CN114169140A - 一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境工程技术领域，特别涉及一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法。本发明提供的叠加方法包括以下步骤：在污染场地布设土壤监测点进行采样，统计汇总土壤监测点数据，划定研究区域，确定平面约束区域；对平面约束区域内的所有土壤监测点进行垂直分层；将平面约束区域的每一层分割成等大小的栅格单元，获得多个待插值单元；对平面约束区域的每一层中的所有待插值单元的某一污染物浓度进行反距离权重插值法模拟，得到污染物的浓度估算值；提取所有满足浓度估算值不小于浓度极限值的待插值单元的集合，得到污染物的污染区域；对污染物的污染区域进行栅格类型转换，然后计算污染区域的交集或并集，即得到叠加污染区域。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，特别涉及一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法。
背景技术
在污染土壤调查、监测及修复项目的设计和实施过程中，精确地确定不同种类污染物在空间的分布特征及修复范围是面对的重要问题之一。目前主流的土壤污染范围判定方法是根据污染场地各采样点测定的污染物浓度，利用反距离权重插值法模拟出整个污染场地的污染物浓度分布情况，并根据相关标准与导则划定污染及未污染范围。但通过上述方法只能划定出同一层位中同一种污染物的污染范围，而在实际工程项目的实施过程中，土壤污染的情况更为复杂，不仅存在同一污染物或同一类型污染物在不同层位的污染，还存在同一层位中不同污染物复合的可能性，甚至不同层位不同污染物的叠加。而确定适用不同修复技术的最终土壤修复范围，必须要结合不同层位、不同污染物的污染范围来考虑。
基于以上分析，如何将反距离权重插值法生成的不同类型的污染区域相互叠加，输出叠加后的污染区域，是制定土壤修复方案必须解决的实际问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，以解决现有技术不能将反距离权重插值法生成的不同层位、不同污染物的污染区域叠加，无法确定最终土壤修复范围的问题。
本发明提供一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，包括以下步骤：
步骤S101，在污染场地布设土壤监测点进行采样，对采集的土壤监测点数据进行统计汇总，划定研究区域，确定以研究区域范围为基础的平面约束区域；
步骤S102，对平面约束区域内的所有土壤监测点进行垂直分层；
步骤S103，将平面约束区域的每一层分割成等大小的栅格单元，获得多个待插值单元；
步骤S104，对平面约束区域的每一层中的所有待插值单元的某一污染物浓度进行反距离权重插值法模拟，得到该污染物的浓度估算值；
步骤S105，设定步骤S104中的污染物的浓度极限值，提取所有满足浓度估算值不小于浓度极限值的待插值单元的集合，得到平面约束区域内该污染物的污染区域；
步骤S106，重复步骤S104-S105，得到平面约束区域内所有污染物的污染区域；
步骤S107，对污染物的污染区域进行栅格类型转换，然后计算经过栅格类型转换的污染区域的交集或并集，即得到叠加污染区域。
进一步地，步骤S102中，根据研究区域的水文地质信息对平面约束区域内的所有土壤监测点进行垂直分层，所述水文地质信息包括污染物分布深度、污染物浓度分布特点、土壤地质结构和地下水分布特征。
进一步地，步骤S104中，平面约束区域第m层中的所有待插值单元的某一污染物α的浓度估算值的表达式为：Bm(α)＝{Bm-1(α1)，Bm-2(α2)，…，Bm-n(αn)；n＝1,2,…,Nm}；式中，1≤m≤M，M为垂直分层的总层数；Bm(α)为平面约束区域第m层中的所有待插值单元的污染物α的浓度估算值；Bm-n(αn)为平面约束区域第m层第n个待插值单元中心点的污染物α的浓度估算值。
