CN113159454A - 一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法 - Google Patents
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Abstract
一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，包括：预测污染物清单，格网化布点；对初步调查数据指示克里金插值预测土壤污染概率；对初步调查数据进行克里金插值预测污染物空间变异趋势；设定污染概率阈值，识别超标区域；结合超标区域污染概率与污染物空间变异趋势，对其分梯度细化格网化污染详查加密布点；预留不同浓度梯度采样点数据，对剩余所有采样点数据进行克里金插值；预留点位浓度值与克里金插值结果所对应的预测值相差不超过10％时，记录污染区域空间位置和实物量。本发明是以提高土壤环境损害实物量的精确度为目的一种细化污染边界和污染程度的加密优化布点方法，为准确鉴定土壤环境损害实物量提供科技支撑。
Description
技术领域
本发明涉及土壤环境损害鉴定评估领域，尤指一种基于土壤环境损害实物量的结合污染概率与污染物空间分布的加密优化布点方法。
背景技术
如何准确认定生态环境损害程度是环境污染类案件中的一个重要难题。土壤污染事件发生一段时间后，污染物的分布往往存在较大的空间异质性。因此，如何科学合理的判断损害实物量是目前土壤生态环境损害领域面临的一个主要难题。土壤环境损害实物量的多少取决于土壤损害范围及程度，直接决定了损害赔偿数额也是损害行政处罚量刑的重要依据。因此，土壤污染损害范围及程度的评估需要一个科学合理的方法，对精准量化土壤环境损害实物量具有重要意义。
土壤污染损害范围及程度的识别受到土壤污染位置、污染边界范围及污染程度等因素的影响。土壤污染调查布点方式的合理性将直接决定土壤污染位置、污染边界范围、污染程度的准确性。同时以土壤损害实物量为重要依据的损害赔偿数额、行政处罚力度也对土壤污染调查布点方式提出了更高的要求。目前，很多土壤污染案件缺乏详细的土壤背景信息资料其调查布点方式多以均匀布点和随机布点为主。在均匀或随机布点的条件下，土壤污染物分布的空间异质性会对土壤污染范围及程度的评估造成误差。因此，精准识别污染区域或潜在污染区域，基于污染区及潜在区域更精细化污染范围、了解污染分布趋势能够提高土壤损害实物量的精确度，为土壤环境损害赔偿及行政处罚提供技术依据。
本发明依据土壤环境损害鉴定评估的技术需求，提出一种基于土壤污染区及潜在区域土壤损害实物量的加密优化布点方法，即在初步调查的基础上，判定是否存在超标区域，若存在，则利用指示克里金插值方法求取土壤污染的超标概率。划定阈值并提取后续加密布点污染区域，结合克里金插值预测污染物分布空间趋势，对待加密污染区域进行分梯度格网细化加密布点。该方法充分考虑污染概率和污染物空间分布情况进行加密布点的方法，提高模拟精度以及污染物量化的准确度，为土壤环境损害实物量的鉴定提供科技支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，首先通过土壤污染初步调查采样点数据值对比背景值或修复目标值判定是否存在超标区域，若存在，则利用指示克里金插值方法求取场地污染超标概率；然后，划定阈值提取符合区域作为后续加密布点的区域并结合克里金插值预测的超标污染物分布空间趋势，对待加密区域进行分梯度细化格网化加密布点；最后，预留部分点位对加密布点后克里金插值方法预测的污染物空间变化趋势的准确性进行验证，直至验证点在预测值范围内且浓度变化不超过10％。该方法充分考虑污染概率和污染物空间分布情况进行加密布点的方法，提高模拟精度以及污染物量化的准确度。
为实现上述目的，本发明创造提供如下技术方案：
一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法：
步骤1：预测土壤环境损害污染物清单；
步骤2：判断可能的污染源、污染物的迁移途径，制定土壤环境损害初步调查方案；
步骤3：进行网格采样布点，采样点位布设在网格中心位置，网格间小于等于40m×40m，采集土样记录地理信息坐标，进行实验室检测分析，建立采样点位特征污染物土壤污染数据库；
