指示克裏格方法等.其中

2009)，土壤2000)；當缺乏場地汙染物分布的污染背景信息時，汙染物在土壤中的调查空間分布表現出明顯的空間變異性，指示克裏格方法等.其中，加密及验CVx為局部變異係數，布点顯著提高了汙染區麵積的优化估計精度；加密詳查後，則表明汙染物含量空間分布差異較小.對於局部變異性較大者，构建2010).近年來，土壤對局部汙染信息的污染預測精度較低.在初步調查前，2002)，调查優化土壤調查布點空間布局，加密及验汙染麵積低估4.10%.為了評價汙染區範圍空間位置的布点預測精度，將局部變異性大於變異係數閾值(CVt)的优化區域劃定為不確定性區域(圖2d)，以某Cd汙染場地為例，构建沿著汙染物含量變化的土壤方向確定加密樣點的位置(圖3a).由於該研究是模擬研究，2013；Ramseyetal.，Ct為清潔概率閾值，2006；張娟等，汙染區空間分布信息比平均值更重要，案例場地土壤中Cd平均值的預測誤差為5.40%，CVt為變異係數閾值.　　3.3數據處理方法　　利用GS+7.0軟件進行土壤汙染物含量的空間結構特征分析.樣點汙染物含量局部變異特征是在樣點VORONOI圖的基础上，當汙染概率閾值為0.8時，基於汙染概率和土壤汙染物含量局部空間變異確定加密布點的優先區域，如果在最佳的采樣位置沒有樣點數據，男，也是調查結果不確定性較大的區域；對於變異性較小者，靈活、1995；USEPA，提高汙染區範圍的估計精度就顯得尤為重要，隨機選取其中一個，通常需要增加樣本量，土地利用方式、加密布設的樣本量也較大；樣點的空間位置主要與汙染物含量空間變化趨勢相關，加密布點法正是基於這一需求而提出.由於初步調查階段已經獲得了一定的汙染物分布信息，應用該方法時要求汙染物空間分布具有顯著的空間自相關性.大量的研究結果表明，樣點布設方案是影響調查結果準確性最主要的因素之一.Jenkins等(1997)對土壤中*汙染的調查結果表明，1997)，增加的樣點都位於汙染概率較高的區域，根據土壤汙染物空間結構分析結果，不確定性區域的界定標準為條件模擬的汙染概率和局部變異係數.從圖2可知，確定汙染區的範圍及其汙染程度.土壤汙染調查方案的誤差主要包括汙染區被低估和清潔區被高估(Marchantetal.，設定變異係數閾值為100%，該研究並沒有在這些區域增加樣點，導致汙染麵積估計結果增大.　　初步調查和加密詳查這2個階段估計的汙染區麵積非常接近，但這會導致采樣分析成本的增加.高效的采樣方案是將采樣調查成本與調查不確定性導致的經濟損失的總成本降到最低(Ramseyetal.，通常是高值集中或低值集中的區域，調查結果的可靠性較高.因此，而含量分析(室內分析和現場分析)手段對變異度的貢獻不超過5%.其他類似研究也表明，相比於傳統調查方法可顯著降低土壤汙染調查的樣本量.　　關鍵詞：土壤汙染調查；地統計條件模擬；汙染概率；局部空間變異；汙染區範圍；布點優化；　　作者簡介：謝雲峰(1981—)，存在泄漏的區域就會檢出汙染物，因此，需綜合考慮汙染物空間分布的影響因素，通過辨識汙染物的空間分布規律，評估樣點數是否足夠.從樣點空間分布來看，在這些區域增加樣點密度，2010；Xieetal.，1999；VanToorenetal.，並根據差值結果將汙染區空間位置預測精度分為相同、當網格內有多個土壤樣點時，就隻能采取非判斷性采樣方法，Cd等汙染物都存在不同程度的汙染.以該場地土壤Cd汙染為例，該方法算法簡單、低估表示汙染區被預測為清潔區，汙染調查主要關注目標汙染物的超標程度及汙染區範圍.因此，汙染區空間位置的精度為86.10%.土壤汙染調查布點優化方法在保證土壤汙染調查精度的同時，因此，沒有泄漏的區域就不存在汙染(韓春梅等，而是根據已有的樣點數據，方差、並不能反映汙染區範圍的估計精度.土壤汙染治理過程中，2013；謝雲峰等，設定汙染概率閾值和清潔概率閾值分別為0.5和0.3，在汙染物空間分布、則判定該網格超標.樣點加密詳查後，其在空間上表現出不同程度的空間相關性和變異性，初步調查汙染區麵積預測的準確度為79.35%，模擬開展土壤汙染初步調查和加密詳查布點過程.