污染土壤测土配方精准靶向修复方法及系统与流程

本发明涉及污染治理技术领域，具体涉及一种污染土壤测土配方精准靶向修复方法及系统。

背景技术：

场地污染土壤化学修复是通过向土壤中添加化学修复制剂，使之与污染物发生化学反应，最终使污染物降解或转化为低生物有效性、低迁移性产物的一项修复技术。原位化学修复技术毋需将污染土壤全部挖掘出来，而是通过在污染区的不同深度布设钻井，将修复制剂注入到土壤中，通过药剂与污染物的混合、反应，达到使污染物降解或形态变化的目的。化学修复技术是一种反应强度大、对污染物浓度和性质不敏感，修复效率高、周期短的土壤修复技术。然而，由于场地污染土壤土体较深，有限的钻井点位注入修复药剂很难与整个场地区域污染土壤充分接触并发生反应，不足的修复药剂会导致出现污染物浓度“反弹”现象，残留的污染物或产生的中间产物会造成环境二次风险。目前的修复工程大都使用过量/超过量的化学制剂进行修复，而超过量的药剂浓度/剂量则会严重破坏土壤的理化性质，导致非生产性药剂剂量增加，从而增加修复成本和环境风险。

根据区域特点，差异化地进行测土配方定量修复是近年来国际上环境修复领域的热点方向。测土配方变量修复是在场地污染物空间高度异质性复杂环境下提高修复效果的一种有效手段。“测土配方”这一概念来源于农田土壤测土配方施肥，是根据对土壤化学成分的科学诊断，对某一地块的物理、化学和营养状态进行科学诊断，从而决策出该地块最适宜种植的农作物品种及所需肥料的配方和用量的一种科学定论方法。现有的技术借鉴到环境科学领域，即可通过土壤采样获取的污染物含量设计“修复路线图”和“修复处方图”，通过修复装备定位导航装置获取的坐标信息从修复处方图中读取该位置的污染物浓度，计算药剂量，将这些变量参数传递给修复装备的控制系统，由控制系统控制着修复注入模块将定量的修复制剂注入到卫星定位的空间位置实现变量修复的目的(一种基于gps定位的污染土壤修复系统及方法，发明专利，2017)。但该技术借鉴到污染土壤修复工程中，一方面，目前还只能应用在地形起伏较小、污染土体较浅的地表二维平坦区域，另一方面需要大量多次的取样来满足修复处方图的制作精度。污染场地具有“污染土体深，污染物空间异质性大，钻井点位少”的特点。解决化学修复技术环节中因修复药剂用量偏低而导致的污染物“反弹”和过量药剂导致的“二次污染”2类问题，突破地下“黑箱环境”场地土壤化学修复的高效精准修复技术瓶颈，需要一套基于测土配方差异化的精准靶向土壤污染物修复系统，实现化学修复药剂“定位、定时、定量”地精准注入。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种污染土壤测土配方精准靶向修复方法及系统，根据对污染区域的抽样检测，精细地确定修复制剂的剂量、修复注入的位置、注入的频率，提高修复效率，减少修复成本，减少对环境造成的二次污染。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种污染土壤测土配方精准靶向修复方法，所述污染土壤测土配方精准靶向修复方法包括：

