反距离加权平均插值法.docx

1、反距离加权平均插值法反距离加权插值法在污染场地评价中的应用3阳文锐王如松33黄锦楼陈展李锋中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085摘要确定污染场地的土壤修复范围在实际操作中存在很大的难度.本文以北方某废弃农药厂为例结合专家判定采样法与网格采样法采用地统计学方法中的反距离加权空间插值法分两种情形将大于土壤环境基准值的区域划定为治理范围.结果表明由于国家土壤环境二级标准主要适用于农业生产的土地依据反距离加权空间插值后以此标准确定的治理范围较大而基于健康风险水平阈值所确定的修复范围和修复成本较小较合理且经济可行.采用风险评价的反距离加权插值法确定污染场地的污染范围为今后

2、的场地评价和土壤修复提供了思路.关键词场地评价尼梅罗污染指数风险评价反距离加权插值土壤修复文章编号1001-9332200709-2013-06中图分类号X171.5X826文献标识码AApplicationofinversedistanceweightedinterpolationmethodincontaminatedsiteassess2ment.YANGWen2ruiWANGRu2songHUANGJin2louCHENZhanLIFengStateKeyLa2boratoryofUrbanandRegionalEcologyResearchCenterforEco2Environme

3、ntalSciencesChineseAcademyofSciencesBeijing100085China.2Chin.J.Appl.Ecol.2007189:2013-2018.Abstract:Therearemanydifficultiesinascertainingtheareathatneedstoberemediedincontami2natedsite.Thispaperintegratedtheexpertsjudgmentswithgridsasthesamplingstrategyinana2bandonedpesticideplantinnorthernChinaand

4、appliedageostatisticalmethodinversedistanceweightedinterpolationIDWtosimulatethepollutants2andriskspatialdistribution.Basedonsoilenvironmentalbenchmarktwoscenariosweredesignedforascertainingthepollutedarea.TheresultsshowedthattheareaneededtoberemediedanddeterminedbyIDWwassomewhatlargeraccordingtothe

5、nationalenvironmental2ndstandardforagriculturalsoilsbuttheareaandcostneededforremedyweresmallerandmoreeconomicandreasonablebasedonthehealthriskthresh2oldlevelandIDWmethod.AcombinationofIDWandhealthriskassessmentinascertainingpollu2tedareawouldbeanewwayforsiteassessmentandsoilremediationinthefuture.K

6、eywords:siteassessmentNemerowpollutionindexNPIriskassessmentinversedistanceweightedinterpolationsoilremediation.3国家自然科学基金重点资助项目70433001.33通讯作者.E2mail:2006211230收稿2007206216接受.1引言当前中国面临高速的城市化发展城市有限的土地空间成为城市发展的主要限制因子之一.为创建和谐与健康的城市环境安全合理的土地利用方式成为保障城市居民健康的关键性要素.过去的50年由于历史条件的限制众多污染型化工企业在城市内部发展占用了大量的土地对当地

7、的自然环境造成了严重的污染其中一些重金属、有毒有害化学品和持久性有机污染物POPs随着土地的重新利用进入水体和暴露在大气中严重威胁人群健康2.城市工业区土壤环境污染的问题已经引起学者的广泛关注11-13.由化工企业造成的环境问题特别是土地污染问题必须得到有效的治理以保障城市居民的健康.北方某大城市为解决这些老化工企业遗留下来的场地污染问题已经责令市内十几家大型化工生产企业搬出城市外部这些污染型化工企业遗留下来的场地污染问题已经引起当地环保部门的高度重视.由于污染物在土壤中的迁移不同于空气和水体介质污染物质迁移缓慢对于大面积的化工企业土壤污染而言搬迁过程中对于场地土壤的干扰使得土壤中的这些污染物

8、质运移具有很大的不确定性给环境评价带来了巨大的难度如何在经济花费最小的条件下使污染的治理达到土地利用方式的安应用生态学报2007年9月第18卷第9期ChineseJournalofAppliedEcologySep.2007189:2013-2018全水平确保污染场地经过评价修复后土地再利用的潜在健康风险达到安全水平是当前场地评价中的一大难题.目前有关场地评价的研究工作大部分停留在以环境介质的环境质量标准为参考采用逐步采样的方法评价场地是否存在污染其成本过高.本文尝试应用反距离加权空间插值法进行场地评价提出了基于风险评价的土地治理措施为污染场地修复提供了思路.2研究地区与研究方法211自然概况