步骤4：对特征污染物数据进行常规描述性分析，判定是否存在超过背景值或修复目标值的局部超标区域，如存在，以土壤背景值或修复目标值作为阈值进行指示克里金插值，预测场地土壤大于土壤背景值或修复目标值的概率，进而获取特征污染物在不同土层中的污染概率分布；
步骤5：对初步调查数据进行克里金插值，获得超标特征污染物含量的空间变异趋势，对比特征污染物背景值或修复目标值得出超过背景值或修复目标值的污染区域；
步骤6：对比特征污染物污染概率范围与克里金插值后超过背景值或修复目标值的污染区域面积范围契合性，确定此时的污染概率值为污染概率阈值，高于污染概率阈值的区域为超标区域，根据超标区域污染概率分布与超标特征污物空间变异情况，对超标区域进行分梯度格网细化污染详查加密布点；
步骤7：预留不同污染梯度下采样点数据，对剩余加密采样点与初步调查采样点数据进行克里金插值，得出加密布点后污染物空间变异趋势；
步骤8：利用预留点位对克里金插值结果准确度进行验证，若预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差不超过10％，则记录此时的污染区域空间位置和实物量，用于后续修复施工；否则，重复步骤5、6、7，直至预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差10％以内。
在所述的步骤2中，土壤环境损害初步调查方案包括：采样点位置选择、采样点位间隔大小、采样深度、采样点数目。
在所述的步骤3获取场地各个采样点位的地理信息坐标(xi，yj)(i，j＝1，2，……，n)、污染物浓度值Z(Xi)(i＝1，2，……，n)，并记录每层采样土层深度H1，H2，……Hn(i＝1，2，......，n)。
在所述的步骤4基于指示克里金插值方法计算土壤污染概率，步骤如下：
1)将污染物浓度值转换为基于某阈值的指示值，如式(1)，假设在研究区S内，参考背景值或修复目标值设置某特征污染物修复目标值为Zc，则在S内每一个样点Xi∈S(i＝1，2，......，n)上定义一个Zc的如下阶梯函数：
2)预测单点位置或区域的累积污染概率，如式(2)和式(3)：
式中：P(X0；Zc|(n))是点X0处不超过Zc的累积概率；P(X；Zc|(n))是区域S处不超过Zc的累积概率；λi是第i个指标值的权重；
3)将λi带入公式(2)或公式(3)即可得到不超过Zc的累积概率；其中λi是指示克里金无偏、最小方差条件小求得。即，
式中C(Xi，Xj)是Z(Xi)和Z(Xj)的协方差函数，μ为拉格朗日乘子；C(xi，xj)＝Var[Z(xi)-Z(xj)]，Var表示方差，i，j＝1，2，......，n。
所述的步骤4和步骤5中，分析污染物数据特征，对于不符合正态分布的数据根据需要进行对数或者幂指数变换，计算各点位特征污染物超标倍数
Z(Xi)为采样点第i(i＝1，2，......，n)个特征污染物浓度值；Zc为采样点特征污染物的背景值或修复目标值；基于克里金插值方法预测区域污染物空间变化趋势，是由已知采样点预测未知点从而形成污染物浓度由低到高的空间分布情况，即
其中，Z(X0)为待预测的未知点，Z(Xi)为采样点第i(i＝1，2，......，n)个特征污染物浓度值、λi待定权重系数；超过背景值或修复目标值则为受到污染，划定背景值或修复目标值的区域污染区域。
所述的步骤6中，超过背景值或修复目标值则为受到污染，以初步调查克里金插值结果上划定污染区域作为对照组，然后将指示克里金插值结果的污染概率划分为不同概率区间，分析不同概率区间与对照组的契合性，通过面积契合性对比，确定此时的概率区间值为污染概率阈值Q；污染概率P的取值范围为0～1,污染概率Q<P<1的区域超标区域。
对超标区域进行分梯度细化格网化污染详查加密布点，根据超标区域污染概率与超标污染物分布将超标区域划分为污染程度的轻、中、重区域，对不同污染程度的土壤进行格网细化分别小于等于30m×30m、小于等于20m×20m、小于等于10m×10m，高低浓度值变化较大的过度区域因变异较大，适当加大样本量，沿着土壤污染物含量变化的方向布设加密样点。