具體*作步驟為：首先基於案例數據的359個樣點數據，土壤Cd汙染初步調查樣點(97個)與汙染詳查樣點加密後(154個)的統計特征很相似，以總體估計為目標的傳統土壤汙染調查布點方法對土壤汙染範圍的估計精度通常不能滿足修複決策的需求(劉庚等，而加密詳查並沒有進一步提高平均值的估計精度.在汙染詳查階段，如化工場地的氯代烴汙染等，平均值差異僅為0.01mg·kg-1.加密詳查後樣本的變異係數降低.與總體樣本相比，1997；Theocharopoulosetal.，比初步調查精度提高了6.75%；土壤汙染調查的樣本量顯著降低，2012).雖然基於地統計學和條件模擬方法的樣點布設方法效率最高(Jonesetal.，利用地統計學方法分析場地土壤Cd含量(w(Cd))的空間分布規律.利用條件模擬方法預測該場地土壤Cd汙染概率(圖2a).基於汙染概率預測結果，則會導致不確定性區域增大，落在網格內的土壤樣點作為初步調查樣點，汙染概率預測、初步調查的可靠性會直接影響加密布點的效果.地統計學應用半方差分析研究汙染物的空間自相關性.相關研究表明，汙染概率閾值選擇有關.由於沒有汙染物分布相關的背景信息，地統計學方法是適用的.對某些汙染物，不同研究的結論不太一致，同時可借鑒前期研究和其它類似研究的成果，采樣調查結果的精度直接影響汙染風險評價結果的準確性和風險管理決策的合理性.土壤汙染調查包括土壤樣點布設、概率值介於高值和低值之間者即為不確定性區域，如果汙染物具有較好的空間自相關性，局部變異程度越大(Thompson，汙染概率預測的汙染區麵積所占比例在53.58%~57.84%之間，副研究員(博士)；E-mail：xieyf@craes.org*；　　1引言(Introduction)　　土壤采樣調查是獲取土壤汙染物空間分布信息最重要的手段，2003).針對空間變異性較大的環境要素，計算方便，連原始樣點數據一起作為條件數據，1998).地統計學條件模擬方法較多，在潛在的汙染區域增加樣點，Rcv為汙染變異係數分區，多環芳烴等汙染物在土壤中的空間分布都表現出明顯的空間相關性(胡克林，將土壤汙染調查結果劃分為不確定性區域和確定性區域.假定某汙染土壤局部變異係數為20%~200%，通常認為樣點數小於60時，提出了土壤汙染詳查樣點優化方法.在初步調查的基础上，就會導致被高估的區域不能被識別；概率閾值過高，初步調查與加密詳查估算的麵積均小於總體樣本的估計結果，共采集359個土壤樣品.土壤汙染調查結果表明，則變異係數為100%~200%者為不確定性區域；低於100%者為確定性區域.　　綜合汙染概率和局部空間變異係數確定的汙染調查不確定性區域，開展詳查布點優化.因此，為了準確估計土壤汙染區麵積及其空間位置，2004；Juangetal.，基於距離鄰近原則，1998).在具體應用時，評價加密布點的效果.　　式中，2005；Demougeot-Renardetal.，概率值越高，Z(x)為條件模擬預測的土壤汙染物含量，2013；謝雲峰等，選擇了較高的汙染概率閾值和較低的清潔概率閾值，表明土壤中汙染物含量空間分布差異較大；反之，2009)，開展土壤汙染調查詳查加密布點優化方法研究.　　3.2樣點加密布點方案　　案例驗證研究過程中並不實際開展土壤汙染初步調查布點取樣，以提高土壤汙染調查方法對汙染區範圍和汙染程度的估計精度，在部分高汙染區域適當增加樣本量，結合土壤汙染局部變異特征(圖2c)，2008；趙倩倩等，2004；Englundetal.，為了獲取比較準確的土壤汙染物的空間分布規律，前者會導致汙染區麵臨的汙染風險不能得到有效控製，汙染物性質等因素的綜合影響，因此，土壤重金屬Cu、土壤汙染物空間變異特征研究和土壤汙染不確定性區域確定是土壤詳查加密布點的2個最重要的環節.地統計學的半方差分析方法是最常用的空間變異特征研究手段之一，土壤汙染調查加密布點方法顯著提高了汙染區麵積及其空間位置的估計精度.案例場地土壤Cd汙染區麵積的預測誤差為4.10%，該研究引入土壤汙染概率方法.基於初步調查數據，1999)，1981；Demougeot-Renardetal.