基于GIS技術的水源地周邊土壤污染監(jiān)測方法分析

王曉霞

（廣東省連州市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 清遠 513400）

引言

當前，我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，也在一定程度上帶來了環(huán)境污染問題，隨著人們環(huán)保意識的增強，污染監(jiān)測與治理成為全社會關注的焦點。水源地為居民提供了生活及公共服務用水，而周邊土壤環(huán)境直接影響水源的質量?！讹嬘盟幢Ｗo區(qū)污染防治管理規(guī)定》中明確指出：飲用水地表水源各級保護區(qū)及準保護區(qū)內，禁止一切破壞水環(huán)境生態(tài)平衡的活動及破壞水源林、護岸林、與水源保護相關植被的活動[1]。得益于科學技術的進步，越來越多的新型技術手段在土壤污染監(jiān)測中得以應用，GIS技術就是其中典型的代表。鑒于此，本文探討了基于GIS技術的水源地周邊土壤污染監(jiān)測方法，為同業(yè)人員提供參考。

1 GIS技術的應用現(xiàn)狀

1.1 GIS技術在生態(tài)環(huán)境研究中的應用

在資源與環(huán)境應用領域，GIS發(fā)揮出技術先導的作用，目前在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地資源、生態(tài)環(huán)境、災害預警等方面應用廣泛。具體到生態(tài)環(huán)境研究中，GIS技術的應用包括：（1）調查生態(tài)環(huán)境背景。（2）對環(huán)境進行動態(tài)性、連續(xù)性監(jiān)測。（3）對面源污染進行監(jiān)測、分析與評價[2]。（4）評價生態(tài)環(huán)境影響，為環(huán)境規(guī)劃與管理提供依據(jù)。早在2002年，我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等多部門在科技部門的主持下，開展了“全國環(huán)境背景數(shù)據(jù)庫建設與服務”工作，建設了環(huán)境背景數(shù)據(jù)庫，進一步促進了環(huán)境保護的科學分析與決策[3]。

1.2 技術應用優(yōu)勢

在環(huán)境污染監(jiān)測工作中，GIS技術的應用優(yōu)勢在于：（1）設備占地面積小、重量輕，內部元件密封不受環(huán)境干擾。而且其采用整塊運輸方式，安裝方便、費用較低，后期檢修工作量小。（2）和GPS、RS等技術相結合，可提高土壤背景調查的全面性，同時對數(shù)據(jù)信息進行計算分析，為污染治理提供決策支持。（3）通過人機交互的方式建模，在其他軟件工具的輔助下完善系統(tǒng)功能，實現(xiàn)監(jiān)測信息的三維立體可視化，具有極強的空間綜合分析和動態(tài)預測能力[4]。（4）采用實時動態(tài)載波相位差分技術（RTK），提高了定位精度，誤差僅有厘米級。

2 基于GIS技術的水源地周邊土壤污染監(jiān)測方法

2.1 土壤污染風險評價

2.1.1 評價土壤污染程度

目前評價土壤污染程度的方法較多，采用單因子指數(shù)法，計算公式：

式中，Pi表示第i個污染物的單因子指數(shù)，Ci表示污染物含量，Si表示該污染的評價值。根據(jù)計算結果，將污染程度劃分為4個等級，分別是未污染、輕度污染、中度污染和重度污染。

2.1.2 評價土壤的潛在風險

水源地周邊土壤的潛在風險，從污染物濃度大小、敏感性高低、毒性水平輕重三個方面進行綜合分析，最終得到污染系數(shù)，計算公式：

式中，表示污染物系數(shù)，表示土壤污染的毒性響應，表示土壤生態(tài)風險指數(shù)，RI表示土壤潛在的生態(tài)風險。根據(jù)計算結果，將土壤的潛在風險標準劃分為5個等級，分別是輕微、中等、強、很強和極強。

2.1.3 評價土壤的綜合生態(tài)風險

結合實踐可知，造成水源地周邊土壤污染的污染源并非單一的，而是多個污染因子共同作用導致的。污染因子的影響程度不同，最終土壤的污染程度也就不同[5]。因此，實際工作中對土壤污染物判定時，存在一定的模糊性。對此，選擇污染物含量、距離、景觀格局等要素建立評價體系，采用加權法評價土壤的綜合生態(tài)風險，計算公式：

式中，F(xiàn)i表示第i個評價指標的隸屬度函數(shù)，Wi表示指標的權重，n表示評價指標的數(shù)量，ER表示土壤的綜合生態(tài)風險。

2.2 污染空間定位

基于土壤污染程度、潛在風險、綜合生態(tài)風險等評價指標，將GIS技術應用在水源地周邊土壤污染的監(jiān)測工作中。首先通過定位，得到水源地周邊土壤的電子圖像，然后對圖像進行預處理：

2.2.1 大氣校正

利用GIS獲取土壤圖像時，陽光反射會影響大氣分子的運動，進而影響圖像質量。因此，通過大氣分子校正可減小對圖像的不利影響，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析打下基礎。

