張曉芒
近年來,土壤環(huán)境污染治理日漸成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容。特別是在打好打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的進(jìn)程中,廣東土壤污染防治工作循序漸進(jìn),凈土保衛(wèi)戰(zhàn)扎實(shí)推進(jìn)。為了弄清較大范圍區(qū)域內(nèi)土壤污染狀況,從而制定出科學(xué)合理的治理方案遏制土壤污染態(tài)勢,則需要以精細(xì)化的土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)作為根本依據(jù)。然而放眼國內(nèi)外,竟無成熟的全流程精準(zhǔn)智能化、常態(tài)化土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)可供借鑒。
面對難啃的“硬骨頭”,廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心“不畏難、敢為先”,組織科研項(xiàng)目組刻苦攻關(guān),通過近十年研究探索,將技術(shù)研發(fā)、平臺(tái)構(gòu)建和應(yīng)用實(shí)踐緊密結(jié)合,系統(tǒng)開展了以精細(xì)化點(diǎn)位布設(shè)、精準(zhǔn)化過程質(zhì)控和智能化結(jié)果評估為核心內(nèi)容的多尺度土壤環(huán)境智慧監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范應(yīng)用。研究成果在“國家—省—市—重點(diǎn)縣區(qū)”四個(gè)層次獲得廣泛推廣應(yīng)用,并于2023年5月榮獲“廣東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng),取得了顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
從0到1 構(gòu)建省級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
自2016年國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(“土十條”)后,廣東便扎實(shí)開展了以“立足省情、整合資源、把控質(zhì)量、謀劃特色”為主要宗旨的土壤污染狀況詳查。也正是在工作過程中受現(xiàn)有監(jiān)測水平制約,廣東省生態(tài)環(huán)境廳逐漸意識到一定要盡快建立起精準(zhǔn)化、全流程的土壤環(huán)境監(jiān)測體系。“水、氣都有成熟的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),土壤監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)也要建起來!”廣東省生態(tài)環(huán)境廳相關(guān)負(fù)責(zé)人在“十三五”初期明確提出了這樣的要求,廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心隨即組織項(xiàng)目組著手開展相關(guān)研究。
然而,據(jù)該項(xiàng)目組組長謝志宜介紹,當(dāng)時(shí)廣東省乃至全國土壤環(huán)境監(jiān)測尚處于起步階段,監(jiān)測技術(shù)滯后。國內(nèi)生態(tài)環(huán)境、自然資源、農(nóng)業(yè)農(nóng)村等相關(guān)部門也各自開展過一些土壤環(huán)境調(diào)查工作,但均以一次性調(diào)查為主,點(diǎn)位密度同樣依靠專家經(jīng)驗(yàn),而國內(nèi)高校、科研院所開展的相關(guān)研究則更為“微觀”,難以服務(wù)于宏觀決策。當(dāng)時(shí)國外也并無成熟技術(shù)可借鑒,國外土地大都以私有化為主,當(dāng)?shù)卣畬用嫱鶅H需開展一次性專項(xiàng)調(diào)查,布點(diǎn)密度也主要依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)定,借鑒意義并不大?!翱梢赃@么說,想要在全國、全省這種大范圍內(nèi)開展土壤環(huán)境常規(guī)監(jiān)測,還有諸多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破,我們需要從0到1、從無到有,自己一點(diǎn)點(diǎn)摸索。”謝志宜如是說。