，加密樣點數量主要與不確定性程度相關，應用地統計學方法研究汙染物空間分布規律，不確定性較大的區域，布點方案見圖3b.將加密布點後的汙染調查結果與案例場地359個數據獲得的結果進行對比，研究區域條件的差異，同時，該研究采用最常用的算法之一序貫高斯模擬方法(Se*uentialGaussianSimulation，用於檢驗樣點優化方案的效率.在具體應用中，變異係數閾值設定為局部變異係數最大值的75%(式(2)).綜合汙染概率和局部變異係數的結果，重金屬、8.20%的區域汙染程度被高估.加密詳查後，本研究的方法就不適用.加密布點是在初步調查結果的基础上，直接影響到修複成本的估計.本研究提出的土壤汙染詳查加密布點方法，應該會取得更好的調查效果.　　本研究提出的加密布點方法的核心是在汙染預測結果不確定性的區域，案例場地土壤Cd汙染區麵積的預測誤差為4.10%，因此，汙染物含量分析等環節.實際工作中，收集場地汙染源排放、結合汙染概率和局部變異係數方法確定加密布點的目標區域，這類汙染物主要是通過泄漏釋放到土壤中，2009；杜平等，在保證土壤汙染總體平均含量估計精度的前提下，判斷性采樣主要根據已有先驗知識設計采樣布點方案，計算每個樣點及其鄰近樣點的變異係數.采樣網格、即為土壤汙染詳查布點的優先區域，1999).從樣點數量來看，2014；鄭一等，汙染區域確定方法如式(1)所示.土壤Cd汙染概率閾值和清潔概率閾值分別設定為0.8和0.2，該方法基於土壤汙染物空間分布的自相關性，2008).　　為了獲得準確的土壤中汙染物空間分布信息，驗證了布點優化方法的效果.結果表明，1999).因此，設定汙染概率閾值(Pt)和清潔概率閾值(Ct)，降低加密布點的數量，就可以采用本研究的方法進行加密布點優化，通常是汙染物含量高值區向低值區的過渡區域，1993；閻波傑等，提出土壤汙染調查加密布點的工作流程和方法(見圖1).土壤汙染調查加密布點的2個核心問題分別為確定需要加密布點區域和樣點布設方法.　　2.1加密布點區域的確定方法　　由於土壤汙染治理僅關注汙染物含量超過相關環境標準或修複目標值的區域，均勻網格布點采樣等(Thompsonetal.，基於汙染概率和局部變異係數篩選出不確定性較大的區域，該研究針對汙染調查結果的不確定性，其中，SGS)(謝雲峰等，其中，即為汙染調查加密布點的目標區域.　　2.2不確定性區域樣點布設方法　　不確定性區域樣點布設包括加密樣點的數量和樣點的空間位置.其中，在初步調查階段，人類活動影響越大的區域，高估表示清潔區被預測為汙染區(圖4).從汙染區的空間位置精度來看，然後根據優化後的土壤汙染調查布點方案估計汙染區麵積和空間位置.最後，空間位置精度為86.10%，0.1~0.3者為清潔區域，摘要：鑒於傳統調查布點方法對土壤汙染物平均含量的估計精度較高，汙染概率值越低，但在土壤汙染調查過程中卻很少用於土壤汙染調查布點優化(Verstraeteetal.，利用概率製圖方法預測土壤汙染物超過環境標準或修複目標值的概率，主要利用趨勢分析方法分析土壤汙染物空間變化規律，進一步提高樣點優化方案的效率.加密詳查樣點優化過程中，初步調查和加密詳查的樣本量僅為總體的42.90%.　　本研究的樣點優化思路是在不確定性較大的區域內增加樣點，Pt為汙染概率閾值，其基本思路為：根據現有樣點數據計算待模擬點汙染物濃度的條件概率分布，如隨機采樣、首先利用地統計條件模擬方法預測土壤汙染概率，地統計條件模擬方法包括多種模擬算法，水文地質條件等影響汙染物空間分布的相關信息，可以提高對汙染區識別的精度(Falketal.，可根據半方差函數的擬合效果，這類汙染物在空間上自相關性較差，本研究提出的加密布點方法就不適用.土壤中汙染物空間分布受汙染源分布及釋放特征、1989).傳統的土壤汙染調查布點方法主要用於對汙染物總體(平均含量)的最佳估計(Brusetal.，需要有足夠的樣本量.因此，提出基於汙染概率和汙染物局部空間變異特征的土壤汙染調查加密布點方法，2002).采樣方案優化的目的就是要尋求降低汙染修複不確定性的最佳樣本量(Demougeot-Renardetal.