2.2.2 輻射定標

生成電子圖像時，不論是太陽角度還是傳感器性能，均會產(chǎn)生一定影響，導致圖像光譜出現(xiàn)誤差。輻射定標處理，就是獲取空中、地面及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，將各種參數(shù)帶入大氣輻射傳輸模型，求取遙感器入瞳時的輻射亮度，計算定標系數(shù)并進行誤差分析，討論誤差的形成原因[6]。

2.2.3 圖像裁剪

GIS獲取的電子圖像范圍較大，后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理的工作量大，為了減少工作量，提高數(shù)據(jù)分析精度，對電子圖像進行裁剪，僅對水源地周邊的土壤進行分析。

2.3 監(jiān)測點布設

布設監(jiān)測點是土壤污染監(jiān)測中的一個重要環(huán)節(jié)，要保證點位布設的全面性、合理性、代表性。因土壤污染的類型不同，布設監(jiān)測點的參數(shù)也不同。

2.3.1 確定概率的置信水平

土壤屬性是一個獨立的隨機變量，假設屬性平均值是μ，方差為σ2，所有監(jiān)測點的平均值是p，那么事件概率的置信水平計算公式：

式中，λ表示概率系數(shù)，p1表示獲取的概率置信水平。

2.3.2 確定監(jiān)測點的采樣數(shù)量

假設每個監(jiān)測點都是獨立的，隨機變量η正態(tài)分布，利用中心極限定理即可得到正態(tài)分布值，確定監(jiān)測點的采樣數(shù)量，計算公式：

式中，k表示采樣精度，正態(tài)分布值為1.645。

2.3.3 確定樣本數(shù)量

一般來說，監(jiān)測點的樣本數(shù)量會受到采樣精度、置信水平的影響，樣本數(shù)量的計算公式：

式中，ta表示置信水平，t表示監(jiān)測點分布，a表示監(jiān)測點的分布特征，n表示采樣數(shù)量，s表示總數(shù)據(jù)量。采樣完成后，根據(jù)測定布設情況填寫采樣數(shù)據(jù)單，然后錄入污染物信息，并進行歸一化處理，保存所有數(shù)據(jù)。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.4.1 建立模型

依據(jù)土壤污染物評價指標，結合采集到的數(shù)據(jù)，以污染物濃度為準，利用內羅梅污染指數(shù)建立污染物等級評價模型，計算公式：

式中，Ci表示實際測量得到的污染物濃度，Si表示污染評價標準，PN表示表示污染物指數(shù)模型。根據(jù)計算結果，將污染等級劃分為5個層次，分別是安全（PN≤0.7）、尚安全（0.7＜PN≤1）、輕度污染（1＜PN≤2）、中度污染（2＜PN≤3）和重度污染（PN＞3）。

集成污染物指數(shù)模型，輸入采集到的污染物數(shù)據(jù)，即可自動生成分級指數(shù)。GIS獲取土壤的電子圖像后，根據(jù)不同分級指數(shù)渲染成不同顏色。

2.4.2 空間插值

監(jiān)測點計算時，采用空間插值法對未知區(qū)域的污染物濃度進行模擬，進而得到全部污染物的分布情況。插值處理時，假設水源地周邊土壤的污染區(qū)域為Z(x)，x點位的屬性值是Z(xi)，待插點為x0。根據(jù)已知采集點的屬性值，計算得到屬性值的加權之和，計算公式：

式中，λi表示待定權重系數(shù)，Z(xi)表示污染物相關變量，Z(x0) 表示采集點屬性的加權之和。得到插值結果后，在GIS中自動生成單一污染物的濃度分布圖。

2.4.3 空間疊加

采用空間插值法，是從空間角度反映出污染物的濃度，明確哪個區(qū)域的污染嚴重、哪個區(qū)域的污染較輕[7]。要想從時間角度反映出污染物的濃度，對比不同時間段土壤的污染情況，要采用空間疊加法進行分析。具體方法如下：第一步，根據(jù)污染區(qū)域的土壤背景濃度，采用插值法生成背景濃度分布圖。第二步，將背景濃度分布圖、污染物濃度分布圖疊加起來，得到污染物的濃度變化圖。第三步，錄入采集到的實時數(shù)據(jù)，反映出土壤污染前與污染后的變化。

2.4.4 空間統(tǒng)計

土壤污染監(jiān)測實際項目中，污染物種類較多，以上分析方法適用于單一污染物的濃度計算。要想反映出多種污染物的變化，就要采用空間統(tǒng)計法，根據(jù)布設的監(jiān)測點生成不同污染物的統(tǒng)計圖，從而直觀反映不同監(jiān)測點、不同污染濃度的變化。通過對比分析，明確污染源，進而達到土壤污染監(jiān)測的目標。

