CN106446435B - 一种污染土壤修复范围及边界的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种污染土壤修复范围及边界的优化方法。本发明通过建立相对坐标系，单位网格定位及网格化处理，采用“二分法”对依据地统计分析插值方法绘制出的污染地块区域所在单位网格进行舍弃或增加优化处理，优化后修复边界为直线型多段线组成，测量拐点大幅度降低，同时优化前后修复面积相对误差控制在±1％～±5％之间。本发明针对目前场地调查阶段所确定的修复边界及范围因普遍存在规则性差、且边界为曲线或存在大量拐点而导致修复工程实施难度人为增加、测量工程量偏大的问题，所提供优化方法具有较强的可操作性，优化确定的修复边界便于快速测量后实施修复。本发明适用于污染场地调查、土壤修复工程优化设计阶段的土壤修复边界及范围的优化确定。

Description

一种污染土壤修复范围及边界的优化方法

技术领域

本发明属于污染土壤调查、监测及修复工程技术领域，具体涉及一种污染土壤修复范围及边界的优化方法。

背景技术

近年来，随着我国《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)的出台，污染场地治理上升到国家层面。同时，环保部颁布了一系列有关污染场地的污染调查与风险评估、监测及修复等相关技术导则。土壤污染治理的调查与风险评估、监测、工程修复逐步规范化。

土壤修复工程开展的前提是获取较为准确可靠的土壤污染的边界和范围，因此土壤修复工程前的污染调查与风险评估、修复方案的治理范围的优化工作显得尤为重要。土壤工程修复技术按处置方式分为原位修复技术和异位修复技术。原位修复的特点是自上而下或自下而上实施修复，已知每个污染地块在特定深度界面上的修复边界范围，修复面积和层位厚度，即可对各污染地块的修复工程量分别进行复核及定位。而异位修复的施工特点为自上而下分层开挖，必须掌握各层的修复面积以及分层厚度的信息，避免开挖过程清洁土与污染土发生交叉污染。基于目前的污染场地土壤修复工程技术，污染地块的土壤修复范围边界的测量定位是修复工程的首要任务，不规则的边界及污染范围尤其对于异位修复无疑增加了基坑开挖的难度，各分层修复范围之间的叠加复杂化，测量定位难度增加，相应测量及维护费用增加。

土壤调查与风险评估工作确定污染场地土壤污染边界及修复范围，由相关数据处理软件(如ArcGIS，EVS，Surfer等)、风险评估软件(如HERA、RBCA等)，基于土壤采样数据分析结果，对特定深度界面通过地统计分析插值方法(如克里金法、反距离权重法等)确定的污染土壤修复边界为理论计算值，其中风险评估工作计算出土壤中目标污染物的可接受风险水平下的风险控制值，经与相关标准、案例比较，综合考虑矫正后形成修复目标值。大部分软件分析计算插值生成了圆滑曲线边界。该边界存在大量拐点，目前在场地调查阶段通常采用人为调整的方法，每10～50m给定一个拐点坐标。上述方法在一定程度上减少了拐点量，但实际修复工程中往往需要将不同层位的污染范围进行叠加或将同一层中不同污染物质的污染范围进行叠加，这种情况将产生大量的交叉点，给修复前的测量定位复核以及修复后工程量的复核人为增加了巨大工作量。

污染的特定深度界面分布范围则由采样数据通过插值获得，边界范围的污染范围存在一定的不确定性。通过对考察地块土壤污染物浓度，有限的、离散的采样点数据分析，通过空间插值方法描述土壤中目标污染物的分布特点和规律，确定污染物的平面及空间分布范围。因此，场地调查及风险评估所确定的修复范围边界为插值估算结果，其边界范围的浓度数据预测结果具有不确定性，为土壤修复边界及范围优化提供了理论依据。

根据《场地环境调查技术导则》(HJ25.1-2014)，污染场地调查一般采用三阶段调查法的工作流程，其中第二阶段为初步采样和详细采样阶段，所获得土壤检测结果为土壤修复范围空间插值的基础数据。初步采样和详细采样分析两步进行，逐步减少调查的不确定性。受人力和物力的限制，土壤采样点数据采集和检测总是有限的。可根据专业知识和经验综合判断。详细采样分析是在初步采样分析的基础上，进一步采样和分析，确定场地污染程度和范围。若需要进行风险评估或污染修复时，则要进行第三阶段场地环境调查。第三阶段场地环境调查以补充采样和测试为主，获得满足风险评估及土壤和地下水修复所需的参数。本阶段的调查工作可单独进行，也可在第二阶段调查过程中同时开展。

