基于现场快速检测技术的土壤采样优化策略
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的土壤污染物数据都是不连续的,常需要采用合理的
空间预测方法将分 散 的 土 壤 点 位 污 染 信 息 转 化 为 连
图 1 铬污染场地平面布置
Figure 1 Layout of the chromium-contaminated site
1. 2 采样与分析
调查分为现场快速检测分析和实验室采样分析
。 该技术可帮助研
位为 0. 91 ~ 1. 97 m,其周边存在皮革工业园、电镀厂等
的重金属快速检测 技 术 在 场 地 调 查 采 样 策 略 优 化 工
作中得到 越 来 越 广 泛 的 应 用
[ 6,7]
究人员快速识别场地污染范围和程度,及时调整采样
点位,适当减少实 验 室 分 析 样 品 数 量,节 约 调 查 成 本
by four spatial interpolation methods, including inverse distance weighted ( IDW ) , ordinary kriging ( OK) , local polynomial
interpolation ( LPI) , and radial basis function ( RBF) methods, aiming to compare their accuracy and feasibility on predicting
析成本。 最终根据实验室检测数据,分析快速检测技
术的准确性及采样优化策略的可靠性。
1 研究区域与方法
1. 1 研究区域概况
以湖南省某 污 染 场 地 为 研 究 对 象, 面 积 约 为 62
万 m 。 该场地 自 1966 年 建 厂 以 来 从 事 铬 矿 冶 炼 和
2
含 Cr 产品生产活 动,2006 年 后 停 止 生 产。 目 前 场 地
普通克里 金 法 ( OK) 、局 部 多 项 式 法 ( LPI) 和 径 向 基
函数法( RBF) 等 [ 12-17] 。 针 对 各 类 空 间 插 值 方 法 的 研
究虽然较多, 但 不 同 场 地 中 插 值 方 法 适 用 性 差 异 较
大
[ 18,19]
所不同
,每 种 方 法 的 插 值 精 度 和 空 间 识 别 能 力 均 有
[ ρ( Cr) = 65 mg / L] 对 仪 器 进 行 校 验。 根 据 现 场 快 速
检测结 果,实 验 室 采 样 分 析 阶 段 布 设 点 位 113 个,采
集表层土壤样品 送 至 实 验 室 检 测 总 铬 含 量。 检 测 方
法为 USEPA 6010D 原 子 发 射 光 谱 法,通 过 设 置 平 行
and Engineering, Southern University of Science and Technology,Shenzhen 518055, China;
2. School of Environment, Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China)
∗通信作者:许盛彬( 1990-) ,男,硕士,工程师,主要从事土壤污染调查和风险评估方面的研究。 xusb@ mail. sustech. edu. cn
164
第 38 卷
环 境 工 程
ห้องสมุดไป่ตู้
为此,以 X 射 线 荧 光 光 谱 分 析 ( XRF) 等 为 代 表
及铬砖堆放点分布于场地四周。 场地深度 0. 5 m 以内
样及空白样进行质量控制。
污染分布情况。 鲜 有 研 究 利 用 现 场 快 速 检 测 结 果 研
1. 3 研究方法
究不同插值结果的影响,并对实验室测试样品的点位
1. 3. 1 空间插值方法
数量和位置进行 优 化。 本 文 以 湖 南 某 污 染 场 地 表 层
在 ArcGIS 10. 3 软 件 平 台 中, 分 别 选 用 IDW 法、
内遗留露天原矿 场 数 座、冶 炼 生 产 车 间 数 座,铬 渣 堆
3) 快速检测技术可有效反映场地铬污染区域分布趋势。
关键词:土壤污染;铬;快速检测;空间插值;采样策略
DOI:10. 13205 / j. hjgc. 202012027
FIELD RAPID SCREENING TECHNOLOGY DRIVEN SOIL SAMPLING OPTIMIZATION
地污染相关的定 性 和 定 量 信 息 以 满 足 分 析 需 求。 邝
荣禧等 [ 11] 利用 便 携 式 XRF 快 速 测 定 矿 区 周 边 农 田
土壤 As、Pb 等 重 金 属 含 量, 发 现 该 法 与 传 统 实 验 室
测定值在空间上呈相似的分布规律。
此外,考虑到无论是实验室或现场快速检测获取