“這項(xiàng)研究的難點(diǎn)主要有三,一是空間異質(zhì)性條件下,土壤環(huán)境質(zhì)量難以準(zhǔn)確表征、監(jiān)測成本與監(jiān)測精度難以協(xié)同調(diào)控、空間差異與監(jiān)測尺度難以精準(zhǔn)匹配;二是土壤環(huán)境監(jiān)測以手工監(jiān)測為主,鏈條長步驟多,出現(xiàn)問題難溯源,缺乏規(guī)范的全過程精準(zhǔn)質(zhì)控體系以降低偶然誤差;三是現(xiàn)有技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)時(shí)空異質(zhì)性和非線性錯(cuò)綜交互下,環(huán)境質(zhì)量多目標(biāo)協(xié)同定量精準(zhǔn)評估及預(yù)測?!敝x志宜介紹說。
簡單說來,就是土壤環(huán)境質(zhì)量受各種因素影響,就算是同一區(qū)域土壤,質(zhì)量也存在較大差異化,這就使定量布點(diǎn)顯得頗有難度。當(dāng)時(shí),水、氣環(huán)境監(jiān)測早已擁有成熟的布點(diǎn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了采樣自動(dòng)化,然而土壤環(huán)境監(jiān)測還是需要人工采樣監(jiān)測,這個(gè)過程中,極易產(chǎn)生誤差,在常規(guī)監(jiān)測過程中難以實(shí)現(xiàn)全過程精準(zhǔn)質(zhì)控。監(jiān)測結(jié)果最終要形成評估報(bào)告,為相關(guān)部門精準(zhǔn)掌握區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量從而進(jìn)行下一步工作服務(wù),為了保證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性,除考慮原始監(jiān)測數(shù)據(jù)外,還要建立更為立體的評估模型,需要考慮到可能會(huì)影響評估結(jié)果的方方面面的因素。
事不避難,知難不難。“圍繞研究目標(biāo),我們決定在多尺度融合點(diǎn)位優(yōu)化布設(shè)技術(shù)、全流程精準(zhǔn)質(zhì)量控制技術(shù)、多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估與預(yù)測理論和方法體系三個(gè)方面需求技術(shù)突破?!表?xiàng)目組思路清晰,始終抓住關(guān)鍵問題,開始了他們?nèi)缁鹑巛钡墓?jiān)克難之旅。就這樣,廣東在“十三五”初期就啟動(dòng)了相關(guān)研究工作,成為全國第一個(gè)開展精細(xì)化省級土壤環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的省份。
迎難而上 三大難點(diǎn)逐一攻克
對應(yīng)土壤環(huán)境常規(guī)監(jiān)測的三大難點(diǎn),就要做到——環(huán)境質(zhì)量“說得清”、數(shù)據(jù)質(zhì)量“管得住”、污染趨勢“估的準(zhǔn)”。
“我們創(chuàng)新提出了‘多目標(biāo)協(xié)同調(diào)控的土壤環(huán)境監(jiān)測理論框架,基于這個(gè)框架建立起多尺度融合點(diǎn)位優(yōu)化布設(shè)技術(shù)。”項(xiàng)目組骨干成員羅小玲介紹說,該技術(shù)優(yōu)化了布點(diǎn)的精度和密度,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測點(diǎn)位密度與精度、監(jiān)測成本和空間尺度的有效協(xié)同。
一個(gè)點(diǎn)位究竟可以代表多大區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量?“我們平時(shí)看電子地圖也是采用不同的分辨率,自然是分辨率越大看得越清楚。對應(yīng)到土壤監(jiān)測的點(diǎn)位布設(shè),則是布點(diǎn)尺度越小,最后呈現(xiàn)的結(jié)果越精準(zhǔn)?!绷_小玲指著辦公室墻上一副不同尺度點(diǎn)位布設(shè)下形成的監(jiān)測圖告訴筆者,“在我們廣東省土壤環(huán)境監(jiān)測體系中,1公里×1公里的點(diǎn)位布設(shè)是最精細(xì)的,但布點(diǎn)越精細(xì),監(jiān)測成本也越大,我們必須根據(jù)實(shí)際監(jiān)測需求,采用不同的布點(diǎn)方案?!?/p>