9、研究场地为北方某农药厂厂区面积4万m2经过几十年的发展后遗留下来的污染物引起周边居民的不安20世纪80年代初该农药厂厂区用地转化为某油漆厂生产用地2005年全厂拆迁搬出该地作为未来房地产开发用途.场地土壤pH715915为粘质粉土有刺激性气味.212样品采集根据该厂的历史生产沿革经过与原厂区工作人员以及专家讨论从厂区的平面图上判别出可能产生污染物的车间设置重点采样范围.以整个厂区的厂界为分析范围划分12m12m单元网格以网格交叉点为采样点对重点采样区域根据实地情况进行疏密采样.采样工具为工程勘察院的SH30型钻机每取1个样本钻头均作清理以免土壤样本交叉污染.采样深度分别为20、80、180和3

10、80cm为客观真实地反映场地污染情况在污染严重的点位适当进行深度采样分别增加500和600cm两个土样.样品放置于内衬聚乙烯塑料袋的棉布专用样品袋.213测定方法由于研究地块为农药厂在场地评价时针对该厂的主要农药产品进行分析本研究主要以六六六HCH和滴滴涕DDT两类物质作为讨论对象.样品置于阴凉通风处自然风干剔除样品中植物根系、有机残渣以及可见侵入体用木质工具碾碎并用玛瑙研钵研磨分别过10、60和100目尼龙筛8.依据GB/T1455093采用气相色谱法测定HCH和DDT含量.数据采用Excel处理后采用Arc2GIS910软件进行插值分析.214评价方法21411污染评价以国家土壤环境质量二

11、级标准GB156181995为标准采用国内外普遍采用的内梅罗综合指数法9.PCiSi2平均CiSi2最大式中:P为土壤中污染物i的环境质量指数P1为未受污染P1为已污染P值越大污染越严重Ci为土壤中污染物i的实测浓度的统计平均值mg99kg-1Si为污染物i的评价标准mg99kg-1HCH为0105mg99kg-1DDT为0105mg99kg-1.21412风险评价以EPA健康风险评价导则为依据在对人体健康进行风险评价时主要考虑的摄入途径为经口摄入.污染物日摄入量计算公式4:ADDCIRED10-6/BWAT式中:ADD为污染物日均摄入量mg99kg-199d-1C为土体中污染物的浓度mg99

12、kg-1IR为日土壤摄入量mg99d-1ED为人体暴露的时间dBW为人群平均体质量kg10-6为转换系数AT为人均寿命d.致癌性污染物按不同年龄段进行计算.致癌性风险度3:RADDQ式中:R为致癌性污染物所引起的健康风险a-1ADD为致癌性污染物的日平均摄入剂量mg99kg-199d-1按照寿命周期为70岁Q为污染物的致癌斜率因子kg99d99mg-1参考EPA标准经口HCH为118kg99d-199mg-1DDT为0143kg99d-199mg-1我国国家工业企业土壤环境质量风险评价基准HJ/T251999规定的标准:HCH为113kg99d99mg-1DDT为0143kg99d99mg-1

13、.风险计算中按照人体在不同年龄段摄入的累积量计算表1.表1各人群的土壤日摄入量参数Tab.1Dailyintakeparameterofsoilfordifferentpeoplegroups年龄段Age日摄入量Dailyintakemg99d-1年暴露时间Yearlyexposuretimed99a-1平均体质量Averagebodymasskg一般天气Ordinaryclimate儿童Children1630021020少年Teenagers71820012045职业成年人Adults196010012060老人Elders607020015050扬尘天气Dustyclimate四类人群A

14、lltypes-100020-参数参考场地环境评价指南考虑到北方扬尘天气作了适当的修改Theco2efficientswerereferredtoGuidestoFieldsEnvironmentalAssessmentandmodi2fiedforthedustweatherinNorthChina.4102应用生态学报18卷图1不同深度土壤尼梅罗污染指数空间分布Fig.1SpatialdistributionofNPIindifferentsoildepths.A:20cmB:80cmC:180cmD:380cmE:500cm.下同Thesamebelow.关于风险评价的标准美国环保局根据

15、动物的毒理学试验建议致癌化学物的健康风险可接受水平值为10-699a-110.美国和欧洲许多国家对污染场地进行风险评价时亦采用该值对人体健康进行风险评价.我国目前在风险评价基准值方面的研究尚显不足没有相关的标准与参考规范.本研究以10-699a-1作为风险评价标准.21413空间分析空间插值法被广泛用于资源管理、灾害管理和生态环境治理中57应用较多的有临近法、反距离权重法、克里格法、样条函数法、趋势面法和多元回归等一系列模型方法空间异质性是空间插值研究的隐含前提即要素的非均匀空间分布才需要空间插值空间相关性则是空间插值研究的基础16.反距离权重空间插值法是一种加权平均51029期阳文锐等:反距