进一步地，平面约束区域第m层第n个待插值单元中心点的污染物α的浓度估算值Bm-n(αn)的计算公式为：
式中，Am-n(αn)为第m层第n个土壤监测点污染物α的浓度观测值；dn为第m层第n个土壤监测点与待插值单元中心点的距离；Nm为平面约束区域第m层中的土壤监测点数量；k为距离的幂。
进一步地，步骤S105中，污染物α的污染区域Pm α的表达式为：Pm α＝{Bm-1(x1,y1)，Bm-2(x2,y2)，…，Bm-n(xn,yn)}(Bm(α)≥αlimit)，式中，αlimit为污染物α的浓度极限值；Bm-n(xn,yn)为平面约束区域第m层中的第n个待插值单元Bm-n的空间坐标。
进一步地，步骤S107中，对污染物的污染区域进行栅格类型转换的过程为：将污染物的污染区域转换为可表示栅格数据的IEEE浮点格式的32位带符号二进制文件；将表示栅格数据的IEEE浮点格式的32位带符号二进制文件转换为具有相同波段数和位深度的栅格数据集。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过分析土壤监测点的检测数据和深度分层信息，可通过ArcGIS软件插值模拟出不同层位中不同污染物的浓度分布情况，操作简单快捷，并根据众多污染物的浓度分布和浓度限值，提取出其相对应的污染区域；
2、本发明提供的方法可以将提取出的任意污染区域按需叠加，叠加后的污染范围具有较强的准确性和可靠性，能为后续修复技术和施工方案编制阶段进行的污染分析及工艺设计提供科学有力的支持；
3、本发明提供的叠加方法设计合理、操作步骤明晰、简便可行、污染范围面积及拐点数据易于读取，在污染场地调查和土壤修复工程实施阶段具有广阔的应用前景和推广价值。
附图说明
图1为本发明提供的不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1中第三层土壤分区中不同多环芳烃的污染分布图；
图3为本发明实施例1中第三层土壤分区中多环芳烃和氟化物的污染分布图；
图4为本发明实施例1中第三层土壤分区中有机无机复合污染分布图；
图5为本发明实施例1中第三层土壤分区中综合污染分布图；
图6为本发明实施例1中整个试验区中所有层位复合污染的叠加分布图；
图7为本发明实施例1中整个试验区中所有层位综合污染的叠加分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明实施例提供了一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，以解决现有技术不能将反距离权重插值法生成的不同层位、不同污染物的污染区域叠加，无法确定最终土壤修复范围的问题。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，包括以下步骤：
步骤S101，数据采集与划定研究区域：根据相关导则或技术规范在污染场地布设土壤监测点进行采样，对采集的土壤监测点数据进行统计汇总，划定研究区域，研究区域内存在不同类型的土壤污染物，分别标记为土壤污染物α、β、…、γ，通过对地理信息***资料的提取，确定以研究区域范围为基础的平面约束区域AREA，平面约束区域AREA为反距离权重法插值操作所覆盖的平面空间范围；
步骤S102，研究区域垂向分层：根据污染物分布深度、污染物浓度分布特点、土壤地质结构及地下水分布特征等因素，对平面约束区域AREA内所有土壤监测点进行垂直分层，共分为M层(M∈N*)，指定每一层的深度范围；通常情况下由于表层土壤污染相对较重且变动范围较大，则表层土壤的每层深度范围取0.0～1.0米；深层土壤污染物浓度相对较低，且分布较为均匀，可适当增加每层深度范围，如1.0～3.0米；记第m层(1≤m≤M)中的土壤监测点数量为Nm个，由第m层中所有土壤监测点组成的监测点集为Am＝{Am-1(x1,y1)，Am-2(x2,y2)，…，Am-n(xn,yn)}，对于第m层中的第n个监测点Am-n(1≤n≤Nm)，其所对应的空间坐标为Am-n(xn,yn)，其污染物α浓度的观测值为Am-n(α)，监测点集包含于约束区域，即Am∈AREA；