項(xiàng)目組首次將非線性科學(xué)的數(shù)學(xué)分支“分形幾何理論”應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測布點(diǎn)技術(shù)研究,研發(fā)空間分形點(diǎn)位優(yōu)化布設(shè)方法;通過自舉聚合方式集成空間分形法、Cochran經(jīng)典公式法、空間抽樣法、空間表征法、交叉驗(yàn)證法、獨(dú)立驗(yàn)證法等6種方法進(jìn)行最優(yōu)點(diǎn)位密度識別與確定;結(jié)合逐級兼容布點(diǎn),實(shí)現(xiàn)省域-市域-縣域3種尺度點(diǎn)位的差異化布設(shè)與融合,打通了該項(xiàng)研究最大的“難點(diǎn)”,土壤環(huán)境質(zhì)量從此“說得清”。“多尺度點(diǎn)位定量差異化布設(shè)技術(shù)”也正是該研究中“含金量”最高的地方,用謝志宜的話來說,“它是整個(gè)土壤環(huán)境監(jiān)測過程的起點(diǎn)”。
據(jù)進(jìn)一步了解,在具體實(shí)踐中,國家網(wǎng)最終選定8公里×8公里網(wǎng)格作為省域尺度布點(diǎn)方案,正是參考了廣東省的基礎(chǔ)研究成果,該尺度既能較為詳細(xì)全面地反映全省土壤環(huán)境質(zhì)量狀況,又能將監(jiān)測成本控制在合理范圍內(nèi),可以說是在“又精準(zhǔn)又省錢”中間找到了一個(gè)平衡點(diǎn)。而廣東省在省級網(wǎng)的建設(shè)中,分別采用1公里×1公里~4公里×4公里網(wǎng)格作為市域尺度布點(diǎn)方案,對21個(gè)地級以上市實(shí)行差異化布點(diǎn)。其中,比較特殊的城市是深圳,由于該市城市化建設(shè)進(jìn)程較快,區(qū)域內(nèi)很少有連片的土壤,形成了所謂的城市土壤空間的“破碎化”,這類“破碎化”嚴(yán)重的區(qū)域需要采用1公里×1公里的點(diǎn)位布設(shè)方案。此外,國家級產(chǎn)糧大縣對耕地土壤質(zhì)量有更高的要求,這些區(qū)域也需要采用1公里×1公里的點(diǎn)位布設(shè)方案。
全流程監(jiān)測過程中可能存在哪些誤差?據(jù)項(xiàng)目組骨干成員梁耀杰介紹,點(diǎn)位布設(shè)方案確定后,需要監(jiān)測人員前往各個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行人工采樣,“不少采樣點(diǎn)附近地形復(fù)雜,采樣人員是否能完全到達(dá)坐標(biāo)點(diǎn),這是一個(gè)問題?!辈蓸咏Y(jié)束后,樣本還有個(gè)運(yùn)輸流轉(zhuǎn)過程,這個(gè)過程中,土壤樣本中的一些物質(zhì),特別是有機(jī)物,可能會(huì)揮發(fā),從而導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生偏差。樣本送往各個(gè)實(shí)驗(yàn)室后,不同實(shí)驗(yàn)室的檢測結(jié)果也可能會(huì)造成最終數(shù)據(jù)上的偏差。
針對這些問題,又是怎么解決的呢?“根據(jù)一線采樣工作實(shí)際情況,我們擴(kuò)大了有效坐標(biāo)范圍,以點(diǎn)位坐標(biāo)為圓心、30米為半徑的圓形區(qū)域?yàn)椴蓸佑行^(qū)域。同時(shí),廣東省土壤環(huán)境監(jiān)測采樣手持終端的地圖具備離線功能,采樣人員即使進(jìn)入沒有通訊信號的區(qū)域也能精確找到坐標(biāo)點(diǎn)?!睋?jù)梁耀杰介紹,生態(tài)環(huán)境部2019年在廣東建立了華南區(qū)域土壤樣品制備與流轉(zhuǎn)中心,該中心是華南地區(qū)規(guī)模最大、設(shè)備最先進(jìn)、土壤制樣能力最強(qiáng)的高標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代化土壤樣品制備中心?!霸撝行牡木唧w工作由我們廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心承擔(dān),我們采集的土壤樣本也通過該中心完成制備與流轉(zhuǎn),形成了地方采樣、集中制樣、盲樣編碼、異地分析的業(yè)務(wù)工作模式,從而保證樣品制備、流轉(zhuǎn)及測試過程的質(zhì)量和效率?!?/p>
土壤環(huán)境質(zhì)量評估為什么要考慮這么多因素?主要是影響土壤環(huán)境質(zhì)量的因素實(shí)在是太多了,除了土壤自身特性之外,人類活動(dòng)、自然環(huán)境均對其產(chǎn)生影響,且這項(xiàng)影響是“動(dòng)態(tài)”的。因此,設(shè)置土壤環(huán)境質(zhì)量評估因子時(shí)需要考慮加入多個(gè)方面的內(nèi)容。提升評估預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是土壤環(huán)境質(zhì)量評估預(yù)測技術(shù)的核心。為此,項(xiàng)目組構(gòu)建了“多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估與預(yù)測方法體系”,實(shí)現(xiàn)了區(qū)域土壤污染預(yù)警、未來趨勢預(yù)測和決策智能化。