染分布 进 行 空 间 预 测。 IDW 法 基 于 相 近 相 似 的 原
件下最优的空间 插 值 方 法。 其 次 通 过 冗 余 点 分 析 对
值点的值;OK 法主要 基 于 半 方 差 函 数 对 空 间 进 行 插
实验室检测样品的布点进行优化,减少实验室检测分
值拟合,是一 种 典 型 的 统 计 学 算 法; LPI 法 采 用 多 个
收稿日期:2019-
[ 2-4]
。 通常,采样密度
础上,尽可能地减少经济成本 [ 5] 。
基金项目:国家重点研发计划项目“ 污染场地修复后土壤与场地安全利用监管技术和标准” ( 2018YFC1801400) 。
第一作者:胡清( 1964-) ,女,博士,教授,主要从事绿色可持续场地污染修复方面的研究。 huq@ sustech. edu. cn
Keywords: soil contamination; chromium; rapid screening technology; spatial interpolation; sampling approach
0 引 言
质
[ 1]
越大,污染物分布 范 围 刻 画 越 精 细,但 是 采 样 成 本 也
( 1. 南方科技大学 环境科学与工程学院 广东省土壤与地下水污染防控及修复重点实验室,广东 深圳 518055;
2. 哈尔滨工业大学 环境学院,哈尔滨 150090)
摘要:合理的土壤采样策略是精确刻画场地污染情况的关键。 以湖南某铬污染场地为研究对象,基于现场快速检测 数
据对反距离加权法( IDW) 、普通克里金法( OK) 、局部多项式法( LPI) 和径向基函数法( RBF) 4 种空间插 值 方 法 的 精 确
Abstract: A rational soil sampling approach is critical to accurately characterizing potentially contaminated sites. Rapid
element screening was applied to a case study for a chromium-contaminated site in Hunan Province. The results were processed
needed for laboratory analysis decreased from 245 to 113; and 3) the rapid screening technology was effective in evaluating
contamination distribution for chromium-contaminated sites.
The findings were as follows: 1) the results of predicted contaminated area evaluated by four spatial interpolation methods were
significantly different, the accuracy decreased in the qequence of IDW >RBF >OK >LPI; 2) the number of sampling locations
contaminated area. Then, the redundancy analysis was leveraged to determine the number of samples collected for laboratory
evaluation. Finally, the results of spatial interpolation between field rapid screening and laboratory analysis were compared.
土壤 是 不 均 匀 的, 具 有 高 度 空 间 变 异 性 的 介
会显著增加。 采样 策 略 优 化 的 实 质 就 是 探 求 精 度 与
。 土壤中污染物分 布 范 围 的 识 别 受 采 样 点 位 数
成本之间的平衡,即在不降低实验精度与准确性的基
量、位置和空间预测方法等影响
12 10
[ 20,21,13]
。
然而,目前对场地土壤污染空间预测主要基于实
验室检测结果后进行插值分析,进而得到整个场地的
检测分 析 阶 段 共 布 设 235 个 点 位, 使 用 XOS HD
量进 行 快 速 检 测,检 测 前 后 使 用 XOS 公 司 提 供 的
土壤 标 准 品 GSS-7 [ ρ ( Cr ) = 410 mg / L ] 和 GSS-13
土壤 重 金 属 铬 Cr 为 研 究 对 象,基 于 前 期 大 量 快 速 检
OK 法、LPI 法和 RBF 法 4 种 插 值 方 法 对 场 地 总 铬 污
