三維可視化建模方法在污染場地中的應(yīng)用

魏文俠，宋博宇，李培中，王海見，郭觀林，張文，權(quán)騰

1.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京　1000892.工業(yè)場地污染與修復(fù)北京市重點實驗室，北京　1000893.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京　1000124.中科鼎實環(huán)境工程有限公司，北京　100028

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三維可視化建模方法在污染場地中的應(yīng)用

魏文俠1,2，宋博宇1,2，李培中1,2，王海見1,2，郭觀林3，張文4，權(quán)騰1,2

1.輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京1000892.工業(yè)場地污染與修復(fù)北京市重點實驗室，北京1000893.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京1000124.中科鼎實環(huán)境工程有限公司，北京100028

摘要以某搬遷的電池廠原址場地為研究對象，利用場地地層勘探數(shù)據(jù)和土壤樣品檢測結(jié)果建立場地三維污染預(yù)測模型，對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，在三維污染模型構(gòu)建過程中采用交叉驗證分析法選擇最優(yōu)插值方法及參數(shù)，并對場地土壤中重金屬鉛的污染分布進(jìn)行三維可視化預(yù)測分析。結(jié)果表明：三維地層模型構(gòu)建過程中，樣點最小間距設(shè)置為40 m×40 m，鄰近點插值法最適合描述場地的地形地貌特征；克里格插值法更適合進(jìn)行場地污染特征插值分析。建立了三維可視化建模方法分析場地污染特征與場地地層及生產(chǎn)布局之間的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞污染場地；三維插值；可視化；重金屬；鉛

隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和城市建設(shè)發(fā)展，大量停產(chǎn)搬遷的工業(yè)場地面臨土地再次開發(fā)利用，場地污染會對人體健康產(chǎn)生潛在影響。污染場地環(huán)境修復(fù)是保障人體健康安全的必要措施，場地污染已成為我國最受關(guān)注的環(huán)境問題之一[1-3]。2005年4月—2013年12月，環(huán)境保護(hù)部會同國土資源部開展了首次全國土壤污染狀況調(diào)查，結(jié)果表明：全國土壤污染總的點位超標(biāo)率為16.1%。從污染類型看，以無機(jī)型為主，無機(jī)污染物超標(biāo)點位數(shù)占全部超標(biāo)點位的82.8%；鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機(jī)污染物點位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。因此，重金屬是我國主要場地污染物類型。采礦、冶金、電鍍和石油加工等行業(yè)是重金屬污染的主要來源，這些行業(yè)排放的重金屬污染物通過大氣沉降、廢水排放和廢物長期淋濾等途徑造成場地土壤和地下水污染[4]。

掌握場地污染分布特征，明確場地污染邊界，是進(jìn)行污染場地有效修復(fù)的前提和關(guān)鍵[5-6]。國外學(xué)者在污染場地空間分布特征分析方面進(jìn)行了大量研究。如Zirschky[6]研究了地統(tǒng)計學(xué)方法在土壤環(huán)境污染調(diào)查和監(jiān)測中的應(yīng)用；Stein[7]應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)對土壤污染程度進(jìn)行了空間變異分析；Cotway等[8]認(rèn)為土壤屬性在空間各方向上的一致是相對的，而各方向上存在的差異卻是絕對的；White等[9]研究表明，采用各向同性范圍內(nèi)的空間變異模型參數(shù)，作為克里格插值的參數(shù)選擇，可以降低各向異性對插值精度的影響；Carlon等[10]應(yīng)用克里格法分析多環(huán)芳香烴污染的空間分布特征，研究采用較少的樣本數(shù)據(jù)獲取污染分布特征基本信息；Ying等[11]采用克里格插值方法揭示滴滴涕(DDT)在沉積物中的空間分布依賴性及其分布特征。

國內(nèi)也有許多學(xué)者對污染場地空間分布特征分析進(jìn)行了研究：如胡克林等[12]應(yīng)用半方差函數(shù)分析北京市大興區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬元素的空間相關(guān)性，采用克里格插值方法預(yù)測土壤重金屬空間分布特征；謝正苗等[13]利用地統(tǒng)計學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法揭示了浙江省某區(qū)域土壤重金屬的空間分布特征，評價重金屬環(huán)境質(zhì)量狀況，并對其成因進(jìn)行了探索研究；張長波等[14-15]采用各向同性范圍內(nèi)半變異函數(shù)模型，對某區(qū)域土壤重金屬進(jìn)行空間分布預(yù)測，對污染源識別有較好的指示作用。