所述的步骤7中，预留不同污染梯度下的采样点数据是指污染区域的轻度、中度、重度区域各预留部分采样点数据，目的是验证加密布点后克里金插值方法预测的污染变异趋势的准确性。
所述的步骤8中，对比步骤7中预留点位浓度值与空间插值后形成的污染浓度范围，预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差不超过10％时，则认为此时初查和加密布点后的结果相对准确的反映了场地的污染情况；确定土壤污染的位置记录污染区域拐点坐标，并根据土壤损害污染区域确定土壤修复实物量，即计算每一采样层超标面积和体积；若预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差超过10％时，则考虑在原来加密布点的基础上在超标区域大的地方增加样点或更细化格网大小进行加密布点。
本发明创造的有益效果是：
本发明依据土壤环境损害鉴定评估的技术需求，提出一种基于土壤污染区及潜在区域土壤损害实物量的加密优化布点方法，即在初步调查的基础上，提出基于污染概率和污染物空间变化趋势的土壤污染调查加密布点方法。该方法能够提高污染区范围和污染程度的估计精度及污染物量化的准确度，为土壤环境损害实物量的鉴定提供科技支撑。
附图说明
图1为某研究区域初步调查监测样点布设图。
图2为基于初步调查的指示克里金污染物污染概率分布图。
图3a为基于污染概率阈值提取的超标区域图。
图3b为基于超标区域的克里金插值污染分布图。
图4为基于不同污染梯度的加密布点点位。
图5为本发明方法的最终污染土层简化图。
图6为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
本实施例以某化工厂某一特征污染物为研究对象，首先基于研究区厂区土壤环境损害特征预测可能的污染物清单，设计初步调查方案，并在初步调查结果的基础上对比土壤污染初步调查采样点数据值与背景值或修复目标值来判定是否存在明显超标区域，若存在，则利用指示克里金插值方法求取厂区污染超标概率；结合克里金插值预测超标污染物空间分布趋势，然后，划定阈值提取超标区域作为后续加密布点区域；对待加密区域进行分梯度细化格网化加密布点；最后，预留部分点位对加密布点后克里金插值方法预测的污染物空间变化趋势的准确性进行验证，直至验证点在预测值范围内且浓度变化不超过10％。具体实施方式如下：
1.研究区污染物清单判定
获取该场地土壤环境损害相关信息资料收集，掌握该土壤环境损害发生的准确方位和基本情况后，分析查明污染来源、污染物产生环节并与相关部门及时沟通了解土壤污染的具体信息，判断土壤环境损害可能的污染物种类，结合场地生产工艺，初步判断污染场可能的特征污染物种类。
2.初步采样方案制定
对场地遥感影像进行目视解译，结合场地生产功能分区、污染物堆放位置对场地功能分区判断，结合场地生产背景条件制定场地初步调查方案。按照规则格网布点总体取样点位，取样深度为0-20cm。由于总体取样点位数量较多，其插值后的污染物分布情况作为反映场地土壤污染状况的真实结果。其中按照格网40m×40m，均匀提取每个格网中心一个采样点作为场地初步调查样点，点位布设如图2。
3.研究区污染物数据库建立
按照采样方案，采集土壤样品记录地理信息坐标及实验室分析结果，建立采样点位特征污染物的土壤污染数据库，并绘制研究区初步调查采样点位分布，如图2。对特征污染物数据进行一般描述性分析如正态分布检验，数据最大值、最小值。计算采样点数据基于背景值或修复目标值的超标倍数。将场地中调查采样点的各特征污染物浓度值的分析结果与基线水平进行比较，得出场地各采样点位的超基线倍数、超基线率，判断场地的大致超标区域。场地各点位各特征污染物超基线倍数
其中Z(Xi)为采样点第i(i＝1，2，......，n)个特征污染物浓度的平均值；Zc为采样点特征污染物的背景值或修复目标值。
4.指示克里金插值预测场地土壤污染概率
根据数据特征，基于初步调查数据，利用指示克里金插值方法预测土壤污染物超过背景值或修复目标值的概率。首先，将污染物浓度值转换为基于某阈值的指示值。假设在研究区S内，设置污染物背景值或修复目标值阈值为Z。，则在S内每一个样点Xi∈S(i＝1，2，......，n)上利用阶梯函数
然后，预测单点位置或区域的累积概率以及区域累计污染概率