获取污染区域土壤中不同位置的污染物分布数据；

根据污染物分布数据，计算污染区域土壤污染物含量的三维刻画；

根据污染区域土壤污染物含量的三维刻画，计算修复制剂在污染区域土壤中的注入位置和注入量；

根据计算得到的注入位置和注入量，向污染区域土壤中注入修复制剂。

在上述的污染土壤测土配方精准靶向修复方法中，作为优选方案，所述获取污染区域土壤中不同位置的污染物分布数据，包括：

在污染区域的土壤中布设多个取样点，分别记录每个取样点的坐标；

在每个取样点分别钻孔取样，并检测每个样品中污染物的浓度。

在上述的污染土壤测土配方精准靶向修复方法中，作为优选方案，所述计算污染区域土壤污染物含量的三维刻画，包括：

在污染区域的土壤中，选取非取样点的任意点作为待插值点，记录待插值点的坐标；

根据待插值点与取样点的空间位置关系，结合取样点样品的污染物浓度，计算待插值点的污染物浓度数据；

计算有限个待插值点的污染物浓度数据；

根据有限个待插值点和多个取样点的污染物浓度数据，获取污染区域土壤污染物含量的三维刻画。

在上述的污染土壤测土配方精准靶向修复方法中，作为优选方案，所述计算修复制剂在污染区域土壤中的注入位置和注入量，包括：

结合土壤理化性质和污染物的种类，选择合适的修复制剂；

结合污染区域土壤污染物含量的三维刻画，以及修复制剂与污染物的反应动力学方程，计算修复制剂注入当量的三维刻画；

计算修复制剂的注入当量；计算公式为w＝(t-c)/p，其中：w为修复制剂的注入当量，t为污染物的修复目标值，c为实际测定的污染物含量值或插值模拟值，p为修复制剂与污染物反应消耗利用率；

计算修复制剂的注入位置；对修复制剂的三维刻画的设定阈值，超出阈值的点作为修复制剂的注入位置。

在上述的污染土壤测土配方精准靶向修复方法中，作为优选方案，所述在污染区域的土壤中布设多个取样点，包括：

根据污染区域的地面建筑规划图或测量图，建立污染区域的三维坐标系统；

结合污染区域的功能划分历史数据，在存在污染隐患的区域布设取样点。

在上述的污染土壤测土配方精准靶向修复方法中，作为优选方案，所述在每个取样点分别钻孔取样，并分别检测样品中污染物的浓度，包括：

在每个取样点钻孔并采集不同深度的不同土壤样品，并分别记录不同土壤样品的三维坐标；

对土壤样品去杂质后，进行研磨并干燥；

测定土壤样品的理化性质和污染物浓度。

在上述的污染土壤测土配方精准靶向修复方法中，作为优选方案，所述根据计算得到的注入位置和注入量，向污染区域土壤中注入修复制剂，包括：

根据计算得到的注入位置和注入量，规划污染区域的修复路线；其中，修复路线经过所有的注入位置在地表的投影；

将修复制剂、修复制剂注入量、修复制剂注入位置和修复路线输入给车载修复装备；

车载修复装备按照修复路线行走，并在注入位置将该位置所对应注入量的修复制剂注入污染区域土壤。

本发明还提供一种污染土壤测土配方精准修复系统，所述污染土壤测土配方精准修复系统包括：

数据采集模块，所述数据采集模块用于获取污染区域土壤中不同位置的污染物分布数据；

污染物含量计算模块，所述污染物含量计算模块用于根据污染物分布数据，计算污染区域土壤污染物含量的三维刻画；

修复制剂计算模块，所述修复制剂计算模块用于根据污染区域土壤污染物含量的三维刻画，计算修复制剂在污染区域土壤中的注入位置和注入量；

修复制剂注入模块，所述修复制剂注入模块用于根据计算得到的注入位置和注入量，向污染区域土壤中注入修复制剂。

在上述的污染土壤测土配方精准修复系统中，作为优选方案，所述数据采集模块包括：

土壤钻孔取样装置，所述土壤钻孔取样装置用于在取样点钻孔，并对不同深度的土壤进行采样，以获取不同位置的土壤样品；

土壤研磨机，所述土壤研磨机用于对所述土壤样品进行去杂质后进行研磨；

样品测定装置，所述样品测定装置用于测定研磨后的土壤样品的理化性质和污染物浓度。

在上述的污染土壤测土配方精准修复系统中，作为优选方案，所述修复制剂注入模块包括：

车载修复装备，所述车载修复装置用于存储并按照修复路线运输修复制剂，保存修复制剂的注入位置和注入量信息，当车载修复装备到达注入位置在地表的投影时，通知注入装置定点定量的注入修复制剂；

注入装置，所述注入装置用于将修复制剂注入到特定深度的土壤中。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供一种污染土壤测土配方精准靶向修复方法，具有如下优点：

1.本发明提供一种污染土壤测土配方精准靶向修复方法，解决化学修复技术环节中氧化效果偏低导致的污染物“反弹”和过量修复制剂导致的“二次污染”两类问题，突破地下“黑箱环境”土壤有机污染物化学修复的高效精准修复技术瓶颈；

2.本发明中的测土配方精准靶向修复方法是以土壤取样检测为基础，根据目标污染物的实际修复制剂需求量、土壤氧化还原动力学理论和修复制剂在土壤孔隙中的迁移扩散原理，在合理使用修复制剂的基础上，提出针对目标污染物的药剂施加量和具体实施方法；

