于汧卉,王洪林,史江臣,付 和,張 璐,翟欣雅

(1. 中色藍圖科技股份有限公司,北京 101300; 2. 河北中色測繪有限公司,河北 廊坊 065201)

土壤是人類生存和發(fā)展最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一,同時也是人們進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的重要資源。重金屬污染具有長期性、累積性、潛伏性及不可逆性等特點,對土壤、地下水、微生物、植物等生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴重威脅[1-2]。隨著工業(yè)和城市化的快速發(fā)展,土壤重金屬污染已成為嚴重的環(huán)境問題,其通過大氣、揚塵、水體、食物鏈等途徑直接或間接威脅人類的健康甚至生命[2-5]。

土壤安全是國家糧食安全和人類健康的根本保障。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署已將砷、汞、鉛、鋅、銅、鎳、鎘、鉻8種重金屬元素列為優(yōu)先控制污染物[6]?？茖W的土壤重金屬污染評價方法能較好地評價土壤中重金屬污染的程度或空間分布、相應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)等,是保障生態(tài)健康的基礎(chǔ)[7]。

針對上述優(yōu)先控制污染物,目前常用的土壤重金屬污染評價模型按照評價對象可歸納為兩類:評價單個污染因子污染程度的單因子指數(shù)模型和評價多種污染因子共同污染的綜合評價模型[8-9]。研究人員在開展土壤重金屬評價時往往只使用一種評價模型,導(dǎo)致結(jié)果唯一,無法根據(jù)研究區(qū)實際情況對評價模型進行擇優(yōu)選擇。且以往調(diào)查評價工作屬于小比例尺,樣品采集數(shù)量有限,受數(shù)據(jù)可得性限制,又由于重金屬在土壤中遷移緩慢。因此,在數(shù)據(jù)分散或難以獲得目標點實測值的條件下,依據(jù)采樣點數(shù)據(jù)直接開展重金屬污染評價,無法準確、精細地評價研究區(qū)整體污染狀況。在評價結(jié)果可視化方面,目前主要采用國外商業(yè)地圖或分析軟件(如ArcGIS、Spass等)。雖然這些軟件成熟、優(yōu)勢明顯,但也存在一些突出問題,如核心技術(shù)不可控、信息數(shù)據(jù)安全存在隱患等。

為此,本文首先采用克里金法對采樣點數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化,估計其在地表上的分布;然后構(gòu)建面域內(nèi)多種重金屬污染評價模型,可根據(jù)不同的重金屬污染指標特性選擇合適的插值精度進行土壤重金屬污染評價;最后將公式程序化,結(jié)合開源WebGL技術(shù),對重金屬分布、污染評價結(jié)果進行分級顯示,完成結(jié)果的高效可視化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三河市位于河北省中東部,廊坊市北部,東與天津市薊州區(qū)交界,北與北京市平谷區(qū)接壤,西北與北京市順義區(qū)為鄰,西隔潮白河與北京市通州區(qū)相望,西南與大廠回族自治縣毗鄰,南與香河縣接壤,東南與天津市寶坻區(qū)相鄰,在京津冀一體化和環(huán)渤海經(jīng)濟圈中居重要地位。海拔范圍為30～526.8 m。西北部為孤山丘陵,海拔為30～89.3 m;山前平原區(qū)地勢平坦,西北高東南低,海拔為10～30 m,坡降1/1000～1/3000;東南部為沖洪積扇前洼地,海拔為5.9～10.0 m,坡降小于1/3000?？偟貏菥哂斜备吣系偷内厔?可劃分為兩個地貌單元。

(1)新構(gòu)造斷塊山地與丘陵,分布于市域東北部的蔣福山及西北部的孤山地區(qū),由巨厚的緩傾斜碳酸鹽巖地層構(gòu)成,巖溶發(fā)育,山區(qū)有溶蝕漏斗形成的山間盆地,并被深邃的隘谷、嶂山所切,相對高差達50～500 m之多。山地周邊被剝蝕堆積臺地所圍,臺地高差為15～30 m。

(2)山前沖洪積平原,分布于市域北部南楊莊-皇莊鎮(zhèn)以北廣大地區(qū)。潮白河、鮑丘河、泃河3條河流縱穿而過,河床切割深度為2～10 m,由南向北逐漸加大;兩河之間為高出現(xiàn)代河床5～10 m的Ⅲ級臺地,其次為高出河床3～5 m的Ⅲ級階地及古河道,以及高出河床1.5～3 m的超河漫灘Ⅲ級階地?；是f鎮(zhèn)以南為山前沖洪積扇的扇前洼地,海拔為5～10 m。