种空间插值方法的适用性和精确度,筛选出该场地条
理,通过权重分配,将 更 大 的 加 权 值 分 配 给 更 接 近 插
测分析结果,研究 IDW 法、OK 法、LPI 法和 RBF 法 4
度和适用性进行了比较;通过冗余分析确定了实验室分析样品的布点数量;分析对比了实验室检测与快速检测空间 插
值结果。 结果表明:1) 不同空间插值方法对场地污染分布识别存在明显差异,适用性排 序 为 IDW 法 >RBF 法 >OK 法 >
LPI 法;2) 经基于快速检测阶段 235 个点位数据进行 的 采 样 策 略 优 化,需 送 往 实 验 室 分 析 的 采 样 点 位 减 少 至 113 个;
HU Qing 1 , TONG Li-zhi 2 , WANG Hong 1 , GUO Rui-cheng 1 , YANG Gang-ting 1 , XU Sheng-bin 1∗
( 1. Guangdong Provincial key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control, School of Environmental Science
续的场地污染分 布 信 息。 地 理 信 息 系 统 ( ArcGIS) 因
2 个阶段。 根据前期调研资 料 及 现 场 条 件,现 场 快 速
中提供的空间插值方法主要有反距离加权法( IDW) 、
Rocksand TM XRF 仪 器 对 表 层 ( ≤0. 5 m) 土 壤 总 铬 含
其强大的空 间 分 析 功 能 也 得 到 了 广 泛 应 用。 ArcGIS
第 38 卷 第 12 期
环 境 工 程
Environmental Engineering
2020 年 12 月
Vol. 38 No. 12
Dec. 2020
基于现场快速检测技术的土壤采样优化策略
胡 清 1 童立志 2 王 宏 1 郭睿诚 1 杨刚庭 1 许盛彬 1∗
的表层土壤以粉质黏土为主,含少量建筑垃圾,静止水
铬污染工业企业。 场地平面布置如图 1 所示。
和分析测试时间,具有检测速度快、适用范围广、经济
成本低等优点 [ 8,9] 。 研究 表 明:场 地 重 金 属 快 速 检 测
技术可获得与传统实验室结果较为接近的检测结果。
Kalnicky 等 [ 10] 的研 究 认 为, XRF 检 测 结 果 可 提 供 场
空间预测方法将分 散 的 土 壤 点 位 污 染 信 息 转 化 为 连
图 1 铬污染场地平面布置
Figure 1 Layout of the chromium-contaminated site
1. 2 采样与分析
调查分为现场快速检测分析和实验室采样分析
。 该技术可帮助研
位为 0. 91 ~ 1. 97 m,其周边存在皮革工业园、电镀厂等
的重金属快速检测 技 术 在 场 地 调 查 采 样 策 略 优 化 工
作中得到 越 来 越 广 泛 的 应 用
[ 6,7]
究人员快速识别场地污染范围和程度,及时调整采样
点位,适当减少实 验 室 分 析 样 品 数 量,节 约 调 查 成 本
by four spatial interpolation methods, including inverse distance weighted ( IDW ) , ordinary kriging ( OK) , local polynomial
interpolation ( LPI) , and radial basis function ( RBF) methods, aiming to compare their accuracy and feasibility on predicting
析成本。 最终根据实验室检测数据,分析快速检测技
术的准确性及采样优化策略的可靠性。
1 研究区域与方法
1. 1 研究区域概况
以湖南省某 污 染 场 地 为 研 究 对 象, 面 积 约 为 62
万 m 。 该场地 自 1966 年 建 厂 以 来 从 事 铬 矿 冶 炼 和
2
含 Cr 产品生产活 动,2006 年 后 停 止 生 产。 目 前 场 地
普通克里 金 法 ( OK) 、局 部 多 项 式 法 ( LPI) 和 径 向 基
函数法( RBF) 等 [ 12-17] 。 针 对 各 类 空 间 插 值 方 法 的 研
究虽然较多, 但 不 同 场 地 中 插 值 方 法 适 用 性 差 异 较
大
[ 18,19]
所不同
,每 种 方 法 的 插 值 精 度 和 空 间 识 别 能 力 均 有
[ ρ( Cr) = 65 mg / L] 对 仪 器 进 行 校 验。 根 据 现 场 快 速
检测结 果,实 验 室 采 样 分 析 阶 段 布 设 点 位 113 个,采
集表层土壤样品 送 至 实 验 室 检 测 总 铬 含 量。 检 测 方