近年來，污染場地空間變異特征的研究已經(jīng)從二維空間變異理論擴(kuò)展到三維空間上。如Nash等[16]使用三維克里格法對土壤砂粒與CaCO3濃度在土壤剖面中的分布進(jìn)行預(yù)測；Liu等[17]采用水平和垂直變差函數(shù)來分析三維空間中土壤導(dǎo)水率在水平及垂向上的空間相關(guān)性得出，在水平方向上存在各向異性，主軸方向與外界河流補(bǔ)給具有空間相關(guān)性；Meirveime等[18]應(yīng)用三維克里格與二維克里格分層方式進(jìn)行硝態(tài)氮在土體中的三維分布研究，結(jié)果顯示三維克里格插值方法具有較好的預(yù)測精度。

隨著科學(xué)計算可視化與三維GIS的發(fā)展，三維可視化模型得到了廣泛應(yīng)用。主要是在獲取各種地質(zhì)信息的條件下，結(jié)合地質(zhì)解譯、地統(tǒng)計分析、空間預(yù)測及圖形可視化等技術(shù)，建立三維環(huán)境地質(zhì)模型[19]。三維地質(zhì)模型可以解決二維平面不能直觀展現(xiàn)地形高程變化等問題，多方式多角度展示復(fù)雜地質(zhì)信息，反映場地地層結(jié)構(gòu)形態(tài)。場地地層普遍具有異質(zhì)性，場地污染分布與地層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法將場地概化為二維平面進(jìn)行污染特征分析，忽略了污染垂直分布上的異質(zhì)性特征，造成場地污染范圍及修復(fù)土方量的計算誤差相對較大。三維可視化建模技術(shù)可以充分利用場地地層信息和場地不同深度樣品檢測數(shù)據(jù)，更加準(zhǔn)確分析場地污染分布狀況，減少預(yù)測誤差。目前三維可視化模型在場地污染特征空間分布表征方面的應(yīng)用研究相對較少。因此，筆者選擇某鉛酸蓄電池污染場地，建立場地三維污染預(yù)測模型，對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對場地土壤中重金屬鉛的污染分布進(jìn)行三維可視化分析，研究場地地層特征與土壤污染特征之間的相關(guān)性，旨在為該場地后續(xù)土壤污染修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)和決策支持。

1材料與方法

1.1場地概況

雜填土層：雜色，主要包含物為砂、泥巖碎塊石、磚塊、卵石及粉質(zhì)黏土等，碎塊石直徑5～200 mm，含量約20%，呈棱角狀、次棱角狀，地面下4.90～9.40 m深含約25%的卵石，粒徑5～40 mm，呈橢圓形，母巖成分為花崗巖等，結(jié)構(gòu)松散—稍密，稍濕，為建筑回填。

原土層：分布于局部地段的人工填土之下或斜坡表面，黃褐色，可塑狀，干強(qiáng)度、韌性中等，無搖振反應(yīng)，切面稍有光澤，為殘坡積成因。

侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)砂巖：灰白色，灰色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，礦物成分為石英、長石及云母等，局部含泥質(zhì)。

1.2樣品采集與檢測分析

場地面積約100萬m2，長期從事鋰離子電池和鉛酸蓄電池生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中跑、冒、滴、漏現(xiàn)象及固體廢物的隨意堆放導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤重金屬污染，土壤特征污染物以鉛為主。依據(jù)該場地原生產(chǎn)工藝分析和廠區(qū)生產(chǎn)布局情況，采用三角網(wǎng)格布點和經(jīng)驗布點相結(jié)合的方式進(jìn)行該場地土壤采樣分析。結(jié)合場地實際地層分布特征確定采樣深度，采樣位置主要位于建筑垃圾層、雜填土層和基巖砂層，采樣深度0～9.4 m不等，依據(jù)地層實際分布情況進(jìn)行采樣，即部分點位采集2層土壤樣品。共布設(shè)采樣點位77個，采集土壤樣品209個。