研究區(qū)土層深厚,土壤類型多樣,墾殖率較高,農(nóng)、林、牧、漁為主的土地占總土地面積的66.6%。土壤類別為輕壤質(zhì)潮土,土壤肥沃,適宜多種北方農(nóng)作物生長,農(nóng)作物主要有小麥、玉米、高粱、棉花、大豆、花生等,其位于中朝準地臺(Ⅰ級)華北斷拗與燕山臺褶帶(Ⅱ級)的交接地區(qū),冀中臺陷Ⅲ級構(gòu)造單元的北部,橫跨6個Ⅳ級構(gòu)造單元,即順義斷凹、大興斷凸、大廠斷凹、寶坻斷凸、邦均斷凹、福山斷凸。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 樣品采集

在收集、整理三河市以往土地利用類型調(diào)查、土壤環(huán)境綜合質(zhì)量調(diào)查等各項工作成果基礎(chǔ)上,以黃土莊鎮(zhèn)和段甲嶺鎮(zhèn)兩個鎮(zhèn)為重點,根據(jù)研究區(qū)耕地分布狀況、地質(zhì)單元、成土母質(zhì)分區(qū)、以往污染點分布、水文地質(zhì)條件等要素進行采樣點部署,按照《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(NY/T 1634-2008)規(guī)范,黃土莊鎮(zhèn)和段甲嶺鎮(zhèn)耕地面積約50 km2,按照密度為1～3點/km2,平均2點/km2部署采樣點,并根據(jù)農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景和現(xiàn)有污染源進行適當調(diào)整,共設(shè)計淺層(0～20 cm)采集樣品100個,每個樣品由4個分樣組成,共計400個小樣。其中,水澆地70件、旱地9件、(果)園地21件。根據(jù)農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景分區(qū)、污染分布現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃,采集深層樣品5處,深度1.5 m,每點按照20～30 cm的深度間隔,采集5個樣品,共計25件樣品,樣品采樣點位如圖1所示。

圖1 野外樣品采集點位

1.2.2 樣品測定

樣品測定將選擇具有國際和國內(nèi)雙認證資質(zhì)的實驗室進行。為保證分析樣品的準確性,除實驗室已經(jīng)過CMA認證,儀器按照規(guī)定定期校正外,在進行樣品分析時,還對各環(huán)節(jié)進行質(zhì)量控制,隨時檢查和發(fā)現(xiàn)分析測試數(shù)據(jù)是否受控(主要通過標準曲線、精密度、準確度等)。監(jiān)測項目分析方法見表1。

表1 監(jiān)測項目分析方法

1.3 重金屬污染評價方法

1.3.1 克里金法

克里金法是一種考慮數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計特征的插值方法,它利用從樣本屬性計算的半變異函數(shù)對整個空間的空間變異性進行插值,該方法能量化采樣點之間的空間自相關(guān)性,以確定樣本數(shù)據(jù)之間的距離對插值屬性值的作用[10-12]。克里金法由于其無偏特性和相對于其他方法在地質(zhì)統(tǒng)計技術(shù)中的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用[2]。首先使用克里金法對采樣點重金屬濃度的空間分布進行插值?？死锝鸱肪€如圖2所示。然后依據(jù)插值得出的研究區(qū)內(nèi)各格網(wǎng)中心點的參數(shù)值,分別采用以下3種評價模型開展土壤重金屬污染評價。

圖2 克里金法路線

1.3.2 單因子評價模型

以重金屬含量值和評價標準相比以除去量綱計算單因子污染指數(shù),公式[11]為

(1)

式中,Pi為重金屬元素i的污染指數(shù),量綱為1;Ci為重金屬含量值(mg/L);SI為土壤環(huán)境質(zhì)量標準值。

1.3.3 內(nèi)梅羅指數(shù)模型

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)[8]為

(2)

(3)

權(quán)重w按重金屬對環(huán)境的影響程度分成3類,因一類、二類、三類微量元素環(huán)境重要性逐漸下降,分別賦值為3、2、1作為權(quán)重。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標準見表2。