根据初步采样分析的结果，结合场地分区，制定采样方案。应采用系统布点法加密布设采样点。对于需要划定污染边界范围的区域，采样单元面积不大于1600m²(40m×40m网格)。垂直方向采样深度和间隔根据初步采样的结果判断。根据《场地环境监测技术导则》(HJ25.2-2014)，场地环境调查详细采样监测点位的布设，采用分区布点法划分监测地块，在每个地块的中心采样，单个监测地块的面积可根据实际情况确定，原则上不应超过1600m²。对于面积较小的场地，应不少于5个监测点位。《GB 50021-2001岩土工程勘察规范》(2009年版)规定，一级复杂场地的详细勘察勘探点间距为10～15m。该网格要求可满足查明复杂场地的地层分布结构特征的需求。而土层结构的差异直接影响污染物的迁移和分布规律。

专利申请号为201210483696.9、申请公布号为CN102999927A、申请公布日为2013年3月27日、名称为“一种土壤污染物含量空间分布的精细分区方法”的中国发明专利申请中，提到一种土壤污染物浓度的空间精细分区算法，用于污染物含量的空间精细化分区，其准确性和可靠性较目前常见的方法有所提高,实现污染物含量的空间精细化分区，该发明主要适用于土壤、生态、水文等领域的污染物含量分布的数字地图制作。该专利中的算法较为繁琐，未能解决污染场地中土壤修复范围的边界为曲线或存在过多测量拐点的工程问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即现有技术的算法较为繁琐，未能解决污染场地中土壤修复范围的边界为曲线或存在过多测量拐点的工程问题。进而提供一种污染土壤修复范围及边界的优化方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种污染土壤修复范围及边界的优化方法，

步骤一、建立网格设定基准所用的相对坐标系，坐标原点(网格起点)位于污染场地的最南端(通常选西南端)，横轴X为东西向，纵轴Y为南北向。场地内所有污染地块(优化前的土壤修复范围及边界)位于所设计相对坐标系的第一象限内，包含建筑红线及其范围内场地。

步骤二、设置单位网格，按步骤一所建立的相对坐标系，自坐标原点(网格起点)作为网格划分的基准点，网格线与两条轴线平行或垂直。网格化后单位网格覆盖全场所有污染地块。

步骤三、完整型网格无需优化，其网格面积因子赋值为1。

步骤四、非完整型网格的边界需进行优化处理，通过单位面积二分判断法(以下简称“二分法”)进行优化。

(a)若Ai＜0.5A0，则Ai的面积因子取0，则Ai＝0，该网格内的污染区域进行舍弃处理，即该网格内污染区域范围忽略不计；

(b)若Ai≥0.5A0，Ai的面积因子取1，则Ai＝A0，该网格内的污染区域进行增加处理，即该网格内污染区域范围增加为全网格(单个单位网格)污染；

其中，A0为单位网格面积，取值为100，单位：m²；Ai为任意一个单位网格面积内污染区域的优化后的实际面积，单位：m²；

步骤五、修复范围及边界的优化确定。

按步骤一至四，完成修复地块的网格化处理后,连接完整型单位网格及网格面积因子为1的非完整型网格的外围(由直线组成的多段线)构成封闭区域，该区域则为优化的修复范围,该多段线则为优化后的修复边界。

步骤六、优化后修复面积计算：

A_优化后＝N1*A0-N2*0+N3*A0＝(N1+N3)*A0 (1)

其中，A_优化后——优化后地块的总修复面积，单位：m²；N1——待优化地块的完整型单位网格数量，单位：个；N2——待优化地块的非完整型单位网格数量(其污染面积＜0.5A0)，单位：个；N3——待优化地块的非完整型单位网格数量(其污染面积≥0.5A0)，单位：个；A0——单位网格面积，取值为100，单位：m²。

步骤七、优化后修复面积相对误差计算：

E＝100*(A_优化后-A_优化前)/A_优化前 (2)