步骤S103，划分待插值单元：将平面约束区域AREA的每一层分割成等大小的栅格单元，则获得多个待插值单元B；
本实施例中，将待插值单元的反距离权重法插值操作约束在平面约束区域AREA内，即仅对位于平面约束区域AREA内的待插值单元进行插值，栅格化是将平面约束区域AREA分割成多个等大小的栅格单元；待插值单元是进行反距离权重法插值操作中的最小单元，在插值过程中，需要对所有待插值单元进行插值，所有待插值单元中土壤污染物含量被认为是均一的；
在反距离权重法插值过程中，利用待插值单元中心点坐标Bm-n(xn,yn)表征平面约束区域AREA第m层中的第n个待插值单元Bm-n，用第m层的待插值单元中心点集Bm表征第m层的待插值单元集，则Bm＝{Bm-1(x1,y1)，Bm-2(x2,y2)，…，Bm-n(xn,yn)}，对于第m层中的第n个待插值单元Bm-n(1≤n≤Nm)，其所对应的空间坐标为Bm-n(xn,yn)，其通过反距离权重法插值生成的污染物α的浓度估算值为Bm-n(αn)，与监测点集Am一样，待插值单元中心点集Bm包含于平面约束区域AREA，即Bm∈AREA；
步骤S104，反距离权重插值模拟：对平面约束区域AREA第m层中的所有待插值单元Bm的污染物α浓度进行反距离权重插值法模拟，即可得到所有待插值单元污染物α的浓度估算值Bm(α)，Bm(α)＝{Bm-1(α1)，Bm-2(α2)，…，Bm-n(αn)；n＝1,2,…,Nm}；
其中，Bm-n(αn)为平面约束区域AREA第m层第n个待插值单元中心点Bm-n(xn,yn)的污染物α的浓度估算值，其计算公式为：
式中，Bm-n(αn)为第m层第n个待插值单元中心点Bm-n(xn,yn)污染物α的浓度估算值；，Am-n(αn)为第m层第n个土壤监测点Am-n(xn,yn)污染物α的浓度观测值；dn为第m层第n个土壤监测点Am-n(xn,yn)与待插值单元中心点Bm-n(xn,yn)的距离；Nm为平面约束区域AREA第m层中的土壤监测点数量(该层所有监测点均在插值模拟中被使用)；k为距离的幂；
步骤S104中，反距离权重插值法是一种加权移动平均方法，它是以待插值单元中心点与已知监测点之间的距离dn作为权重参数的内插方法，属于确定性的内插方法；
步骤S105，提取污染区域：根据相关标准与导则，划定土壤污染物α的浓度极限值为αlimit，污染物α的浓度估算值小于αlimit时判定为未受到污染物α的污染，污染物α的浓度估算值大于等于αlimit时判定为受到了污染物α的污染；提取所有满足Bm(α)≥αlimit的待插值单元的集合，得到平面约束区域AREA内第m层所有受到污染物α污染的污染区域Pm α，Pm α＝{Bm-1(x1,y1)，Bm-2(x2,y2)，…，Bm-n(xn,yn)}(Bm(α)≥αlimit)，Pm α即为平面约束区域AREA内第m层污染物α的污染区域，在ArcGIS软件中体现为栅格数据集；
步骤S106，重复步骤S104-步骤S105，得到平面约束区域AREA内第m层污染物β、…、γ的污染区域Pm β、…、Pm γ等，在ArcGIS软件中同样体现为栅格数据集；
步骤S107，栅格类型转换：对得到的污染区域Pm α、Pm β、…、Pm γ进行栅格类型转换，然后计算经过栅格类型转换的污染区域的交集或并集，即得到叠加污染区域G。
步骤S107中，栅格类型转换在ArcGIS软件中的具体操作方法如下：
步骤S1071，将污染区域Pm α、Pm β、…、Pm γ等转换为可表示栅格数据的IEEE浮点格式的32位带符号二进制文件；
步骤S1072，将步骤S1071中表示栅格数据的IEEE浮点格式的32位带符号二进制文件转换为具有相同波段数(波段数＝1)和位深度(栅格深度：32位)的栅格数据集。