土壤樣品采用直口玻璃瓶存放，聚四氟乙烯瓶蓋進(jìn)行密封。使用藍(lán)冰保證樣品在約4 ℃低溫保存。土壤和建筑垃圾中鉛濃度用US EPA 6010C方法測定[20]；土壤和建筑垃圾中鉛采用HJT 299方法進(jìn)行溶出[21]，采用US EPA 6020A方法測定浸出濃度[22]。

1.3三維可視化模型構(gòu)建方法

污染場地三維可視化模型由場地地層模型及污染分布模型構(gòu)成。具體建模方法：1)建立場地地層模型。依據(jù)場地地質(zhì)資料整理鉆孔數(shù)據(jù)，依據(jù)地層分布情況由上至下設(shè)置土壤屬性信息；然后依據(jù)鉆孔地理位置坐標(biāo)及鉆孔縱向地層信息完成鉆孔三維可視化，再采用三維插值方法實現(xiàn)地質(zhì)體網(wǎng)格構(gòu)建，最后依據(jù)調(diào)查邊界條件進(jìn)行裁剪，完成場地三維地層模型構(gòu)建。2)建立場地污染分布模型。在場地地層模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，將土壤鉆孔樣品檢測分析結(jié)果與鉆孔地層數(shù)據(jù)相結(jié)合，選擇三維插值方法對鉆孔節(jié)點檢測結(jié)果進(jìn)行插值計算，完成場地污染分布模型構(gòu)建。

由于地層結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性和插值方法選擇不同，造成污染場地三維可視化模型具有一定的誤差。三維模型構(gòu)建過程中還需通過誤差分析方法進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化。具體流程見圖1。

圖1　三維可視化模型構(gòu)建流程Fig.1　3D visualization model building

2結(jié)果與討論

2.1場地地層模型構(gòu)建

影響地質(zhì)模型建模精度的主要因素包括網(wǎng)格數(shù)量與插值方法的選擇。按網(wǎng)格尺寸為20 m×20 m、40 m×40 m、60 m×60 m、80 m×80 m、100 m×100 m設(shè)置網(wǎng)格，選用克里格插值法(Kriging)、反距離加權(quán)插值法(IDWS)、距離反比加權(quán)插值法(IDWM)和鄰近點插值法(NN)4種插值方法，分別計算場地調(diào)查地層深度內(nèi)(0～9.4 m)所有地層的土方量，分析地層建模誤差。具體計算結(jié)果見表1。

以網(wǎng)格數(shù)量為x軸，總土方量為y軸繪制不同插值方法的趨勢線圖(圖2)，其中，直線斜率說明土方量隨網(wǎng)格數(shù)量改變的快慢，直線截距代表預(yù)測土方量的基數(shù)或者最小值，直線斜率與截距的比值說明網(wǎng)格數(shù)量增加對總土方量的影響，擬合度越大說明網(wǎng)格數(shù)量與土方量的相關(guān)關(guān)系越好，反映網(wǎng)格數(shù)量對土方量的誤差大小。

由圖2可知：1)根據(jù)直線斜率計算，4種插值方法總土方量均呈增加趨勢，增加速率依次為IDWS>NN>Kriging>IDWM；2)Kriging，IDWS和IDWM擬合度均大于0.99，線性關(guān)系較好；NN法的擬合度較小，為0.54，線性關(guān)系較差；3)直線斜率與截距的比值關(guān)系說明，4種插值方法計算土方量的誤差依次為IDWS(0.013%)>NN(0.011%)>Kriging(0.010%)>IDWM(0.009%)，IDWM算法插值誤差較小。

表1　不同插值方法在不同參數(shù)條件下場地總土方量情況

注：Kriging—克里格插值法；IDWS—反距離加權(quán)插值法；IDWM—距離反比加權(quán)插值法；NN—鄰近點插值法。

Kriging—克里格插值法；IDWS—反距離加權(quán)插值法；IDWM—距離反比加權(quán)插值法；NN—鄰近點插值法。圖2　不同插值方法下計算場地土方量及趨勢線分析Fig.2　Site earthwork quantity and trend linesunder different conditions