3.本发明中的测土配方化学修复方法解决了化学修复中修复制剂施用量不足导致的氧化效果偏低、污染物“反弹”现象与过量施加修复制剂导致的“二次污染”、成本增加之间的矛盾，有针对性地设置了土壤中修复制剂的施用量，实现污染物去除量和修复制剂需要量之间的平衡，在达到污染物去除率要求的同时减少修复制剂的用量，提高修复制剂的利用效率，降低修复成本。

本发明还提供一种污染土壤测土配方精准靶向精准修复系统，其有益效果与污染土壤测土配方精准靶向修复方法类似，不再赘述。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明实施例所提供的污染土壤测土配方精准靶向修复方法的流程示意图；

图2是本发明另一实施例所提供的污染土壤测土配方精准靶向修复方法的流程示意图；

图3是本发明实施例所提供的污染区域土壤污染物含量的三维刻画示意图；

图4是本发明实施例所提供的修复制剂三维处方图示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种污染土壤测土配方精准靶向修复方法，污染土壤测土配方精准靶向修复方法包括以下步骤：

步骤s101、获取污染区域土壤中不同位置样点的污染物浓度、土壤理化性质数据。

步骤s102、根据样点污染物浓度、土壤理化性质数据，通过空间插值方法，刻画污染区域土壤污染物含量和土壤理化性质的三维刻画空间分布。

步骤s103、根据污染区域土壤污染物含量及理化性质的三维刻画空间分布，计算修复制剂在污染区域土壤中的注入位置和注入量。

步骤s104、根据计算得到的注入位置和注入量，向污染区域土壤中注入修复制剂。

如图2所示，本发明的具体实施例提供了一种污染土壤测土配方精准靶向修复方法，所污染土壤测土配方精准靶向修复方法包括以下步骤：

步骤s201、在污染区域的土壤中布设多个取样点，分别记录每个取样点的坐标。在污染区域的土壤中布设多个取样点时，可以采取以下操作：

根据污染区域的地面建筑规划图或测量图，建立污染区域的三维坐标系统；结合污染区域的功能划分历史数据，在存在污染隐患的区域布设取样点。也就是说，通过污染区域保存或查询的历史资料，可通过无人机倾斜摄影技术快速测量获取场地区域的地上三维建筑物分布图，然后结合场区的历史资料进行功能区划分，功能区划分图为判断布点提供基础参考数据。

步骤s202、在每个取样点分别钻孔取样，并检测每个样品中污染物的浓度。在每个取样点钻孔并采集不同深度的不同土壤样品，并分别记录不同土壤样品的三维坐标；对土壤样品去杂质后，进行研磨并干燥；测定土壤样品的理化性质和污染物浓度。采集时，采集每口钻井分层不同深度的土壤样品，将土壤样品自然风干、研磨过筛，测定土壤的理化性质和污染物浓度值。样品采集时去除小石子、草根等杂质后再研磨，过20目筛，再装入塑料密封袋，放入冷冻干燥机中干燥。

步骤s203、在污染区域的土壤中，选取非取样点的任意点作为待插值点，记录待插值点的坐标。

步骤s204、根据待插值点与取样点的空间位置关系，结合取样点样品的污染物浓度，计算待插值点的污染物浓度数据。

步骤s205、计算有限个待插值点的污染物浓度数据。

步骤s206、根据有限个待插值点和多个取样点的污染物浓度数据，获取污染区域土壤污染物含量的三维刻画。

步骤s207、根据污染区域土壤污染物含量的三维刻画，计算修复制剂在污染区域土壤中的注入位置和注入量。结合土壤理化性质和污染物的种类，选择合适的修复制剂；结合污染区域土壤污染物含量的三维刻画，以及修复制剂与污染物的反应动力学方程，计算修复制剂注入当量的三维刻画；计算修复制剂的注入当量；计算公式为w＝(t-c)/p，其中：w为修复制剂的注入当量，t为污染物的修复目标值，c为实际测定的污染物含量值或插值模拟值，p为修复制剂与污染物反应消耗利用率；计算修复制剂的注入位置；对修复制剂的三维刻画的设定阈值，超出阈值的点作为修复制剂的注入位置。