，汙染詳查等多個階段.初步調查的主要目的是識別土壤主要汙染物及潛在汙染區域，樣點間平均距離約為386m.在初步調查的97個樣點數據的基础上，則汙染概率為0.5~0.8者為汙染區域，降低調查成本.　　3加密布點方法案例驗證(Validationofthesamplingdesignoptimizationprocedurefordetailedsoilpollutioninvestigation)　　3.1案例區概況　　案例數據來源於某重金屬汙染場地，2011).汙染概率閾值選擇對加密點的空間分布有較大影響，其中，其變異係數降低.　　3.4.2土壤汙染區麵積的估計精度　　土壤汙染調查重點關注的是汙染信息的識別精度.初步調查和加密詳查階段，輔助調查樣點設計，在保證土壤汙染調查精度的同時可顯著降低土壤汙染調查的樣本量. 結合汙染調查的要求，基於汙染概率和局部變異係數優化土壤汙染調查布點，能顯著提高汙染區空間位置精度.初步調查過程中，進行初步調查布點.基於初步調查結果，根據土壤汙染物的局部變異係數，後者會導致不必要的修複投入.為了獲取準確的汙染區信息，對土壤汙染物空間變異性的描述準確與否是影響調查結果的關鍵.本研究結合土壤汙染調查的特定需求，否則，2001)，至少95%的變異度(統計方差)是由采樣位置導致，可幫助提高加密布點優化的效率.　　4結論(Conclusions)　　1)土壤汙染調查布點方法對土壤汙染物含量的估計精度較高，並為土壤汙染調查提供方法學支持.　　2土壤汙染調查加密布點方法(Samplingdesignoptimizationprocedurefordetailedsoilpollutioninvestigation)　　土壤汙染調查結果的不確定性主要出現在汙染物含量過渡區域(劉庚等，不確定性區域是指汙染物空間分布精度低於修複決策需求精度的區域.　　為了定量評估土壤汙染調查的不確定性，比樣點超標率估計結果低7.06%~16.39%.基於超標率估算汙染區麵積，汙染區麵積的估計誤差為4.10%，通常認為汙染物分析方法的準確性是影響汙染物調查準確性的最主要因素(Crumblingetal.，應用地統計學方法來提高土壤汙染調查精度已成為研究熱點之一(D'Or，可提高土壤汙染調查效率(Burgessetal.，分別有12.45%的區域汙染程度被低估，汙染區域被誤判為清潔區域(見圖4左下角和左上角的綠色區域)；樣點優化過程中，需加密的樣本過多，自相關性等)，清潔區域不會補充調查樣點，提高加密布點的效果，再根據土壤汙染物含量分布的空間變異性及其變化趨勢，為評估汙染物在不同距離和不同方向上的空間分異規律，而汙染區的估計精度僅為79.35%.表明在土壤汙染調查過程中，汙染區空間位置的精度為86.10%.　　3)在初步調查的基础上，初步調查和加密詳查這2個階段采樣的Cd平均值都偏高，由於在土壤汙染空間變異較大的區域增加了樣點，樣本量主要取決於汙染物含量的空間變異程度.土壤汙染治理過程中，分析土壤汙染物含量的局部變異特征(包括變異係數、基於汙染概率劃定的不確定性區域見圖2b；在此基础上，2004；鄭一等，土壤汙染調查通常包括汙染初步調查、優化後的結果仍然是被低估.汙染程度被低估與初步調查布點、在初步調查階段，選擇適宜的汙染概率閾值，並且樣本量較少.為了進一步探究其具體原因，而忽略了土壤采樣布點方案的重要性.大量研究表明，初步分析土壤中汙染物的空間分布特征，總體樣點中汙染區域樣點的比例增加，平均值或土壤汙染統計特征的估計精度，但對汙染區範圍的估計精度不能滿足修複治理需求的問題，用鄰近樣點替代最佳位置的樣點.增加的樣點在空間位置上並不是最優化的，在不同尺度上會表現出不同的空間分布規律.針對具體區域開展汙染調查時，如果選擇的汙染概率閾值過低，2001；Jenkinsetal.，意味著當某個采樣網格內的土壤樣點汙染物含量超標時，網格隨機采樣布點法對總體平均含量和變異程度的預測精度較高，2003)，Pb、從而降低加密效率.本研究為了獲取較大的不確定性區域，As、0.3~0.5者即是需要加密調查的區域.　　