其中，A_优化前——优化前地块的总修复面积，单位：m²；E——优化后某地块的修复面积相对误差，单位：％。经验取值范围在±1％～±5％之间。

步骤八、重复以上步骤，进行其余层位的土壤修复范围边界优化，所采用网格及相对坐标系同步骤一和步骤二。各层叠加后得到整个地块的优化后的修复边界范围。

所述步骤一中，坐标原点(网格起点)具有以下特征，位于场地内最西南端可识别建筑物角点或其他永久性标志位置，具有可追溯性，通过GPS系统进行精确定位和记录。

所述步骤二中，设置单位网格为10m×10m，即优化确定的最终土壤修复边界由单位网格边长10m的直线段组合成为多段线，其边界测量拐点可量化。

所述步骤二中，所研究污染地块被单位网格覆盖后形成两类网格，完整型网格(污染范围完全为单位网格覆盖)和非完整型网格(污染范围局部为单位网格覆盖)。

所述步骤四中的二分判断法具有以下特征，非完整型网格内的优化前污染区域面积数值由ArcGIS或CAD软件直接计算或者读取，然后根据步骤四中(a)、(b)判断网格系数取值。

本发明的有益效果是：

一、本发明采用单位网格面积二分判断法(简称“二分法”)，对场地调查阶段所确定的土壤修复边界进行优化处理的过程中，通过ArcGIS或CAD软件很容易实现对修复边界区域单位网格内覆盖区域的取舍，操作简便，具有较强的可操作性。

二、本发明采用的坐标原点(起点)选择修复场地红线最南端(一般选西南端)，具有可追溯性(追溯、再现)的点位，所有修复地块位于所设定相对坐标系的第一象限内，各地块边界及范围优化均在此范围内，同时符合建筑“行业法则”。

三、本发明对土壤修复各分层的修复范围及边界的优化，采用同一个网格定位相对坐标系，各层之间边界优化均采用“二分法”，该方法有利于各层之间优化后的叠加减少“错位”现象，以实现污染地块各层叠加后的修复面积重叠的“最大化”。

四、本发明单位网格采用10m×10m网格，单位网格面积为100m²，在污染地块进行网格化处理后，很容易识别和判断原场地确定的修复区域被单位网格覆盖后的重叠区域及取值，从而为所优化地块的边界区域的网格取舍处理提供了快速解决方案，大大降低了计算工作量。

五、本发明对污染场地各地块按分层进行边界优化处理，最终获得的修复范围边界为封闭直线段，解决了原场地修复区域边界为曲线或存在大量测量拐点的问题，一方面为修复工程实施过程、监测过程的测量定位提供了方便，更加具有可操作性，另一方面，污染地块边界及修复范围优化后的规则性，降低了异位修复过程工程开挖的难度。

六、本发明所优化确定的污染地块修复边界及范围，采用“二分法”具有较高的精度，且操作简单，优化前后修复面积的相对误差精度不超过±1％～±5％，在允许接受的范围之内。

本发明的土壤修复范围及边界优化方法，具有设计合理、操作步骤明晰、简便可行、网格面积参数易于判断，可实现对污染场地各地块，按分层进行优化，而后进行叠加处理后确定最终的修复边界及范围，大大降低测量定位施工的工作量。本发明在污染场地调查、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为污染土壤修复边界及范围优化流程示意图(“二分法”)。

图2为某有机污染场地全区范围的网格化处理示意图(实施例1)。

图3为某有机污染场地中某污染地块(A地块)土壤修复边界及范围的优化处理示意图(实施例1)

图4为图3的11处放大图(实施例1)。

图5为某重金属污染场地中某污染地块(B地块)土壤修复边界及范围的优化处理示意图(实施例2)。

图6为某重金属污染场地中某污染地块(C地块)土壤修复边界及范围的优化处理示意图(实施例2)。

图中的附图标记：1为坐标原点(网格起点)，2为横轴X，3为纵轴Y，4为单位网格(10m×10m)，5为建筑红线，6为A地块优化前污染边界及范围，7为A地块优化后的修复边界，8为A地块完整型网格(优化前污染范围与单位网格完全重叠)，9为A地块非完整型单位网格增加区域(修复面积≥0.5A0)，10为A地块非完整型单位网格舍弃区域，11为A地块局部区域及其单位网格，12为B地块优化前污染边界及范围，13为B地块优化后的修复边界，14为B地块非完整型单位网格增加区域(修复面积＜0.5A0)，15为B地块非完整型单位网格增加区域(修复面积≥0.5A0)，16为B地块完整型网格(优化前污染范围与单位网格完全重叠)，17为C地块优化前污染边界及范围，18为C地块优化后的修复边界，19为C地块非完整型单位网格增加区域(修复面积＜0.5A0)，20为C地块非完整型单位网格增加区域(修复面积≥0.5A0)，21为C地块完整型网格(优化前污染范围与单位网格完全重叠)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