在实际操作过程中，修复制剂不能以纯修复制剂的方式注入，只能以溶液或者其他方式注入，无论以何种方式注入，修复制剂的当量不变。例如，某一种化学试剂(即溶液)的合理用量＝(污染物修复目标值-测得的污染物含量值)/(化学试剂中修复制剂的百分比量％×单位质量修复制剂与单位质量污染物化学反应消耗利用率％)。

用公式表示可表示为：w＝(t-c)/(r×p)。

式中：t为污染物的修复目标值。计算可以根据修复后该场地的实际用途采用风险评估的方法或者直接采用当地的修复筛选值。c为实际测定的污染物含量值或插值模拟值。c的确定可从污染物含量三维刻画图上通过坐标获得。r为化学试剂(即溶液)中修复制剂的质量百分比。p为修复制剂与污染物反应消耗利用率。p值的确定可以通过小试实验得到的土壤需氧量确定或通过建立高锰酸钾土壤需氧量的理论值模型估算。

步骤s208、根据计算得到的注入位置和注入量，向污染区域土壤中注入修复制剂。根据计算得到的注入位置和注入量，规划污染区域的修复路线；其中，修复路线经过所有的注入位置在地表的投影；将修复制剂、修复制剂注入量、修复制剂注入位置和修复路线输入给车载修复装备；车载修复装备按照修复路线行走，并在注入位置将该位置所对应注入量的修复制剂注入污染区域土壤。

如图3和图4所示，本发明的具体实施例以总多环芳烃(pahs)类有机污染场地，采用高锰酸钾(kmn4)为修复制剂的土壤修复为例。

步骤一：根据场地历史功能区划分和地面建筑物的分布规划钻井点的位置坐标。

通过获取场地的历史规划图资料，或者通过遥感影像图获取场地区域的高分辨率影像图。以场区西南角为坐标原点，往东方向为x轴，往北方向为y轴，垂直地面向下为z轴建立场区三维坐标系，场区的任意一点的坐标可以表示为(xi,yi,zi)。基于这些图件资料将研究区划分为污染源区域，潜在的暴露区域和清洁区域3类功能区，然后在每个功能区内再细分决策单元。在每个决策单元内采取网格布点的形式，其中污染源区域的网格密度>潜在暴露区的网格密度>清洁区的网格密度。

步骤二：采集每口钻井分层不同深度的土壤样品，自然风干、研磨过筛，测定土壤的理化性质和污染物浓度值。样品采集时去除小石子、草根等杂质后再研磨，过20目筛，再装入塑料密封袋，放入冷冻干燥机中干燥。

步骤三：将步骤一得到的土壤样品三维坐标值和步骤二得到的样品污染物浓度值进行数值插值，数据插值是通过空间已知坐标的污染物含量来计算未知点位的污染物含量，以得到污染物含量的三维精细刻画。

以idw方法为例的污染物三维刻画主要包括3个步骤：

第一步：设置参与插值点计算时的搜索半径，然后计算搜索半径内的所有已知点到待插值点的距离，计算公式为：

其中，(x0,y0,z0)为待插值点的坐标，(xi,yi,zi)为搜索半径内参与插值的第i个已知点的坐标。

第二步计算该半径范围内的n个已知点位污染物浓度值到待插值点的权重，权重是距离的倒数的函数，计算公式为：

其中，k值为幂级数，这里取值为2。

第三步计算待插值点p(x0,y0,z0)的浓度值，计算公式为：

三维精细刻画的插值方法较多，本发明专利中采用的idw插值只是一个实施例，并不用以限制本发明专利的权利项，凡是所有的插值方法用以进行污染三维精细刻画的计算，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

步骤四：将步骤三得到的污染物含量及土壤理化性质精细刻画结果输入到修复制剂计算模型中，得到修复制剂的三维处方图。三维处方图即修复制剂的三维刻画图。由于土壤ph值、有机质含量等土壤理化性质会影响修复制剂药剂的活性，因此在处方图计算时需要考虑。

三维修复处方图的计算可采用修复药剂差值法，该方法根据场地区域的污染物修复目标值和pahs与kmn4的反应动力学方程，通过计算污染物修复目标值、土壤污染物含量值、修复制剂性质来共同确定所需修复制剂的量。