步骤S107中，计算经过栅格类型转换的污染区域的并集的方式包括但不限于以下两种：1、将平面约束区域AREA内污染物α在所有层位的污染区域取并集，得到不同层相同污染物的叠加污染区域G1-M α，即G1-M α＝P1 α∪P2 α∪…，∪PM α；2、将平面约束区域AREA内第m层的污染物α、β、…、γ的污染区域取并集，得到同层不同污染物的叠加污染区域Gm α∪β∪…∪γ，即Gm α∪β∪…∪γ＝Pm α∪Pm β∪…，∪Pm γ；以上两种叠加方式在ArcGIS软件中的具体操作方法为：将步骤S1072中输出的相同的波段数和位深度的多个栅格数据集合并到一个新的栅格数据集中，即镶嵌至新栅格，从而得到污染叠加区域，输出的新栅格数据集具有同样的相同的波段数和位深度。
步骤S107中，计算经过栅格类型转换的污染区域的交集的方式为：将平面约束区域AREA内第m层污染物α和β的污染区域取交集，得到同时存在污染物α和β污染的复合污染区域Gm α∩β，即Gm α∩β＝Pm α∩Pm β，该叠加方式在ArcGIS软件中的具体操作方法为：以得到的污染区域Pm α、Pm β的栅格数据集作为掩膜，提取另一个栅格数据集内的相应栅格像元。
本发明中，可以根据步骤S107获得的叠加污染区域G计算污染面积，导出修复范围的拐点坐标，用于后续的土壤修复施工，具体分为：
(1)、对于得到的平面约束区域AREA内第m层的污染物α的污染区域Pm α，可由软件计算得其面积为S-Pm α，其边界拐点的集合为F-Pm α＝{Fm α(x1,y1)，Fm α(x2,y2)，…，Fm α(xi,yi)}(i∈N*)；其中，S表示面积，F表示拐点，Fm α(xi,yi)表示平面约束区域AREA内第m层的污染物α的污染区域的边界的第i个拐点；
(2)、对于得到的平面约束区域AREA内污染物α的所有层位叠加的不同层同污染物的污染区域G1-M α，可由软件计算得其面积为S-G1-M α，其边界拐点的集合为F-G1-M α＝{F-G1-M α(x1,y1)，F-G1-M α(x2,y2)，…，F-G1-M α(xi,yi)}(i∈N*)；其中，F-G1-M α(xi,yi)表示平面约束区域AREA内污染物α的所有层位叠加的不同层同污染物的污染区域的边界的第i个拐点；
(3)、对于得到的平面约束区域AREA内第m层的污染物α、β、…、γ的同层不同污染物的综合污染区域Gm α∪β∪…∪γ，可由软件计算得其面积为S-Gm α∪β∪…∪γ，其边界拐点的集合为F-Gm α∪β∪…∪γ＝{F-Gm α∪β∪…∪γ(x1,y1)，F-Gm α∪β∪…∪γ(x2,y2)，…，F-Gm α∪β∪…∪γ(xi,yi)}(i∈N*)；其中，F-Gm α∪β∪…∪γ(xi,yi)表示平面约束区域AREA内第m层的污染物α、β、…、γ的同层不同污染物的综合污染区域的边界的第i个拐点；
(4)、对于得到的平面约束区域AREA内第m层污染物α和β的复合污染区域Gm α∩β，可由软件计算得其面积为S-Gm α∩β，其边界拐点的集合为F-Gm α∩β＝{F-Gm α∩β(x1,y1)，F-Gm α∩β(x2,y2)，…，F-Gm α∩β(xi,yi)}(i∈N*)；其中，F-Gm α∩β(xi,yi)表示平面约束区域AREA内第m层的污染物α和β的复合污染区域的边界的第i个拐点；
其中，计算污染面积在ArcGIS软件中的具体操作方法为：步骤S201，对步骤S1072中得到的32位浮点型栅格数据集进行重分类操作，重分类字段为值，分类类别数为1；步骤S202，将重分类后的栅格数据进行栅格转面操作，将栅格转换为面要素；步骤S203，在得到的面要素的属性表中添加字段，类型为双精度，定义精度为6，定义小数位数为6，并对此字段进行计算几何，属性为面积，得到污染面积。
导出修复范围的拐点坐标在ArcGIS软件中的具体操作方法为：将上述步骤S202中得到的面要素进行要素折点转点操作，得到污染区域拐点的点要素，并添加XY坐标，得到污染区域拐点坐标；导出污染面积和污染区域拐点坐标。
本发明提供的方法利用ArcGIS软件进行反距离权重插值法模拟土壤污染物含量空间分布为基础，提取污染范围的栅格数据，建立基于浮点型栅格数据约束的空间范围约束方法，将范围镶嵌至新栅格，得到污染叠加区域，实现污染范围分区分类的叠加。