本实施例为武汉某染料厂污染场地，该地块(A地块)场地调查及风险评估所确定(优化前)的修复面积为10798m²，目标污染物主要为氯苯、苯系物等有机污染物。以该场地A地块为例，土壤污染修复边界及范围的优化方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：建立相对坐标系，坐标原点(网格起点)1位于污染场地的最西南端，选取了已有建筑物的角点作为网格基准点，并对该点进行GPS精确定位及记录。设定横轴X2为东西向，纵轴Y 3为南北向。污染地块(A地块)污染边界及范围6(优化前)、建筑红线5，均位于所建立相对坐标系第一象限内。

步骤2：单位网格(10m×10m)4的设置及网格化处理，如图2、图3和图4所示，按步骤1所建立的相对坐标系，自坐标原点(网格起点)作为网格划分的基准点，网格线与两条轴线平行或垂直。网格化后单位网格覆盖所研究污染区域A地块修复污染边界及范围6，所研究污染地块(A地块)被单位网格覆盖后形成两类网格，完整型网格8和非完整型网格，即非完整型单位网格增加区域(修复面积≥0.5A0)9和非完整型单位网格舍弃区域10。

步骤3：完整型网格8无需优化，其网格面积因子赋值为1。

步骤4：非完整型网格的边界需进行优化处理，通过“二分法”进行优化。

a)若Ai＜0.5A0，则Ai的面积因子取0，则Ai＝0，该网格内的污染区域进行舍弃处理，即该网格内污染区域范围忽略不计，即图3和图4中的非完整型单位网格舍弃区域10所覆盖污染区域面积舍弃；

b)若Ai≥0.5A0，Ai的面积因子取1，则Ai＝A0，该网格内的污染区域进行增加处理，即该网格内污染区域范围增加为全网格(单个单位网格)污染，即图3和图4中的非完整型单位网格增加区域9所覆盖污染区域面积增加为一个完整型单位网格面积；

其中，A0为单位网格面积，取值为100，单位：m²；Ai为任意一个单位网格面积内污染区域的优化后的实际面积，单位：m²；

非完整型网格内的优化前污染区域面积数值由ArcGIS或CAD软件直接计算或者读取，然后根据步骤4中a)、b)判断网格系数取值。

步骤5：修复范围及边界的优化确定。

按步骤1～4，完成A地块的网格化处理后，连接完整型单位网格及网格面积因子为1的非完整型网格的外围(由直线组成的多段线)构成封闭区域，该区域则为优化的修复范围，该多段线则为优化后的修复边界7。

步骤6：优化后修复面积通过下式计算：

A_优化后＝N1*A0-N2*0+N3*A0＝(N1+N3)*A0 (1)

其中，通过ArcGIS或CAD软件直接统计可知，N1＝83，N2＝22，N3＝24，单位:个；A0——单位网格面积，本实施例中取值为100，单位：m²。

代入公式(1)中，计算可得

A_优化后＝(N1+N3)*A0＝(83+24)*100＝10700m²

步骤7：A地块污染边界优化后修复面积相对误差(E)计算通过下式计算：

E＝100*(A_优化后-A_优化前)/A_优化前 (2)

代入优化前后修复面积数据，计算可得,

E＝100*(A_优化后-A_优化前)/A_优化前＝100*(10700-10798)/10798＝-0.90％

即A地块修复面积优化相对偏差为-0.90％。

优化后A地块的修复边界的测量拐点明显降低，见下表：

表1污染地块(A地块)测量拐点统计表(实施例1)

实施例2

本实施例为重庆某重钢片区污染场地，土壤中的主要目标污染物为As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Sb、Zn等重金属。简述其局部地块的土壤修复范围及边界优化过程。

如图4、图5所示，分别为本实施例的污染场地中的两个具有代表性地块，B地块和C地块的修复范围及边界的“二分法”优化示意图。

B、C地块采用同一个相对坐标系和10m×10m规格的单位网格，坐标系建立和网格划分方法同实施例1，这里不再赘述。

本实施例仅对代表性污染地块B、C地块采用本发明方法进行修复面积优化的计算参数及结果列表说明,其中，优化后修复面积及优化前后修复面积相对误差的计算分别计算根据本发明步骤七、步骤八中的公式(1)、(2)，具体详见表2。