16、离加权插值法在污染场地评价中的应用图2不同土壤层六六六和DDT对儿童健康风险空间分布图Fig.2SpatialdistributionofthechildrenshealthriskbyHCHandDDTindifferentsoildepths10-6.6102应用生态学报18卷内插法该方法认为任何一个观测值都对邻近的区域有影响且影响的大小随距离的增大而减小10.采用ArcGIS910软件中的空间分析模块IDW空间插值工具对污染评价和风险评价的结果进行空间插值.3结果与分析311污染综合指数空间插值根据反距离加权法空间插值的结果对不同土壤层综合污染指数的反距离加权法空间插值图1.从图1可以看

17、出该厂区两种主要污染物在土壤中的分布范围随着土壤深度的增加而呈现逐渐缩小的趋势.污染主要集中在表层0180cm在380cm土层污染物浓度急剧下降表明此层以下土壤污染逐步减轻.根据该污染指数空间插值图及国家土壤环境质量二级标准GB156181995对需要治理的区域进行判断.结果表明厂区0180cm的土壤全部受到了不同程度的污染180500cm部分土壤需要进行治理治理土方量约为167200m3.312风险评价空间插值针对不同土层土壤对不同人群的健康风险进行空间插值以儿童为例图2.从污染物对不同人体健康风险概率进行空间插值的结果来看在所列举的4类人群中两种污染物对儿童的健康风险较大因此选用儿童风险概

18、率为基准所制定的土壤修复标准是比较严格的.按照该儿童风险概率计算的结果推导出该厂区两种污染物需要治理的浓度阈值即风险评价阈值以该值为基准确定土壤治理范围.通过软件ArcGIS对各图层进行叠加确定该厂区的修复范围以及各层需要治理的深度图3其需要治理的土方量约为130400m3.313两种治理方案的比较基于综合污染指数的土壤修复范围比基于风险评价的土壤修复范围要大这是因为前者的评价标准为国家土壤环境质量二级标准GB156181995由于该场地将作为城市居民区的建设用地该标准对于居民区而言污染物在土壤中的浓度限制较为严格015mg99kg-1使修复成本较高.后者通过对特定人群进行风险假设和风险评价确

19、定修复范围其参数在设定时考虑到了不同人群因为不同活动方式的污染土壤摄入量基于受害人群的风险阈值推断土壤污染物治理浓度阈值HCH为2119mg99kg-1DDT为814mg99kg-1.而国家工业企业土壤环境质量风险评价基准HJ/T251999的土壤基准中HCH为51mg99kg-1DDT为195mg99kg-1故其治理范围比前者要小也更加经济合理.而对污染场地进行风险评价就是为了制定污染物的治理浓度阈值6并选择基于风险概率计算的土壤治理范围.图3基于儿童健康风险的土壤治理范围Fig.3Areaneededforremedybasedonchildrenhealthriskassessment.

20、17:采样点Samplingsites.10500cm20180cm380500cm30380cm40180cm380500cm50380cm60180cm70180cm.4讨论目前虽然对具体污染物的分析监测技术较成熟对污染物在土壤中的迁移和转化机理的研究较多但对于城市中受到人为干扰严重的土壤特别是化工企业在搬迁过程中遗留下来的污染问题在确定治理范围和治理量上存在很大的不确定性给环境治理带来很大难度.在区域环境治理中反距离权重空间插值法已被应用于对污染物分布范围的模拟14-15但在局部土壤治理中的应用还未见报道.本研究对反距离加权空间插值法在场地土壤污染治理中的应用进行了尝试.但尚存在以下问题

21、需要进一步改进和完善:1反距离加权空间插法一种局部插值法其假设前提是未知值的点受较近控制点的影响比较远控制点的影响更大1.该方法要求对受影响的局部控制点有清楚的认识且其结论直接受到采样点数值的影响采样点越多对局部的真实反映越强利用反距离加权插值法所确定的污染范围就越准确.在71029期阳文锐等:反距离加权插值法在污染场地评价中的应用场地评价中由于受到采样和分析成本的限制采样点数目有限其结论可能不能完全真实地反映场地的实际状况.2采样点的位置对空间插值有着重要影响17.采样点均匀分布能更好地反映研究要素在空间上的分布特征.但在实际场地评价中特别是在拆迁后的场地中可能遇到人为地质条件如地下掩埋的建