污染概率的取值范围为0到1，其中λi是指示克里金无偏、最小方差条件即
5.提取超标区域，并进行克里金空间插值预测超标污染空间分布
对初步调查数据进行克里金空间插值，对比特征污染物背景值与修复目标值得出污染区域污染物空间变化趋势，如图3a。根据指示克里金插值超标污染概率，通过克里金插值污染区域与指示克里金插值不同污染概率区间对比，综合考虑划定污染概率阈值为0.3。超过0.3的污染概率区域为污染超标区域(0.3＜P＜1)如图3b。
6.设计加密布点方案
将超标区域污染概率0.3-0.5化为轻度污染、0.5-0.7化为中度污染、0.7-1化为重度污染。在实际采样过程中，对轻、中、重区域分别以更细化的格网划分，以不大于30m×30m、20m×20m、10m×10m，高低浓度值变化较大的过度区域因变异较大，适当加大样本量，沿着土壤污染物含量变化的方向布设加密样点，布点结果如图4。
7.加密效果验证
预留轻、中、重污染程度下的采样点数据，对剩余加密采样点与初步调查采样点数据进行克里金插值，得出加密布点后污染物空间变化趋势。对比预留点位浓度值与空间插值后形成的污染浓度范围，预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差不超过10％时，则认为此时初查和加密布点后的结果相对准确的反映了场地的污染情况。本实例研究的预留值与预测值的结果在其范围内，本例不在重复加密。
8、场地土壤环境损害实物量计算
记录最后确定区域拐点经纬度坐标如图5所示，计算土壤环境污染区域的实物量即土壤污染面积和体积。另外，本次实例验证根据0-20cm采样深度的土壤进行实物量量化。依次类推，在不同采样深度层时，首先得到每一土层的最终污染区域；根据每一土层的污染区域计算待修复面积，结合每一土层对应的污染物迁移深度，计算所述每一采样深度下土壤污染体积；将不同采样土壤层的污染体积进行加和，得到所述污染场地土壤环境损害的实物量。
Claims (8)
1.一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于：
步骤1：预测土壤环境损害污染物清单；
步骤2：判断可能的污染源、污染物的迁移途径，制定土壤环境损害初步调查方案；
步骤3：进行网格采样布点，采样点位布设在网格中心位置，网格间小于等于40m×40m，采集土样记录地理信息坐标，进行实验室检测分析，建立采样点位特征污染物土壤污染数据库；
步骤4：对特征污染物数据进行常规描述性分析，判定是否存在超过背景值或修复目标值的局部超标区域，如存在，以土壤背景值或修复目标值作为阈值进行指示克里金插值，预测场地土壤大于土壤背景值或修复目标值的概率，进而获取特征污染物在不同土层中的污染概率分布；
步骤5：对初步调查数据进行克里金插值，获得超标特征污染物含量的空间变异趋势，对比特征污染物背景值或修复目标值得出超过背景值或修复目标值的污染区域；
步骤6：对比特征污染物污染概率范围与克里金插值后超过背景值或修复目标值的污染区域面积范围契合性，确定此时的污染概率值为污染概率阈值，高于污染概率阈值的区域为超标区域，根据超标区域污染概率分布与超标特征污物空间变异情况，对超标区域进行分梯度格网细化污染详查加密布点；
步骤7：预留不同污染梯度下采样点数据，对剩余加密采样点与初步调查采样点数据进行克里金插值，得出加密布点后污染物空间变异趋势；
步骤8：利用预留点位对克里金插值结果准确度进行验证，若预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差不超过10％，则记录此时的污染区域空间位置和实物量，用于后续修复施工；否则，重复步骤5、6、7，直至预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差10％以内。
2.根据权利要求1所述的一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于，在所述的步骤2中，土壤环境损害初步调查方案包括：采样点位置选择、采样点位间隔大小、采样深度、采样点数目。