法为 USEPA 6010D 原 子 发 射 光 谱 法,通 过 设 置 平 行
and Engineering, Southern University of Science and Technology,Shenzhen 518055, China;
2. School of Environment, Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China)
∗通信作者:许盛彬( 1990-) ,男,硕士,工程师,主要从事土壤污染调查和风险评估方面的研究。 xusb@ mail. sustech. edu. cn
164
第 38 卷
环 境 工 程
ห้องสมุดไป่ตู้
为此,以 X 射 线 荧 光 光 谱 分 析 ( XRF) 等 为 代 表
及铬砖堆放点分布于场地四周。 场地深度 0. 5 m 以内
样及空白样进行质量控制。
污染分布情况。 鲜 有 研 究 利 用 现 场 快 速 检 测 结 果 研
1. 3 研究方法
究不同插值结果的影响,并对实验室测试样品的点位
1. 3. 1 空间插值方法
数量和位置进行 优 化。 本 文 以 湖 南 某 污 染 场 地 表 层
在 ArcGIS 10. 3 软 件 平 台 中, 分 别 选 用 IDW 法、
内遗留露天原矿 场 数 座、冶 炼 生 产 车 间 数 座,铬 渣 堆
3) 快速检测技术可有效反映场地铬污染区域分布趋势。
关键词:土壤污染;铬;快速检测;空间插值;采样策略
DOI:10. 13205 / j. hjgc. 202012027
FIELD RAPID SCREENING TECHNOLOGY DRIVEN SOIL SAMPLING OPTIMIZATION
地污染相关的定 性 和 定 量 信 息 以 满 足 分 析 需 求。 邝
荣禧等 [ 11] 利用 便 携 式 XRF 快 速 测 定 矿 区 周 边 农 田
土壤 As、Pb 等 重 金 属 含 量, 发 现 该 法 与 传 统 实 验 室
测定值在空间上呈相似的分布规律。
此外,考虑到无论是实验室或现场快速检测获取
染分布 进 行 空 间 预 测。 IDW 法 基 于 相 近 相 似 的 原
件下最优的空间 插 值 方 法。 其 次 通 过 冗 余 点 分 析 对
值点的值;OK 法主要 基 于 半 方 差 函 数 对 空 间 进 行 插
实验室检测样品的布点进行优化,减少实验室检测分
值拟合,是一 种 典 型 的 统 计 学 算 法; LPI 法 采 用 多 个
收稿日期:2019-
[ 2-4]
。 通常,采样密度
础上,尽可能地减少经济成本 [ 5] 。
基金项目:国家重点研发计划项目“ 污染场地修复后土壤与场地安全利用监管技术和标准” ( 2018YFC1801400) 。
第一作者:胡清( 1964-) ,女,博士,教授,主要从事绿色可持续场地污染修复方面的研究。 huq@ sustech. edu. cn
Keywords: soil contamination; chromium; rapid screening technology; spatial interpolation; sampling approach
0 引 言
质
[ 1]
越大,污染物分布 范 围 刻 画 越 精 细,但 是 采 样 成 本 也
( 1. 南方科技大学 环境科学与工程学院 广东省土壤与地下水污染防控及修复重点实验室,广东 深圳 518055;
2. 哈尔滨工业大学 环境学院,哈尔滨 150090)
摘要:合理的土壤采样策略是精确刻画场地污染情况的关键。 以湖南某铬污染场地为研究对象,基于现场快速检测 数
据对反距离加权法( IDW) 、普通克里金法( OK) 、局部多项式法( LPI) 和径向基函数法( RBF) 4 种空间插 值 方 法 的 精 确
Abstract: A rational soil sampling approach is critical to accurately characterizing potentially contaminated sites. Rapid
element screening was applied to a case study for a chromium-contaminated site in Hunan Province. The results were processed
needed for laboratory analysis decreased from 245 to 113; and 3) the rapid screening technology was effective in evaluating
contamination distribution for chromium-contaminated sites.
