泰森多边形耦合插值优化场地污染空间预测与布点

来源 :湘潭大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaohongm
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目前我国污染场地存量较大,对其开展场地调查和修复工作耗费巨大。场地调查中一项重要内容是通过采集土壤污染点位明确场地污染状况和修复范围,空间插值方法常用于这一过程。因污染场地受外界干扰大,所采集污染数据通常具有高偏倚性、高离散度,常用的地统计插值方法和确定性插值方法应用于污染场地空间预测时具有其局限性;同时,随着场地调查工作的深入,科学合理的采样策略设计也将发挥越来越重要的作用,需要从采样密度、采样程序等方面入手提出一套适用于场地采样的方法。本研究依托研究区污染场地重金属砷(As)高偏倚性污染数据,利用泰森多边形耦合插值和网格复合采样方法,构造了一套场地调查布点采样和空间预测的方法流程,使预测结果在较少的采样点数量下,既能识别出准确的污染范围也能保持良好的预测精度。本研究得到的主要结论如下:(1)研究区少数高峰值和超标点的存在造成了整体数据的高偏倚性,砷污染在研究区域具有很强的离散特征。研究区164个As污染数据均值低,极差大,以20mg/kg作为筛选值时只存在7个超标点位,但偏度和峰度达到6.41、54.75,变异系数达到84.95%,K-S检验值小于0.05,数据整体存在高偏倚性,而去除7个超标点位后,偏度和峰度分别下降为0.72和1.56,变异系数降为36.26%,经K-S检验其值大于0.05符合正态分布,由此可判断污染数据的高偏倚性由少数几个超标点位引起。同时因场地数据离散度高,不同的采样数据集,会产生不同的空间相关性分析结果,故在进行插值分析尤其是地统计插值分析之前须对数据结构特征进行分析评估。(2)对研究区As污染数据进行单一插值分析发现,普通克里金法(OK)交叉验证精度最高,但其平滑效应强烈,无法作为污染范围预测的工具。确定性插值方法能够预测出研究区相应污染范围,但预测精度相比OK法较低。综合污染空间分布和交叉验证结果,反距离权重法(IDW)和径向基函数法(RBF)相较于OK法更加适用于污染场地的空间插值,反高次曲面函数法(RBF_IMQ)、规则样条函数法(RBF_CRS)、反距离权重法(IDW)适合作为研究区插值方法,其中RBF_IMQ预测效果最佳。(3)利用泰森多边形对研究区进行分区,分为未超标点位所在多边形区域和超标点所在多边形区域,未超标点区域保留OK法插值结果,超标点区域保留确定性插值结果。通过交叉验证和污染空间分布分析发现,利用泰森多边形进行分区耦合插值,可有效提高研究区污染空间分布预测准确性和交叉验证精度,其中最佳耦合插值法是OK法和RBF_IMQ法结合形成的OK-RBF_IMQ法。(4)耦合插值方法支持下的网格加专业判断布点方法,能够以更少的采样点位获得更好的污染预测效果。本研究通过空间模拟抽样获得不同网格采样间距下的采样数据,通过分析数据结构发现,40 m×40 m是进行网格采样的需达到的最低间距。以最佳耦合插值法OK-RBF_IMQ法对不同网格采样数据进行插值分析,综合预测精度和经济成本,35 m×35 m是最佳初始网格布点间距。在此基础上进行专业判断加密布点并再次进行耦合插值分析,其预测精度和空间分布预测结果均优于研究区所有点位单独使用RBF_IMQ法插值的结果。优化空间插值方法和采样方法后,所用采样点位仅93个,相比研究区164个点位减少比例达43.29%。
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