“我們與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所聯(lián)合攻關(guān),從各個(gè)方面尋求技術(shù)突破,首先融合生態(tài)環(huán)境和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境遙感、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)、污染源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)時(shí)空大數(shù)據(jù),建立了‘多維環(huán)境大數(shù)據(jù)源-匯關(guān)聯(lián)解析模型;其次融合多源環(huán)境質(zhì)量累積、多介質(zhì)傳遞和多途徑暴露過程,構(gòu)建了基于帕累托最優(yōu)的‘多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估模型。這兩個(gè)模型的構(gòu)建,解決了針對空間異質(zhì)性和多維環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)疊加影響下土壤環(huán)境質(zhì)量定量評估的難題?!绷_小玲詳細(xì)介紹道,“此外,還要采集研究區(qū)域多年土壤環(huán)境、污染源、施肥灌溉、自然背景、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)并分層存入知識庫,輔以土壤重金屬專家知識及行業(yè)調(diào)研經(jīng)驗(yàn),構(gòu)建土壤重金屬污染源解析知識圖譜,從中提取數(shù)據(jù)實(shí)體、關(guān)聯(lián)關(guān)系及實(shí)體屬性等信息應(yīng)用于土壤重金屬預(yù)測模型訓(xùn)練、測試及應(yīng)用等過程,從而逐步構(gòu)建起土壤重金屬含量時(shí)空預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)的土壤重金屬含量未來時(shí)空格局和演變趨勢預(yù)測?!?/p>
邊研究邊實(shí)踐,三大難題被項(xiàng)目組逐一攻克。在這個(gè)過程中,研究人員付出的辛勤勞動(dòng),不足以為外人道。用梁耀杰的話來說,“加班加點(diǎn),封閉幾天集中研究,都是家常便飯。辛苦的不僅是我們,省站和地市采樣人員在布點(diǎn)采樣的過程中吃的苦更多,在野外環(huán)境下,中暑、遇到毒蛇、被馬蜂蟄時(shí)有發(fā)生,山間突遇雷雨天氣甚至有生命危險(xiǎn)?!?/p>
高效智能
AI平臺(tái)賦能智慧決策
十年磨一劍,一朝試鋒芒。多年來,結(jié)合著業(yè)務(wù)工作的開展,項(xiàng)目成果也得到進(jìn)一步優(yōu)化完善。最終,研究成果集成相關(guān)技術(shù),建成了廣東省土壤環(huán)境智慧監(jiān)管平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程及管理過程的可視化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智慧化,也使關(guān)鍵技術(shù)的規(guī)范化推廣得到實(shí)現(xiàn)。
據(jù)了解,在可視化方面,該平臺(tái)通過多功能攝像、無人機(jī)影像、全景影像、GIS地圖等可視化技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測過程、環(huán)境質(zhì)量點(diǎn)面域分布、重點(diǎn)監(jiān)管單位企業(yè)影像等方面實(shí)現(xiàn)可視化操作與管理。
系統(tǒng)化方面,則是集成了廣東省建設(shè)用地監(jiān)管系統(tǒng)、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)庫、土壤污染防治決策及展示平臺(tái)、土壤污染預(yù)警系統(tǒng)和土壤環(huán)境監(jiān)測已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)等不同功能模塊,實(shí)現(xiàn)了土壤環(huán)境全流程監(jiān)測業(yè)務(wù)一體化集成和廣東省建設(shè)用地全生命周期管理。