22、筑物基底的阻碍导致采样点位置的挪移从而造成采样点空间分布不均匀对结果造成一定影响.3采样网格的大小影响着空间插值的结果.由于厂区搬迁或者其他人为活动对于土壤的干扰污染物质分布的不确定性大在局部的场地评价中采取多大的网格进行插值分析可以尽可能的减少这些不确定性需要在今后的研究中进一步探索.参考文献1ChangKT.2002.Trans.ChenJ2F陈健飞.2003.IntroductiontoGeographicInformationSystems.Bei2jing:SciencePress:245-254inChinese2ChenH2H陈鸿汉ChenH2W谌宏伟HeJ2T何江涛etal.2

23、006.Health2basedriskassessmentofcontaminatedsites:Principlesandmethods.EarthScienceFrontiers地学前缘131:216-223inChinese3ChenYCMaHW.2006.Modelcomparisonforriskassessment:Acasestudyofcontaminatedgroundwater.Chemosphere63:751-7614EPA.1992.GuidelinesforExposureAssessment.Wash2ingtonDC.FederalRegister57104:

24、22888-229385GuoX2D郭旭东FUB2J傅伯杰MaK2M马克明etal.2000.SpatialvariabilityofsoilnutrientsbasedongeostatisticscombinedwithGISAcasestudyinZunhuaCityofHebeiProvince.ChineseJournalofAppliedEcology应用生态学报114:557-563inChinese6JiangL姜林WangY王岩.2004.GuidestoFieldsEnvironmentalAssessment.Beijing:ChinaEnvironmentalScien

25、cePress:42-67inChinese7JiangY姜勇ZhangY2G张玉革LiangW2J梁文举etal.2003.Spatialvariabilityofsoilnutri2entsincultivatedsurfacesoilofSujiatunDistrictShen2yangCity.ChineseJournalofAppliedEcology应用生态学报1410:1673-1676inChinese8LuR2K鲁如坤.2000.AnalyticalMethodofSoilAg2ro2chemistry.Beijing:ChineseAgriculturalSciencean

26、dTechnologyPress.inChinese9LuY2S陆雍森.1999.EnvironmentalAssessment.Shanghai:TongjiUniversityPress:531-557inChi2nese10QuC2X曲宸绪JiangY姜勇WuY2P武燕萍etal.2006.Studyonthedevelopmentofachoro2plethatlasoncancermortalityusingtheinversedistanceweightinterpolationinthe1990s.ChinaJournalofEp2idemiology中华流行病学杂志273:23

27、0-233inChinese11WcisoEIovenDKucharskiRetal.2002.Humanhealthriskassessmentcasestudy:AnabandonedmentalsmeltersiteinPoland.Chemosphere47:507-51512WuS2T吴双桃WuX2F吴晓芙HuY2L胡曰利etal.2004.StudiesonsoilpollutionaroundPb2Znsmeltingfactoryandheavymetalshyperaccumula2tors.EcologyandEnvironment生态环境132:156-157inChin

28、ese13ZhaoQ2N赵沁娜XuQ2X徐启新YangK杨凯.2005.Applicationofpotentialecologicalriskin2dexinsoilpollutionoftypicalpollutionindustries.Jour2nalofEastChinaNormalUniversityNatureScience华东师范大学学报99自然科学版1:111-116inChinese14ZhengH2L郑海龙ChenJ陈杰DengW2J邓文靖etal.2006.Spatialanalysisandpollutionassessmentofsoilheavymetalsint

29、hesteelindustryare2asofNanjingperi2urbanzone.ActaPedologicaSinica土壤学报431:39-45inChinese15ZhengY郑一WangX2J王学军LiuR2M刘瑞民etal.2003.KriginganalysisandpollutionassessmentforthepolysyclicaromatichydrocarbonsPAHsinthesoilofTianjin.ChinaEnvironmentalScience中国环境科学232:113-116inChi2nese16ZhuH2Y朱会义LiuS2L刘述林JiaS2F

30、贾绍凤.2004.Problemsofthespatialinterpolationofphysicalgeographicalelements.GeographicalResearch地理研究234:425-432inChinese17ZhuQ2A朱求安ZhangW2C张万昌YuJ2H余钧辉.2003.ThespatialinterpolationinGIS.JournalofJiangxiNormalUniversityNaturalScience江西师范大学学报99自然科学版282:183-188inChinese作者简介阳文锐男1979年生博士研究生.主要从事城市生态风险评价和管理研究发表论文4篇.E2mail:责任编辑肖红8102应用生态学报18卷