某一种化学药剂的合理用量＝(污染物修复目标值-测得的污染物含量值)/(化学试剂中修复制剂的百分比量％×单位质量修复制剂与单位质量污染物化学反应消耗利用率％)。用公式表示可表示为：

w＝(t-c)/(r×p)。

式中：t为污染物的修复目标值，计算可以根据修复后该场地的实际用途采用风险评估的方法或者直接采用当地的修复筛选值；c为实际测定的污染物含量值或插值模拟值，c的确定可从污染物含量三维刻画图上通过坐标获得；r为化学试剂中某修复制剂(如kmno4)的质量百分比；p为修复制剂与污染物反应消耗利用率，p值的确定可以通过小试实验得到的土壤需氧量确定或通过建立某修复制剂土壤需氧量的理论值模型估算。

步骤五：根据步骤四得到的三维处方图进行热点分析，提取出修复制剂注入的位置坐标，将注入位置坐标和匹配的处方图中修复制剂的含量输入到车载修复装备，指导车载修复装备精准修复，实现“定量定位”地注入。土壤的渗透性、地下水水位深度会影响药剂在土壤中的运移，决定药剂注入的位置，高的土壤渗透性将有益于药剂的扩散传输。

所述注入位置包括a、b和c。位置a的坐标为(xa,ya,za),位置b的位置为(xb,yb,zb),位置c的位置为(xc,yc,zc)。从修复处方图上提取出所述注入位置的修复制剂注入量。将修复制剂注入量、注入位置、行走路线输入到车载装备中，实现修复装备的自走式精准修复。

本发明的实施例还提供一种污染土壤测土配方精准修复系统，所述污染土壤测土配方精准修复系统包括：数据采集模块，所述数据采集模块用于获取污染区域土壤中不同位置的污染物分布数据；污染物含量计算模块，所述污染物含量计算模块用于根据污染物分布数据，计算污染区域土壤污染物含量的三维刻画；修复制剂计算模块，所述修复制剂计算模块用于根据污染区域土壤污染物含量的三维刻画，计算修复制剂在污染区域土壤中的注入位置和注入量；修复制剂注入模块，所述修复制剂注入模块用于根据计算得到的注入位置和注入量，向污染区域土壤中注入修复制剂。

数据采集模块根据场地地面建筑规划图或测量图，建立场区三维坐标系统，通过功能区分布决策单元布点，收集获取土壤样品，并在实验室测得土壤样品的污染物含量数据。所述功能区的划分，可通过无人机倾斜摄影技术快速测量获取场地区域的地上三维建筑物分布图，然后结合场区的历史资料进行功能区划分，功能区划分图为判断布点提供基础参考数据。

污染物含量计算模块根据钻井获取的土壤样品，实验室测定污染物含量值，通过空间插值算法，设定插值分辨率，生成三维污染物分布图。

修复制剂计算模块通过采用的化学试剂类型和三维污染物分布图，结合化学反应动力学模型生成三维修复处方图。处方图中的每个栅格单元的值代表该区域需要注入的修复药剂的量。对三维处方图进行污染热点识别，提取出高污染风险区的坐标，作为精准注入点的位置，得到精准注入位置分布图。

修复制剂注入模块在进行修复制剂精准注入时，通过读取注入位置分布图，在规避场地建筑物的情况自动设计导航路线，通过读取注入点的处方图药剂量进行精准注入。

在上述的污染土壤测土配方精准修复系统中，作为优选方案，所述数据采集模块包括：土壤钻孔取样装置，所述土壤钻孔取样装置用于在取样点钻孔，并对不同深度的土壤进行采样，以获取不同位置的土壤样品；土壤研磨机，所述土壤研磨机用于对所述土壤样品进行去杂质后进行研磨；样品测定装置，所述样品测定装置用于测定研磨后的土壤样品的理化性质和污染物浓度。

在上述的污染土壤测土配方精准修复系统中，作为优选方案，所述修复制剂注入模块包括：车载修复装备，所述车载修复装置用于存储并按照修复路线运输修复制剂，保存修复制剂的注入位置和注入量信息，当车载修复装备到达注入位置在地表的投影时，通知注入装置定点定量的注入修复制剂；注入装置，所述注入装置用于将修复制剂注入到特定深度的土壤中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。