反距离加权平均插值法

1、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AApplicationofinversedistanceweightedinterpolationmethodinco ntaminatedsiteassess2ment.YANGWen2ruiWANGRu2songHU ANGJin2louCHENZhanLIFengStateKeyLa2boratoryofUrbanan dRegionalEcologyResearchCenterforEco2

3、EnvironmentalScienc esChineseAcademyofSciencesBeijing100085China.2Chin .J .App I.Ecol.2007189:2013-2018.Abstract:Therearemanydifficultiesin ascertainingtheareathatneedstoberemediedincontami2natedsite.T hispaperintegratedtheexperts ' judgmentswithgridsasthesamplings trategyinana2bandonedpesticide

4、plantinnorthernChinaandapplied ageostatisticalmethodinversedistanceweightedinterpolationIDWt osimulatethepollutants2andriskspatialdistribution.Basedonsoilen vironmentalbenchmarktwoscenariosweredesignedforascertainin gthepollutedarea.Theresultsshowedthattheareaneededtoberemedi edanddeterminedbyIDWwas

5、somewhatlargeraccordingtothenatio nalenvironmental2ndstandardforagriculturalsoilsbuttheareaandc ostneededforremedyweresmallerandmoreeconomicandreasonabl ebasedonthehealthriskthresh2oldlevelandIDWmethod.Acombina tionofIDWandhealthriskassessmentinascertainingpollu2tedarea wouldbeanewwayforsiteassessme

6、ntandsoilremediationinthefutur e.Keywords:siteassessmentNemerowpollutionindexNPIriskasses smentinversedistanceweightedinterpolationsoilremediation.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

7、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

8、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

9、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12mK

10、 12m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 380cm 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

11、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/T14550 93 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级标准 GB15618 1995 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 PW1 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 mg? 9? 9kg-1Si 为污染物 i

12、的评价标准 mg? 9?9kg-1HCH 为 0 1 05mg? 9? 9kg-1 DDT 为 0 1 05mg? 9? 9kg-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:ADDCX IR >EDX 10-6/BW MAT式中：ADD为污染物日均摄入 量 mg? 9? 9kg-1 ? 9? 9d-1C 为土体中污染物的浓度 mg? 9?9kg-1IR 为日土壤摄入量 mg? 9? 9d-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

13、d.致癌性污染物按不同年龄段进行计算.致癌性风险度 3:RADD> Q 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mg? 9?9kg-1 ? 9? 9d-1 按照寿命周期为 70 岁 Q 为污染物的 致癌斜率因子 kg? 9? 9d? 9? 9mg-1 参考 EPA 标准经口 HCH 为 118kg?9? 9d-1? 9?9mg-1DDT 为0143kg?9? 9d-1? 9?9mg-1 我国国家工业企业土壤环境质 量风险评价基准 HJ/T25 1 999 规定的标准 :HCH 为 113kg? 9? 9d?9? 9mg-1DDT 为 014

14、3kg? 9? 9d? 9? 9mg-1.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Dailyintakemg ? 9? 9d-1年暴露时间Yearlyexposuretimed ? 9? 9a-1 平均体质量Averagebodymasskg 一般天气 Ordinaryclimate 儿童Children1630021020 少年 Teenagers71820012045 职业成年人 Adults196010012060

15、老人 Elders607020015050 扬尘天气 Dustyclimate四类人群Alltypes-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Theco2efficientswererefer redtoGuidestoField ' sEnvironmentalA ssessmentandmodi2fiedforthedustweatherinNorthChina.41O2 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:8

16、0cmC:180cmD:380cmE:500cm.下同 Thesamebelow.关于风险评价的标准美国环保局根据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10-6? 9? 9a-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10-6? 9? 9a-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

17、 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.2 Spatialdistributionofthechildren' shealthriskbyHCHandDDTindifferentsoildepths 10-66102 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

18、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 GB15618 1995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 167200m3.31

19、2 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

20、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 015mg? 9? 9kg-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 2119mg? 9? 9kg-1DDT 为 814mg? 9? 9kg-1. 而国家工业企业 土壤环境质量风险评价基准 HJ/T25 1999 的土壤基准中HCH 为 51mg? 9? 9kg-

21、1DDT 为 195mg? 9? 9kg-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.17: 采样点Samplingsites.10500cm20180cm380500cm30380cm40180cm3 80500cm50380cm60180cm70180cm.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

22、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

23、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

24、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.2003.1 ntroductiontoGeographiclnformationSystems.Bei2jing:SciencePress:245-254inChinese2 ChenH2H 陈鸿汉 ChenH2W谌宏伟HeJ2T何江涛 etal.2006.Health2basedriskassessmentofcontaminatedsites:Princ iplesandmethods.EarthScienceFrontiers 地学前缘 131

25、:216-223inChinese3ChenYCMaHW.2006.Modelcomparisonforriskassessment:Acasestudyofcontaminatedgroundwater.Chemosphere63:751-7614 EPA.1992.GuidelinesforExposureAssessment.Wash2ingtonDC. FederalRegister57104:22888-229385 GuoX2D 郭旭东 FUB2J 傅伯杰 MaK2M 马克明 etal.2000.Spatialvariabilityofsoilnutrientsbasedongeo

26、statisticsco mbinedwithGIS AcasestudyinZunhuaCityofHebeiProvince.Ch ineseJournalofAppliedEcology 应用生态学报 114:557-563inChinese6 JiangL 姜 林 WangY 王 岩 .2004.GuidestoField 'sEnvironmentalAessment.Beijing:Chi naEnvironmentalSciencePress:42-67inChinese7 JiangY 姜 勇 ZhangY2G 张玉革 LiangW2J 梁文举 etal.2003.Sp

27、atialvariabilityofsoilnutri2entsincultivatedsurfacesoi lofSujiatunDistrictShen2yangCity.ChineseJournalofAppliedEcol ogy 应用生态学报 1410:1673-1676inChinese8 LuR2K 鲁如 坤.2000.AnalyticalMethodofSoilAg2ro2chemistry.Beijing:Chin eseAgriculturalScienceandTechnologyPress.inChinese9 LuY2S 陆雍森.1999.EnvironmentalA

28、ssessment.Shanghai:TongjiUniversityP ress:531-557inChi2nese10 QuC2X 曲宸绪 JiangY 姜 勇 WuY2P 武燕萍etal.2006.Studyonthedevelopmentofachoro2plethatlasoncancerm ortalityusingtheinversedistanceweightinterpolationinthe1990 hinaJournalofEp2idemiology 中华流行病学杂志273:230-233inChinese11 WcisoEIovenDKucharskiRetal.200

29、2.Humanhealthriskassessmen tcasestudy:AnabandonedmentalsmeltersiteinPoland.Chemospher e47:507-51512 WuS2T 吴双桃 WuX2F 吴晓芙 HuY2L 胡曰 利 etal.2004.StudiesonsoilpollutionaroundPb2Znsmeltingfactoryan dheavymetalshyperaccumula2tors.EcologyandEnvironment 生 态环境 132:156-157inChinese13 ZhaoQ2N 赵沁娜 XuQ2X 徐 启新 YangK