下面结合实施例对本发明提供的不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法进行详细说明。
实施例1：
实施例1以武汉市某污染地块为试验区域，该场地主要污染物为氟化物、多环芳烃(苯并[a]蒽、苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、二苯并[a,h]蒽、茚并[1,2,3-cd]芘)和石油烃，为国内典型的有机无机复合污染场地。实地进行验证试验，具体包括以下步骤：
一、数据采集与划定研究区域：
本实例详细调查中，一般区域以40m×40m网格法布设土壤监测点进行采样，疑似污染区域以20m×20m网格法加密布设土壤监测点进行采样，并通过对地理信息***资料的提取，确定以研究区域范围为基础的平面约束区域；
根据原始场地的采样数据，提取每个污染点位数据的详细信息，并对初始数据进行统计分析；每个污染点位数据提取的信息包括：采样点位、样品名称、采样坐标、采样深度和各目标污染物浓度；
在本实例中，场地关注污染物包括7个指标，苯并[a]蒽、苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、二苯并[a,h]蒽、茚并[1,2,3-cd]芘、石油烃、氟化物；
二、研究区域垂向分层：根据本场地的水文地质条件及污染特征，将平面约束区域内所有土壤监测点进行垂直分层，共分为7层，由浅至深划分为第一到第七层，依次为0.0～1.0m、1.0～3.0m、3.0～5.0m、5.0～6.0m、6.0～8.0m、8.0～9.5m、9.5～10.9m；
三、划分待插值单元：将平面约束区域的每一层分割成等大小的栅格单元，得到多个待插值单元；
四、反距离权重插值模拟：在每个平面约束区域的7个分层里对7种不同的污染物进行一次反距离权重法插值模拟，一共进行49次插值模拟，模拟出不同层位中不同污染物的浓度分布情况；
五、提取污染区域：在本实例中，依据《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》(GB36600-2018)及相应在标准中筛选值和管控值，提取污染物浓度高于筛选值(或管控值)的区域(分为轻度或重度污染)作为污染区域，除去某种污染物在某个层位中不存在污染的情况，共提取不同污染物在不同层位的污染区域33个；
六、栅格类型转换：对得到的污染区域栅格数据集进行栅格类型转换，根据后续分析需求，可将得到的不同类型的污染区域任意取交集或并集得到叠加污染区域；
本实施例中，对每一层单独进行研究时，每层叠加都生成3种不同类型的污染区域，包括有机污染(多环芳烃或石油烃中至少一种以上)、有机无机复合污染(有机污染指标中任一种以上与氟化物复合、综合污染(存在7种污染物中任意一种污染物)的污染区域，共21个污染区域。对整个试验区域进行研究时，将7个层位的污染区域垂直叠加，包含了所有层位的有机污染、有机/无机复合污染、综合污染的污染区域相互叠加，得到叠加后的污染区域共11个；
七、通过ArcGIS软件计算污染面积，导出各污染区域的拐点坐标，生成待修复区的开挖拐点；本实施例中，以第三层(3-5m)为例：其苯并[a]蒽的污染面积为310m2，苯并[a]芘的污染面积为14902m2，苯并[b]荧蒽的污染面积为791m2，二苯并[a,h]蒽的污染面积为1266m2，茚并[1,2,3-cd]芘的污染面积为148m2，不存在石油烃污染，总氟化物的污染面积为9225m2，存在多环芳烃或石油烃(有机污染)的污染面积为14932m2，存在无机和有机污染物(复合污染)的污染面积为2905m2，存在任意一种污染物(综合污染)的污染面积为21252m2。