表2“二分法”优化修复面积计算表(实施例1+实施例2)

注：表中实施例1的A地块的优化计算已在实施例1中详细说明。

由表2可知，实施例1和2中，A、B、C地块随着修复面积的增加，“二分法”优化精度增加，优化前后修复面积相对误差为±1％～±5％，说明了本发明工程应用的普适性，可应用于工程修复尺度的污染场地，具有较高的精度和可靠性。

以上实施例为污染场地1-2个污染地块的情形，若存在多个地块多层污染的情形，采用如上所述步骤1～步骤5相同的相对坐标系、单位网格定位方法及边界范围的“二分法”优化方法，优化后各地块修复面积之和为全场总修复面积，不同层位叠加后可得全场优化后空间修复边界及范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种污染土壤修复范围及边界的优化方法，其特征在于，

步骤一、建立网格设定基准所用的相对坐标系，坐标原点位于污染场地的修复区域之外，横轴为东西向，纵轴为南北向，场地内所有污染地块位于所设相对坐标系的一象限内，包含建筑红线及其范围内场地；

步骤二、设置单位网格，按步骤一所建立的相对坐标系，自坐标原点作为网格划分的基准点，网格线与两条轴线平行或垂直，网格化后单位网格覆盖全场所有污染地块；

步骤三、完整型网格无需优化，其网格面积因子赋值为1；

步骤四、非完整型网格的边界需进行优化处理，通过单位面积二分判断法进行优化；

(a)若Ai＜0.5A0，则Ai的面积因子取0，则Ai＝0，该网格内的污染区域进行舍弃处理，即该网格内污染区域范围忽略不计；

(b)若Ai≥0.5A0，Ai的面积因子取1，则Ai＝A0，该网格内的污染区域进行增加处理，即该网格内污染区域范围增加为全网格污染；

其中，A0为单位网格面积，单位：m²；Ai为任意一个单位网格面积内污染区域的优化后的实际面积，单位：m²；

步骤五、修复范围及边界的优化确定；

按步骤一至四，完成修复地块的网格化处理后,连接完整型网格及网格面积因子为1的非完整型网格的外围由直线组成的多段线构成封闭区域,该区域则为优化的修复范围,该多段线则为优化后的修复边界；

步骤六、优化后修复面积计算：

A_优化后＝N1*A0-N2*0+N3*A0＝(N1+N3)*A0 (1)

其中，A_优化后——优化后地块的总修复面积，单位：m²；N1——待优化地块的完整型网格数量，单位：个；N2——待优化地块的非完整型网格数量，其污染面积＜0.5A0，单位：个；N3——待优化地块的非完整型网格数量，其污染面积≥0.5A0，单位：个；A0——单位网格面积，单位：m²；

步骤七、优化后修复面积相对误差计算：

E＝100*(A_优化后-A_优化前)/A_优化前 (2)

其中，A_优化前——优化前地块的总修复面积，单位：m²；E——优化后某地块的修复面积相对误差，单位：％，经验取值范围在±1％～±5％之间。

2.根据权利要求1所述的污染土壤修复范围及边界的优化方法，其特征在于，重复步骤一至七，进行其余层位的土壤修复范围边界优化，所采用网格及相对坐标系同步骤一和步骤二，各层叠加后得到整个地块的优化后的修复边界范围。

3.根据权利要求1所述的污染土壤修复范围及边界的优化方法，其特征在于，所述步骤一中，作为网格起点的坐标原点具有以下特征，位于场地内修复区域之外可识别建筑物角点或其它永久性标志位置，具有可追溯性，通过GPS系统进行精确定位和记录。

4.根据权利要求1所述的污染土壤修复范围及边界的优化方法，其特征在于，所述步骤二中，设置单位网格为5m×5m～30m×30m，即优化确定的最终土壤修复边界由单位网格边长直线段组合成为多段线，其边界测量拐点可量化。

5.根据权利要求1所述的污染土壤修复范围及边界的优化方法，其特征在于，所述步骤二中，所污染地块被单位网格覆盖后形成两类网格，完整型网格和非完整型网格。

6.根据权利要求1所述的污染土壤修复范围及边界的优化方法，其特征在于，所述步骤四中的二分判断法具有以下特征，非完整型网格内的优化前污染区域面积数值由ArcGIS或CAD软件直接计算或者读取，然后根据步骤四中(a)、(b)判断网格系数取值。