標(biāo)準(zhǔn)化方面,項(xiàng)目組攻克精細(xì)化布點(diǎn)技術(shù)難題建立的多尺度融合點(diǎn)位優(yōu)化布設(shè)技術(shù)被中國環(huán)境監(jiān)測總站采納應(yīng)用于國家《“十三五”土壤環(huán)境監(jiān)測總體方案》;同時(shí),《廣東省土壤環(huán)境點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范(試行)》相繼出臺(tái)。上述技術(shù)規(guī)范推動(dòng)了廣東省土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測工作的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。
智慧化方面,實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)協(xié)同評估和時(shí)空源匯關(guān)系同步預(yù)測預(yù)警?!拔覀儤?gòu)建的相關(guān)模型也是國內(nèi)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域首個(gè)在典型區(qū)域成功預(yù)測預(yù)警土壤重金屬污染情況的模型?!敝x志宜自豪地表示,這個(gè)模型從根本上改變了監(jiān)測與管理脫節(jié)的現(xiàn)狀,應(yīng)用于廣東省土壤污染防治日常監(jiān)管工作,為土壤污染防治攻堅(jiān)提供多目標(biāo)評估和智能預(yù)測預(yù)警等決策支持服務(wù),實(shí)現(xiàn)了土壤環(huán)境監(jiān)管的感知高效化、數(shù)據(jù)集成化、分析關(guān)聯(lián)化、應(yīng)用智能化和測管一體化。
“我們的研究成果注重科技與政策、業(yè)務(wù)高效結(jié)合,始終圍繞著為實(shí)際業(yè)務(wù)工作服務(wù)的目標(biāo),十分‘接地氣,同時(shí)也具備很強(qiáng)的創(chuàng)新性,形成了新一代土壤環(huán)境質(zhì)量智慧監(jiān)測的理論框架-核心技術(shù)-應(yīng)用平臺(tái),促進(jìn)了土壤環(huán)境智慧監(jiān)測技術(shù)的跨越發(fā)展。特別是布點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了差異化定量布點(diǎn),突破以往土壤監(jiān)測技術(shù)的諸多局限,多目標(biāo)土壤環(huán)境質(zhì)量智能評估與預(yù)測技術(shù)也填補(bǔ)了土壤環(huán)境質(zhì)量時(shí)空同步趨勢預(yù)測的技術(shù)空白?!敝x志宜進(jìn)一步總結(jié)道,“在成果應(yīng)用效果方面,我們構(gòu)建的全國第一個(gè)土壤環(huán)境質(zhì)量預(yù)測預(yù)警AI平臺(tái),在廣東省21個(gè)地級以上市和重點(diǎn)區(qū)縣推廣應(yīng)用;創(chuàng)建的多尺度融合布點(diǎn)技術(shù)被中國環(huán)境監(jiān)測總站采納應(yīng)用于國家《‘十三五土壤環(huán)境監(jiān)測總體方案》,被陜西、湖南、海南等多個(gè)省份采納應(yīng)用于省級網(wǎng)布點(diǎn)工作,推動(dòng)了國家和地方土壤環(huán)境常態(tài)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)‘從無到有的跨越發(fā)展?!?/p>
下一步,除加強(qiáng)土壤監(jiān)測自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)外,項(xiàng)目組又將目光投向了土壤污染狀況“溯源”領(lǐng)域。此項(xiàng)研究能讓監(jiān)測人員在紛繁復(fù)雜的土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)中“順藤摸瓜”找到污染源,這對厘清污染責(zé)任有重大意義——這也相當(dāng)于為土壤環(huán)境質(zhì)量管理形成了監(jiān)測工作方面的“閉環(huán)”。同時(shí),項(xiàng)目組還希望通過進(jìn)一步技術(shù)研發(fā),在完成土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測工作的同時(shí),能掌握全省土壤碳匯情況,進(jìn)一步為“雙碳”目標(biāo)服務(wù)。