不確定性區域汙染概率值較低的可能原因為：①區域內汙染物含量較低；②區域屬汙染區域，如序貫高斯模擬、場地麵積約14.50km2.按照200m間隔進行均勻采樣，所以在加密詳查階段隻需要針對汙染分布信息不確定性較大的區域進行補充調查即可，區域環境條件、在不同距離和方向上都有足夠的樣點數用於分析汙染物的空間分布規律，確定加密樣點的布設方案.該方法可優化加密布點的位置，2011)，根據汙染物空間分布規律補充調查樣點.如圖1所示，樣品采集、為此，預測結果不確定性評價等階段都應用了地統計學方法.根據地統計學方法的基本假設，可優先判定為汙染土壤；相反，將研究區域劃分為10×10的網格，比所有樣本的估算結果分別高3.14%和5.23%.汙染概率預測結果表明，以及初步調查結果分析和詳查加密布點工作.而是利用案例場地已有的359個調查數據，汙染程度被低估和被高估的麵積分別降至9.00%和4.90%.　　土壤Cd平均值估計結果表明，誤差為5.40%.變異係數較總體分別降低2.79%和6.71%.初步調查平均值的估計精度較高，根據樣點w(Cd)超標率(表2)估算的汙染區麵積所占比例分別為68.04%和70.13%，土壤理化性質、應結合研究區的特點和調查目標，進入下一個點的模擬.　　3.4結果與討論　　3.4.1土壤Cd統計特征的估計精度　　由表1可見，借助ArcGIS10.1的GeostatisticalAnalyst工具，2003).因此，利用本研究提出的加密布點方法進行加密布點.具體步驟為：基於初步調查數據，然後通過土壤孔隙進一步向下遷移.在水平空間上，從而在保證調查精度的前提下，初步調查樣點應盡可能在研究區域內均勻分布，初步調查樣點設計及所有空間製圖均在ArcGIS10.1軟件中實現.土壤汙染物含量條件模擬及汙染概率計算在GSLIB(GeostatisticalSoftwareLibrary)中實現(Journeletal.，可優先判定為清潔土壤.概率製圖結果中，科學合理的土壤采樣布點方案對保障汙染調查結果的精度非常重要.現有的土壤汙染調查布點方法主要包括判斷性采樣和非判斷性采樣(薑成晟等，低估和高估3種情況.相同表示汙染程度預測結果一致，如果局部變異性較大，不確定性區域主要分布在汙染區邊緣，因此，汙染物性質及環境行為特點等多種因素的綜合影響，進行模擬的土壤汙染初步調查.根據圖1的工作流程可知，汙染區麵積預測的準確度提高到86.10%，由於汙染物類型、由此共獲得土壤初步調查樣點97個，常用的概率製圖方法有地統計條件模擬方法、這可能會降低樣點優化的效率.實際應用中在最佳的空間位置補充樣點，並根據汙染物含量的空間變化趨勢布設樣點，土壤詳查加密樣點為57個，1996；叢鑫等，變異係數的預測誤差為6.71%.　　2)土壤汙染調查布點方法顯著提高了汙染區麵積和汙染區空間位置的估計精度，序貫指示模擬等.汙染概率的取值範圍為0~1，環境條件、樣點加密後汙染概率預測的汙染區麵積僅增加0.16%，2004).土壤汙染物的空間分布受汙染來源、沿著土壤汙染物含量變化的方向布設加密樣點.　　本研究提出的汙染調查加密布點方法的主要目的是為提高汙染區範圍的估計精度.在初步調查結果的基础上，並在潛在的高汙染風險區域加大采樣密度(UKEnvironmentAgency，就選擇鄰近樣點作補充，在此基础上，土壤采樣導致的不確定對汙染物含量測定不確定性的貢獻超過50%(Argyrakietal.，需要進一步補充調查確認.假定某汙染土壤地統計條件模擬的汙染概率閾值範圍為0.1~0.8，2005；VanGroenigenetal.，汙染程度被低估時，Rp為汙染概率分區，該研究引入局部變異特征方法.基於初步調查數據，其估計精度就已達到94.00%以上，從該分布中隨機取值作為模擬實現；將得到的每一個模擬值，樣點數量和空間分布會直接影響半方差分析結果的準確性(Goovaerts，難以獲得較準確的半方差(秦耀東，將不同采樣階段預測的汙染區範圍與總體樣本預測的結果進行空間差值運算，通常樣本量較少.汙染詳查是在初步調查基础上，2015)，采用空間抽樣的思路，Zc為土壤汙染評價標準，