注：Kriging—克里格插值法；IDWS—反距離加權(quán)插值法；IDWM—距離反比加權(quán)插值法；NN—鄰近點插值法。圖3　不同插值方法結(jié)果對比Fig.3　The interpolation results of different methods and parameters

圖4　場地地層及土壤污染三維可視化結(jié)果Fig.4　Three dimensional visualization of site stratum and soil pollution

選擇誤差相對較小的網(wǎng)格數(shù)40 m×40 m為最佳網(wǎng)格，進(jìn)行不同插值方法比較(圖3)，選擇IDWM作為最佳插值方法，進(jìn)行場地地層模型構(gòu)建，構(gòu)建結(jié)果見圖4。模型中三維網(wǎng)格由各地層表面疊加而成，由鉆孔高程值插值計算得到各地層表面網(wǎng)格高程值。場地地層由上至下依次為建筑垃圾層、雜填土層、原土層(粉質(zhì)黏土)和基巖層。場地地層模型的建立為后續(xù)場地污染分析提供了污染點的位置(即每個網(wǎng)格的節(jié)點)及空間邊界范圍。

2.2場地污染模型構(gòu)建

首先依據(jù)采樣點位置空間坐標(biāo)信息，將土壤樣品檢測分析結(jié)果疊放至場地地質(zhì)模型的空間位置上。然后在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，使用樣品所有污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行場地污染分布插值計算，進(jìn)而對土壤鉛濃度的空間分布可視化表征及分析。從不同插值方法結(jié)果對比(圖3)?？梢钥闯?，Kriging、IDWS和IDWM 3種插值方法均可以獲得較為平滑的插值結(jié)果。而鄰近點法(NN)插值結(jié)果呈鋸齒狀。研究采用十折交叉驗證法，對污染物濃度插值方法精度進(jìn)行結(jié)果驗證。以全部參與計算的模型網(wǎng)格節(jié)點值作為真實值，訓(xùn)練樣本計算的模型節(jié)點值為預(yù)測值。插值結(jié)果的精度選擇常用的平均預(yù)測誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)作為誤差統(tǒng)計指標(biāo)，平均預(yù)測誤差、平均絕對誤差越接近于0，均方根誤差值越小，插值精度就越高。各種插值方法對比驗證結(jié)果見表2。

在前期場地地層建?；A(chǔ)上，進(jìn)行污染物三維分布建模。不同插值方法獲取的污染區(qū)范圍誤差分析結(jié)果表明，NN的均方根誤差最高，IDWS隨著指數(shù)的增加誤差增加，IDWS在同等指數(shù)水平下要度高于IDWM，Kriging在均方根誤差、平均絕對誤差上均小于其他插值方法，采用Kriging進(jìn)行場地污染分布預(yù)測精度較高。因此研究選擇Kriging進(jìn)行后續(xù)場地污染濃度空間分布預(yù)測分析。

表2　不同插值模型誤差分析

Table 2　ME and RMSE analysis for different

interpolation models　 mgkg

表2　不同插值模型誤差分析

插值方法均方根誤差平均絕對誤差平均預(yù)測誤差Kriging213.24120.434.66IDWS321.73146.75-19.21IDWM526.19188.749.26NN2144.80267.0531.00

注：Kriging—克里格插值法；IDWS—反距離加權(quán)插值法；IDWM—距離反比加權(quán)插值法；NN—鄰近點插值法。

2.3場地污染三維可視化表征及討論

從場地地層及土壤污染三維可視化結(jié)果(圖4)可見，場地重金屬鉛污染較重區(qū)域主要集中在場區(qū)中部偏北位置，該區(qū)域為原廠區(qū)廢鉛堆放處、極片生產(chǎn)車間及廢極片處理車間，另外場區(qū)的污水處理站也有較高的土壤重金屬污染。土壤污染主要集中在蓄電池加工生產(chǎn)的區(qū)域。其他區(qū)域如南部成品車間和廢物堆放區(qū)，土壤污染程度相對較輕。

