与Kriging插值空间分析结果相符。而趋势分析图（图10）呈现平滑过渡的直线，表明下层土壤Cr含量在场地空间内不具有明显趋势性，结合Kriging插值分析结果可判定其已脱离了研究场地Cr污染物分布范围的区域变量范畴。

3 结论

当前，环境问题已成为阻碍我国可持续发展的重要因子，我国也越来越重视污染土壤的治理修复问题，然而，要使治理修复工作有条不紊行之有效地开展，准确而直观的场地评估结论具有不可替代的作用。该研究在空间数据分层统计和样本数据检验的基础上通过Kriging插值分析和趋势分析发现研究场地土壤铬污染主要集中在第一、二土层中，第三层土壤几乎不受污染，从插值分析和趨势分析来看均表现为第三层与前两层土壤的属性数据脱离了自相关的结构性特征，场地土壤污染调查中分层数据统计方式可确保研究场地污染物空间分布分析的可靠性，是污染场地评价空间分析有益的实例借鉴。

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