图2为实施例1中第三层土壤分区中不同多环芳烃的污染分布图；图3为实施例1中第三层土壤分区中多环芳烃和氟化物的污染分布图；图4为实施例1中第三层土壤分区中有机无机复合污染分布图，复合污染为有机污染的至少一种与氟化物同时存在的情况；图5为实施例1中第三层土壤分区中综合污染分布图，综合污染包括有机、无机污染中的任一种；图6为实施例1中整个试验区中所有层位复合污染的叠加分布图；图7为实施例1中整个试验区中所有层位综合污染的叠加分布图。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，在污染场地布设土壤监测点进行采样，对采集的土壤监测点数据进行统计汇总，划定研究区域，确定以研究区域范围为基础的平面约束区域；
S102，对平面约束区域内的所有土壤监测点进行垂直分层；
S103，将平面约束区域的每一层分割成等大小的栅格单元，获得多个待插值单元；
S104，对平面约束区域的每一层中的所有待插值单元的某一污染物浓度进行反距离权重插值法模拟，得到该污染物的浓度估算值；
S105，设定步骤S104中的污染物的浓度极限值，提取所有满足浓度估算值不小于浓度极限值的待插值单元的集合，得到平面约束区域内该污染物的污染区域；
S106，重复步骤S104-S105，得到平面约束区域内所有污染物的污染区域；
S107，对污染物的污染区域进行栅格类型转换，然后计算经过栅格类型转换的污染区域的交集或并集，即得到叠加污染区域。
2.根据权利要求1所述的不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，其特征在于，步骤S102中，根据研究区域的水文地质信息对平面约束区域内的所有土壤监测点进行垂直分层，所述水文地质信息包括污染物分布深度、污染物浓度分布特点、土壤地质结构和地下水分布特征。
3.根据权利要求1所述的不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，其特征在于，步骤S104中，平面约束区域第m层中的所有待插值单元的某一污染物α的浓度估算值的表达式为：Bm(α)＝{Bm-1(α1)，Bm-2(α2)，…，Bm-n(αn)；n＝1，2，···，Nm}；式中，1≤m≤M，M为垂直分层的总层数；Bm(α)为平面约束区域第m层中的所有待插值单元的污染物α的浓度估算值；Bm-n(αn)为平面约束区域第m层第n个待插值单元中心点的污染物α的浓度估算值。
4.根据权利要求3所述的不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，其特征在于，平面约束区域第m层第n个待插值单元中心点的污染物α的浓度估算值Bm-n(αn)的计算公式为：
式中，Am-n(αn)为第m层第n个土壤监测点污染物α的浓度观测值；dn为第m层第n个土壤监测点与待插值单元中心点的距离；Nm为平面约束区域第m层中的土壤监测点数量；k为距离的幂。
5.根据权利要求3所述的不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，其特征在于，步骤S105中，污染物α的污染区域Pm α的表达式为：Pm α＝{Bm-1(x1，y1)，Bm-2(x2，y2)，...，Bm-n(xn，yn)}(Bm(α)≥αlimit)，式中，αlimit为污染物α的浓度极限值；Bm-n(xn，yn)为平面约束区域第m层中的第n个待插值单元Bm-n的空间坐标。
6.根据权利要求1所述的不同层位复合污染土壤污染区域的叠加方法，其特征在于，步骤S107中，对污染物的污染区域进行栅格类型转换的过程为：将污染物的污染区域转换为可表示栅格数据的IEEE浮点格式的32位带符号二进制文件；将表示栅格数据的IEEE浮点格式的32位带符号二进制文件转换为具有相同波段数和位深度的栅格数据集。
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| CN116483807A (zh) * | 2023-05-09 | 2023-07-25 | 生态环境部南京环境科学研究所 | 一种土壤污染物环境与毒性数据库构建方法 |
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