將場地地層分布情況與土壤污染情況進(jìn)行對比分析得出：場地表層建筑垃圾層污染分布范圍最廣，污染程度較重；建筑垃圾層和雜填土層在場區(qū)內(nèi)交叉分布，由于人為擾動，造成污染遷移擴(kuò)散至雜填土層；同時，該場地雜填土層分布不連續(xù)，部分區(qū)域原土層與建筑垃圾層直接接觸，導(dǎo)致原土層土壤污染?？梢?，場地土壤污染遷移特征與場地地層分布特征具有一定的相關(guān)性，同時與場地土地開發(fā)利用等人為活動有一定的關(guān)聯(lián)性。

3結(jié)論

污染場地三維可視化模型構(gòu)建過程中，模型參數(shù)優(yōu)化選擇對三維插值精度影響較大。地質(zhì)建模過程中網(wǎng)格參數(shù)和插值方法精度評價結(jié)果表明：網(wǎng)格密度越小，地層插值估算場地地層土方量越大；樣點最小間距網(wǎng)格設(shè)置為40 m×40 m時，插值精度較高；不同三維插值方法中克里格插值法(Kriging)在均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)上均小于其他插值法，插值誤差相對較小，插值預(yù)測結(jié)果更符合場地實際污染特征。

在污染場地三維可視化建?；A(chǔ)上，對實際場地土壤重金屬鉛污染分布狀況進(jìn)行分析，場地土壤污染特征與地層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。三維建模及可視化分析能夠較好地反映場地污染垂向分布的異質(zhì)性特征，可以為場地后續(xù)土壤修復(fù)提供參考依據(jù)。

僅采用場地鉆探獲取的地層數(shù)據(jù)和土壤樣品實驗室檢測結(jié)果，進(jìn)行場地污染數(shù)據(jù)分析及三維可視化表征。后續(xù)工作中可以通過探地雷達(dá)、薄膜界面探測系統(tǒng)、水力剖面探桿工具系統(tǒng)等其他調(diào)查方法獲取更多場地特征信息，更加準(zhǔn)確地構(gòu)建污染場地三維可視化模型，為污染場地調(diào)查及修復(fù)提供技術(shù)支持。

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Application in Heavy Metal Contaminated Sites of Three-dimensional Visual Modeling

WEI Wenxia1,2, SONG Boyu1,2, LI Peizhong1,2, WANG Haijian1,2, GUO Guanlin3, ZHANG Wen4, QUAN Teng1,2

1.Environmental Protection Research Institute of Light Industry, Beijing 100089, China2.Beijing Key Laboratory of Pollution and Remediation of Industrial Sites, Beijing 100089, China3.China Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China4.Zhongke Dingshi Environmental Engineering Co.Ltd, Beijing 100028, China

AbstractUsing a battery factory relocation site as the research object, stratigraphic exploration data and lead concentrations in soil were used to establish a contaminant prediction three-dimensional model of the site. In constructing three-dimensional contaminant prediction model, the cross validation analysis method was used to select the optimal interpolation method and parameters. The three-dimensional visual projection and analysis was performed for the lead pollution distribution in the contaminated soil. The results showed that the minimum spacing of sample points (40 m×40 m) as well as nearest point interpolation method were most suitable for describing the terrain of the site. The Kriging interpolation method showed high precision and was suitable for analysis of soil pollution characteristics of interpolation. The relationship between the site characteristics and the stratum and distribution of production was analyzed by the established three-dimensional visual modeling method.

Key wordscontaminated sites; 3D interpolation; visualization; heavy metals; lead

收稿日期：2016-01-06

基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(SS2012AA062025)；北京市財政項目(PXM2015_178203_000004)；北京市創(chuàng)新團(tuán)隊項目(IG201301C2)

作者簡介：魏文俠(1973—)，女，副研究員，博士，主要從事污染場地修復(fù)與環(huán)境風(fēng)險管理研究，liepi_wwx@163.com

中圖分類號:X705

文章編號:1674-991X(2016)04-0384-07

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.057

魏文俠，宋博宇，李培中,等.三維可視化建模方法在污染場地中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2016,6(4):384-390.

WEI W X, SONG B Y, LI P Z, et al.Application in heavy metal contaminated sites of three-dimensional visual modeling[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(4):384-390.