2.5 監(jiān)測效果評價

GIS技術應用在水源地周邊土壤污染監(jiān)測中，監(jiān)測精度和用時是兩個重要的評價指標，前者關系到工作質量，后者關系到效率成本。為評價GIS監(jiān)測效果，隨機選擇5處地理環(huán)境不同的水源地，將GIS土壤監(jiān)測方法編號為A，高光譜RS監(jiān)測方法編號為B，土壤重金屬監(jiān)測方法編號為C，對比如下：

2.5.1 監(jiān)測精度

如表1所示，3、4兩個水源地因環(huán)境條件差，3種監(jiān)測方法的精度均低于1、2、5水源地。整體來看，方法A的監(jiān)測精度最高，方法B次之，方法C的精度最低。說明基于GIS技術對水源地周邊土壤污染進行監(jiān)測，能提高監(jiān)測精度，獲得真實可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

表1 不同監(jiān)測方法的結果精度比較

2.5.2 監(jiān)測用時

如表2所示，對土壤污染監(jiān)測50次、100次、150次、200次、250次，計算三種監(jiān)測方法的平均用時。結果可見，監(jiān)測50次時，三種方法的用時相差較?。浑S著監(jiān)測次數(shù)增加，用時差異也在擴大。整體上看，方法A的用時最短，方法B次之，方法C的用時最長。說明基于GIS技術對水源地周邊土壤污染進行監(jiān)測，能縮短監(jiān)測用時，提高工作效率。

表2 不同監(jiān)測方法的用時比較 單位：s

3 水源地周邊土壤污染的治理措施

3.1 健全污染防治體系

第一，全面掌握土壤污染現(xiàn)狀，對污染數(shù)據(jù)進行剖析，尤其是工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，明確主要污染物有哪些，評價污染程度及對地表水和地下水的影響，然后制定針對性的防治方案。第二，嚴格執(zhí)行政策法規(guī)，緊緊跟隨時代發(fā)展步伐，根據(jù)當?shù)匕l(fā)展需求和土地規(guī)劃，加大周邊土壤環(huán)境的保護力度。第三，建立土壤環(huán)境監(jiān)控體系，土壤污染并非一朝一夕形成，監(jiān)控工作是一個長期性任務。要以當?shù)卣疄橹鲗?，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等部門協(xié)作，合理配置人員、設備和資金，建立連續(xù)性、動態(tài)性的監(jiān)控體系，及時獲取土壤污染信息，使防治工作變被動為主動。

3.2 加強宣傳教育工作

相比于水污染、空氣污染，土壤污染不僅更加復雜，而且具有較強的隱蔽性。要想提高污染防治效果，還要加強宣傳教育工作，通過增強居民的環(huán)保意識，使其積極參與到污染防治中。在宣傳教育手段上，應充分利用信息技術的優(yōu)勢，采用微博、微信、短視頻平臺等媒介，以圖片、視頻的形式展示土壤污染與防治的相關知識，普及政策及法律法規(guī)。同時，建立暢通的交流渠道，收集處理民眾的反饋信息，提高污染防治的針對性和有效性。

3.3 推廣試點示范操作

土壤污染后治理工作難度較大，不僅需要充足的資金支持，還要培養(yǎng)專業(yè)的技術人員，實現(xiàn)污染治理的持續(xù)革新。由于我國地域廣闊，不同地區(qū)的地理環(huán)境條件差異明顯，針對土壤污染的治理，可進行試點示范然后推廣。具體而言，選擇具有代表性的污染土壤為試點，將生理、物理、化學等治理技術措施應用其中，觀察土壤修復過程，評價土壤治理成果，然后總結成功的經(jīng)驗，在其他類似項目中推廣，發(fā)揮出試點示范效應，達到降本增效的目標。

3.4 注重技術和設備的創(chuàng)新

土壤污染監(jiān)測與治理，技術和設備是核心。新型污染物的出現(xiàn)要求必須對技術、設備進行不斷創(chuàng)新。以GIS技術為例，未來要向著集成化、智能化的方向發(fā)展，與RS、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術相結合，可對地理數(shù)據(jù)進行智能分析與應用，解決復雜問題。與傳統(tǒng)繪圖軟件CAD相結合，能完善繪圖功能，有助于數(shù)據(jù)的輸入與更新。與多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術相結合，可增強GIS圖像的可視化、交互性和可操作性，更加方便污染監(jiān)測工作的開展。

4 結語

經(jīng)濟社會快速發(fā)展的同時，人們的環(huán)保意識也在增強，污染監(jiān)測與治理成為一項重要工作。本研究基于GIS技術，探討了在水源地周邊土壤污染監(jiān)測中的應用，結果證實不僅監(jiān)測結果的精度高，而且監(jiān)測作業(yè)用時短，是一種科學可行技術方案。未來，隨著信息技術的發(fā)展，GIS技術的智能化程度將不斷提高，在污染監(jiān)測中的應用前景也將更加廣闊。