The findings were as follows: 1) the results of predicted contaminated area evaluated by four spatial interpolation methods were
significantly different, the accuracy decreased in the qequence of IDW >RBF >OK >LPI; 2) the number of sampling locations
contaminated area. Then, the redundancy analysis was leveraged to determine the number of samples collected for laboratory
evaluation. Finally, the results of spatial interpolation between field rapid screening and laboratory analysis were compared.
土壤 是 不 均 匀 的, 具 有 高 度 空 间 变 异 性 的 介
会显著增加。 采样 策 略 优 化 的 实 质 就 是 探 求 精 度 与
。 土壤中污染物分 布 范 围 的 识 别 受 采 样 点 位 数
成本之间的平衡,即在不降低实验精度与准确性的基
量、位置和空间预测方法等影响
12 10
[ 20,21,13]
。
然而,目前对场地土壤污染空间预测主要基于实
验室检测结果后进行插值分析,进而得到整个场地的
检测分 析 阶 段 共 布 设 235 个 点 位, 使 用 XOS HD
量进 行 快 速 检 测,检 测 前 后 使 用 XOS 公 司 提 供 的
土壤 标 准 品 GSS-7 [ ρ ( Cr ) = 410 mg / L ] 和 GSS-13
土壤 重 金 属 铬 Cr 为 研 究 对 象,基 于 前 期 大 量 快 速 检
OK 法、LPI 法和 RBF 法 4 种 插 值 方 法 对 场 地 总 铬 污
种空间插值方法的适用性和精确度,筛选出该场地条
理,通过权重分配,将 更 大 的 加 权 值 分 配 给 更 接 近 插
测分析结果,研究 IDW 法、OK 法、LPI 法和 RBF 法 4
度和适用性进行了比较;通过冗余分析确定了实验室分析样品的布点数量;分析对比了实验室检测与快速检测空间 插
值结果。 结果表明:1) 不同空间插值方法对场地污染分布识别存在明显差异,适用性排 序 为 IDW 法 >RBF 法 >OK 法 >
LPI 法;2) 经基于快速检测阶段 235 个点位数据进行 的 采 样 策 略 优 化,需 送 往 实 验 室 分 析 的 采 样 点 位 减 少 至 113 个;
HU Qing 1 , TONG Li-zhi 2 , WANG Hong 1 , GUO Rui-cheng 1 , YANG Gang-ting 1 , XU Sheng-bin 1∗
( 1. Guangdong Provincial key Laboratory of Soil and Groundwater Pollution Control, School of Environmental Science
续的场地污染分 布 信 息。 地 理 信 息 系 统 ( ArcGIS) 因
2 个阶段。 根据前期调研资 料 及 现 场 条 件,现 场 快 速
中提供的空间插值方法主要有反距离加权法( IDW) 、
Rocksand TM XRF 仪 器 对 表 层 ( ≤0. 5 m) 土 壤 总 铬 含
其强大的空 间 分 析 功 能 也 得 到 了 广 泛 应 用。 ArcGIS
第 38 卷 第 12 期
环 境 工 程
Environmental Engineering
2020 年 12 月
Vol. 38 No. 12
Dec. 2020
基于现场快速检测技术的土壤采样优化策略
胡 清 1 童立志 2 王 宏 1 郭睿诚 1 杨刚庭 1 许盛彬 1∗
的表层土壤以粉质黏土为主,含少量建筑垃圾,静止水
铬污染工业企业。 场地平面布置如图 1 所示。
和分析测试时间,具有检测速度快、适用范围广、经济
成本低等优点 [ 8,9] 。 研究 表 明:场 地 重 金 属 快 速 检 测
技术可获得与传统实验室结果较为接近的检测结果。
Kalnicky 等 [ 10] 的研 究 认 为, XRF 检 测 结 果 可 提 供 场