3.根据权利要求1所述的一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于，在所述的步骤3获取场地各个采样点位的地理信息坐标(xi，yj)(i，j＝1，2，……，n)、污染物浓度值Z(Xi)(i＝1，2，……，n)，并记录每层采样土层深度H1，H2，……Hn(i＝1，2，……，n)。
4.根据权利要求1所述的一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于，在所述的步骤4基于指示克里金插值方法计算土壤污染概率，步骤如下：
1)将污染物浓度值转换为基于某阈值的指示值，如式(1)，假设在研究区S内，参考背景值或修复目标值设置某特征污染物修复目标值为Zc，则在S内每一个样点Xi∈S(i＝1，2，……，n)上定义一个Zc的如下阶梯函数：
2)预测单点位置或区域的累积污染概率，如式(2)和式(3)：
式中：P(X0；ZC|(n))是点X0处不超过Zc的累积概率；P(X；ZC|(n))是区域S处不超过Zc的累积概率；λi是第i个指标值的权重；
3)将λi带入公式(2)或公式(3)即可得到不超过Zc的累积概率；其中λi是指示克里金无偏、最小方差条件小求得。即，
式中C(Xi,Xj)是Z(Xi)和Z(Xj)的协方差函数，μ为拉格朗日乘子；C(xi，xj)＝Var[Z(xi)-Z(xj)]，Var表示方差，i，j＝1，2，……，n。
5.根据权利要求1所述的一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于，所述的步骤4和步骤5中，分析污染物数据特征，对于不符合正态分布的数据根据需要进行对数或者幂指数变换，计算各点位特征污染物超标倍数
Z(Xi)为采样点第i(i＝1，2，……，n)个特征污染物浓度值；Zc为采样点特征污染物的背景值或修复目标值；基于克里金插值方法预测区域污染物空间变化趋势，是由已知采样点预测未知点从而形成污染物浓度由低到高的空间分布情况，即
其中，Z(X0)为待预测的未知点，Z(Xi)为采样点第i(i＝1，2，……，n)个特征污染物浓度值、λi待定权重系数；超过背景值或修复目标值则为受到污染，划定背景值或修复目标值的区域污染区域。
6.根据权利要求5所述的一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于，所述的步骤6中，超过背景值或修复目标值则为受到污染，以初步调查克里金插值结果上划定污染区域作为对照组，然后将指示克里金插值结果的污染概率划分为不同概率区间，分析不同概率区间与对照组的契合性，通过面积契合性对比，确定此时的概率区间值为污染概率阈值Q；污染概率P的取值范围为0～1,污染概率Q<P<1的区域超标区域。
对超标区域进行分梯度细化格网化污染详查加密布点，根据超标区域污染概率与超标污染物分布将超标区域划分为污染程度的轻、中、重区域，对不同污染程度的土壤进行格网细化分别小于等于30m×30m、小于等于20m×20m、小于等于10m×10m，高低浓度值变化较大的过度区域因变异较大，适当加大样本量，沿着土壤污染物含量变化的方向布设加密样点。
7.根据权利要求1所述的一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于，所述的步骤7中，预留不同污染梯度下的采样点数据是指污染区域的轻度、中度、重度区域各预留部分采样点数据，目的是验证加密布点后克里金插值方法预测的污染变异趋势的准确性。
8.根据权利要求1所述的一种鉴定评估土壤环境损害实物量的加密优化布点方法，其特征在于，所述的步骤8中，对比步骤7中预留点位浓度值与空间插值后形成的污染浓度范围，预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差不超过10％时，则认为此时初查和加密布点后的结果相对准确的反映了场地的污染情况；确定土壤污染的位置记录污染区域拐点坐标，并根据土壤损害污染区域确定土壤修复实物量，即计算每一采样层超标面积和体积；若预留点位浓度值所对应预测点位浓度值相差超过10％时，则考虑在原来加密布点的基础上在超标区域大的地方增加样点或更细化格网大小进行加密布点。
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