表2 土壤綜合污染程度分級標準

1.3.4加權(quán)平均指數(shù)模型

加權(quán)平均指數(shù)模型是通過設(shè)置各重金屬加權(quán)值進行評價的綜合性評價方法?？蓪?種重金屬權(quán)重進行設(shè)置,權(quán)重之和為1,公式[13]為

PI=∑ωi(Ci/Si)

(4)

式中,PI為土壤重金屬綜合污染指數(shù);ωi為污染因子的權(quán)重;Ci為土壤污染物i的實測濃度;SI為污染物i的評價標準。

1.4 可視化方法

WebGL 技術(shù)是一種三維繪圖標準,不需要通過安裝渲染插件即可進行網(wǎng)頁的模型加載及渲染。WebGL技術(shù)以其高效的可移植性和交互性開創(chuàng)了HTML交互式繪圖技術(shù)的新紀元,具有無插件、硬件加速、瀏覽器兼容性好等優(yōu)點。盡管該技術(shù)目前還處于發(fā)展中,但其發(fā)展的潛力巨大,具有強勁的發(fā)展勢頭[14-15]。

本文將評價公式程序化,并結(jié)合開源WebGL技術(shù),對重金屬分布情況、面域污染狀況進行分級顯示,完成結(jié)果的高效可視化。其中,WebGL可視化渲染流程如圖3所示。

圖3 渲染流程

1.5 系統(tǒng)實現(xiàn)

采用CSK(client-server-kernel)模式,即客戶端-服務(wù)層-核心層3層體系架構(gòu)?？蛻舳酥饕瓿膳c用戶的交互任務(wù),服務(wù)層主要負責數(shù)據(jù)的管理,核心層主要實現(xiàn)解析運算、渲染等工作。該架構(gòu)交互性強、具有安全的存取模式,且響應(yīng)速度快。開發(fā)過程中采用前后端分離的開發(fā)方法,易于代碼的維護,提高開發(fā)效率。后臺使用JavaScript語言進行開發(fā),采用Express開源框架,前端使用JavaScript腳本語言進行開發(fā)。

核心代碼使用C++編寫,通過Node使用V8引擎的方式調(diào)用C++,保證了超大規(guī)模運算的高效及系統(tǒng)運行的安全。

2 結(jié)果與討論

結(jié)合上述重金屬污染評價與可視化方法,開展研究區(qū)土壤重金屬污染評價及其可視化。

2.1 研究區(qū)重金屬分布

研究區(qū)8種土壤重金屬含量在不同插值精度下(以插值精度1000和200 m為例)的空間分布情況如圖4-圖5所示。

圖4 重金屬分布(插值精度為1000 m)

圖5 重金屬分布(插值精度為200 m)

2.2 研究區(qū)重金屬評價

2.2.1單因子評價模型評價重金屬污染

采用單因子評價模型對研究區(qū)進行土壤重金屬污染評價。以重金屬元素Cu、Hg為例,其可視化結(jié)果如圖6-圖7所示。

圖7 單因子評價結(jié)果(Hg)

2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)模型評價重金屬污染

采用內(nèi)梅羅指數(shù)模型對研究區(qū)進行土壤重金屬污染評價,其可視化結(jié)果如圖8所示。

圖8 內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果

2.2.3 加權(quán)平均指數(shù)模型評價重金屬污染

采用加權(quán)平均指數(shù)模型對研究區(qū)進行土壤重金屬污染評價,其可視化結(jié)果如圖9所示。

圖9 加權(quán)平均指數(shù)評價結(jié)果

3 結(jié) 語

本文將克里金法、多種重金屬評價模型及WebGL可視化技術(shù)結(jié)合,用戶可根據(jù)需求選擇更加貼合實際的評價模型和插值精度開展研究區(qū)土壤重金屬污染評價,具有較高的數(shù)據(jù)可得性,有利于評價研究區(qū)整體重金屬污染狀況,得出面域評價結(jié)果,其可視化成果可直觀地揭示土壤重金屬污染分布情況,增強了用戶與數(shù)據(jù)、模型之間的交互能力。

隨著越來越多的學者對重金屬污染評價方法進行深入研究,本文采用的克里金法和重金屬評價模型還有待改進、完善與擴充。尋得更優(yōu)、更具普適性的評價模型或方法將是下一步的研究方向。