污染场地环境调查与风险评估中的软件应用

何海娥，戴世金 ，谌 磊，胡 青

(1.傲江生态环境科技有限公司，上海 200120； 2.同济大学 环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

随着我国城市化进程的加快，城区企业“退二进三”及“退城进园”等相关政策的实施，一大批污染较重的工业企业将由城市人口稠密的城区迁往郊区，或进入规划工业园区。然而，由于原有工业企业已进行较多的粗放式生产活动，迁出后原场址土地与土壤均可能受到不同程度的污染。若不加强场地环境调查、评估与污染治理修复，原场址土壤中残留的污染物会影响城市和人居环境，并通过接触、呼吸等暴露途径进入人体，危害人身健康[1]。

场地环境调查评估人员一般先通过对污染场地进行资料搜集、现场踏勘和人员访谈，初步识别出污染场地潜在污染源和潜在污染物，随后通过现场布点采样，实验室分析检测等手段进行污染情况论证[2]。现实情况下，调查人员无法将污染场地内的每一寸土壤、每一滴地下水全部送往实验室进行分析检测，此时需要调查评估人员凭借专业知识来制定合理有校的调查方案，选择合适的点位和深度进行样品采集，并根据场地污染情况和行业标准要求设置监测项目进行分析检测[3-4]。通过现场采样和实验室检测，调查人员可得到大量的土壤及地下水的点位数据，如何应用这些点数据去判断整个场地的污染情况，则需要借助专业软件进行模拟。这些软件内置各种计算模型，可根据场地特征以及污染参数特征选择有效的计算模型，以最大程度还原场地污染情况。目前，已有较多专业化绘图软件应用到环境污染工程领域,如美国Autodesk公司开发的AutoCAD，美国环境系统研究所开发的ArcMap，Golden Software公司开发的Surfer与Golden Software Voxler 3.0等。本文将针对场地调查过程中使用的主要软件进行介绍，并通过实例研究，比较几种软件的特征，为场地调查与风险评估提供参考。

1 Surfer-地下水流向及污染情况模拟

Surfer软件内置多种空间插值模型，包括反距离加权插值法、克里金插值法、自然邻点插值法和最近邻点插值法，不同的插值方法其本质上均是通过建模生成充分接近污染物空间分布特征的函数方程。插值的精准度取决于对污染物空间变异性的反映。通过对已有的点数据进行空间插值获得点阵数据来进行图件绘制，是场地调查环节必备的专业软件。调查人员通常利用surfer软件完成地下水流向图，在缺少场地特征参数的情况下，粗略绘制地下水污染羽，模拟地下水可能的迁移范围，为补充调查阶段进行地下水点位布设提供数据支撑[5-6]。

Surfer软件是处理XYZ数据的第一选择，XY代表点位的平面坐标，Z可以表征为纵向坐标，以此绘制场地地形地貌图；Z可以表征为地下水水位，以此绘制地下水流向图；同时，Z也可以表征为地下水某一污染因子的监测浓度，以此绘制地下水污染羽。调查人员在进行现场工作时，除了进行土壤及地下水样品采集，还可使用载波相位差分技术 (RTK)和水位计精确获取点位坐标和地下水位，随后利用surfer软件绘制场地地下水流向，以便后续判断土壤及地下水中污染物的迁移方向。

表1 上海某污染场地地下水调查数据

表1是上海某污染场地的调查数据，其中XY为调查点位平面坐标，Z为地下水稳定水位，C为某污染物的浓度。由此数据，可利用surfer软件绘制地下水流向和水位图如图1和图2所示。图1数字表示地下水水位，曲线是水位等值线，箭头方向表示地下水流向，根据surfer软件模拟情况可知，地下水自东北向西南方向流动；图2不同颜色表示不同的污染浓度，根据左侧图例可知，深色区域污染最严重，主要集中在场地南侧。

图1 利用surfer软件模拟的地下水流向图

图2 利用surfer软件模拟的地下水污染羽

结合这两张surfer图片可知，场地的污染物主要集中于地下水下游方向，调查评估人员据此可模拟出地下水中污染物的大致迁移范围，操作简单，输出的图片较为直观，适合大部分污染场地。但是由于surfer软件插入XYZ数据后，无法再次插入其他分量，即调查评估人员无法通过surfer软件绘制出三维的地下水污染羽，这就使得surfer软件也具有一定的局限性。

2 ArcMap-调查点位布设及土壤污染物模拟

地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)是一门集计算机科学、信息学、地理学等多门学科为一体的新兴学科。ArcMap是隶属于ArcGIS的一个桌面软件，是二维空间可视化工具，用于编辑、显示、查询和分析地图数据，其包含一个复杂的专业制图和编辑系统，既是一个面向对象的编辑器，又是一个完整的数据表生成器。在污染场地环境调查与风险评估领域，其应用更为广泛[4,7]。通常情况下，调查评估人员使用surfer软件绘制调查场地地下水流向和地下水污染羽，由于ArcMap和Surfer软件内置空间插值模型和功能的差异性，ArcMap则应用于土壤监测点网格布点和土壤污染物模拟。

ArcMap内土壤污染预测模型包括克里金插值法、反距离权重插值法和泰森多边形。在使用空间插值模型进行污染物空间分布模拟时，应充分考虑场地特征与数据特征，选择最合适的空间插值方法。同时ArcMap可以通过创建渔网的方式对调查场地进行网格布点。图3和图4是山东某污染场地进行调查评估时采用ArcMap绘制的图件，当调查评估场地污染不明确时，可通过创建渔网的方式进行土壤监测点位布设，渔网的大小根据土壤用地性质进行选择，由于ArcMap自带地理坐标系统，可直接导出土壤点位坐标，由此可见ArcMap相较于AutoCAD或Google Earth进行点位布设的优势所在。

图3 ArcMap网格布点法

图4 ArcMap中土壤污染物不同的表征方式

由于土壤污染物具有难迁移性，调查评估人员不能类比地下水直接进行空间插值污染物模拟，首先应对点数据进行分析，找出统计规律，剔除异常值。ArcMap有多种土壤点污染物浓度的表征方式，包括饼状图、柱状图和堆叠图，通过这些图形可以直观判断出土壤点的污染特征，包括污染因子，主要污染物和异常值。如图5所示为采用泰森多边形法进行土壤污染趋势进行模拟，通过对土壤点数据进行分析判断，最终选择合适的空间插值模型。

ArcMap相较于Surfer软件存在很多优势，如自带地理坐标系统，自带风向标、比例尺和图例等元素，空间插值模型更为丰富，但是由于ArcMap也是二维空间可视化工具，它和Surfer软件一样，无法绘制土壤及地下水污染物三维模型。

图5 土壤污染趋势模拟(ArcMap泰森多边形法)

3 Voxler-污染物三维模拟

(a) 形体渲染、等值面图、切片图、竖井渲染图

(b) 散点图

Voxler是一款地质数据勘测软件，可与多种数据格式兼容，操作简单，功能强大。任何一款模拟软件，都因其内置的空间插值模型完成相应功能，Voxler也不例外。Voxler可用于显示(X，Y，Z，C)数据，其中C表示在X，Y和Z位置的变量。相较于Surfer和ArcMap而言，其优势在于可完成土壤及地下水污染物三维模拟，同时根据土壤及地下水修复目标值计算出修复方量，为后续场地修复的成本预算和修复方式选择提供了依据[8]。

Voxler软件绘制三维污染范围有多种表征方式，如散点图、形体渲染、表面渲染、等值线图、等值面图、高低区域图和切片图，除了绘制每一监测点的空间污染情况，还可根据竖井信息进行竖井渲染。根据场地污染特征和调查评估人员的要求，可以采用一种表达方式或是多种表达方式相结合，绘制的图件可以从多个角度进行观察，最终目的是将污染范围更加直观、更加美观的方式呈现。图6是天津某污染场地使用Voxler软件绘制的污染物模拟图，由于采用三维图片展示，可更为直观和形象地展示各种污染物的多维度空间分布情况。其绘制的竖井轨迹图(图6a)可以更全面反映污染物在场地土壤层中的垂直分布情况,并快速定位污染物浓度超标点位及深度范围。而这是surfer和Arcmap软件所不具备的。当然，由于运用Voxler绘制三维图像需要更多的数据,该软件要求在场地调查阶段适当提高采样密度，同时降低采样间隔，保证采样点位和每层钻孔间隔的均匀性。李晓璇等[9]指出，可适当增加采样过程中的土孔数目，提高每个土孔的采集样品数，减小土孔间的距离。另外，在选择模拟参数时，应先大致分析目标场地的污染特征和污染物大致分布情况,在使用Voxler绘制图像时尽量选择合适的参数，提高模拟的准确性，使污染问题能够准确展示出来。

4 结论

在污染场地调查评估领域，无论采用何种模拟方式，其目的都是为了获取准确的土壤及地下水污染范围，Surfer、ArcMap和Voxler软件各有优势，也各有缺失，在进行调查评估时，我们很难通过一种软件完整的表征出场地污染情况，往往需要多软件相结合，在追求模拟结果逼近真实情况的同时，也力求图形更加直观和美观。除了选择正确的模拟软件外，调查评估人员必须保证调查数据的有效性，根据场地特征和数据特征，选择合适的空间插值模型。才能保证最终场地调查结果的可靠性，才能作为后续场地治理修复的依据。