環(huán)境背景管理及其在場地環(huán)境評價中的作用

唐艷冬，賀信，周惠艷，張超艷，顏增光，周友亞*，李發(fā)生

1.環(huán)境保護部環(huán)境保護對外合作中心，北京 100035 2.國家應(yīng)用軟件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100139 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院土壤污染與控制研究室，北京 100012

環(huán)境背景管理及其在場地環(huán)境評價中的作用

唐艷冬1，賀信1，周惠艷2，張超艷3，顏增光3，周友亞3*，李發(fā)生3

1.環(huán)境保護部環(huán)境保護對外合作中心，北京 100035 2.國家應(yīng)用軟件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100139 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院土壤污染與控制研究室，北京 100012

對場地進行環(huán)境背景管理是確定區(qū)域污染狀況、評價環(huán)境質(zhì)量、進行污染預(yù)報、制定環(huán)境標準的基礎(chǔ)。與背景管理相關(guān)的問題對于正確解釋潛在污染場地的評估數(shù)據(jù)以及正確區(qū)別人為輸入及背景貢獻至關(guān)重要。缺乏對背景濃度的正確定義或錯誤理解背景濃度概念可導(dǎo)致錯誤鑒別潛在污染場地，或過高估計污染土壤的體積。因此，背景管理策略是場地環(huán)境評估不可分割的部分。介紹了環(huán)境背景值的制定方法及環(huán)境背景評估在場地環(huán)境評價中的作用，概述了歐洲不同國家(意大利、荷蘭)、美國及加拿大有關(guān)背景管理的基本情況及相關(guān)國際標準慣例。

環(huán)境質(zhì)量；環(huán)境背景管理；場地環(huán)境評價；國際標準慣例

環(huán)境背景值這一概念最先由Connor等提出[1]，是指未受污染的情況下，環(huán)境各組成要素的基本化學(xué)成分或化學(xué)元素的含量。它代表了這些環(huán)境要素在其發(fā)生和發(fā)展過程中形成的化學(xué)組成特征，是確定區(qū)域污染狀況、評價環(huán)境質(zhì)量、進行污染預(yù)報、制定環(huán)境標準不可缺少的基礎(chǔ)資料。

背景值的研究具有重要的理論和實踐意義，一直以來都是國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的對象，許多國家先后進行了背景值的研究工作[2-6]。土壤環(huán)境背景值的確定，可以為合理制定土壤環(huán)境質(zhì)量標準提供科學(xué)依據(jù)，為評價城市固體廢物土地利用、農(nóng)業(yè)化學(xué)品投入等人類活動對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響提供參考依據(jù)，有助于研究和評價不同環(huán)境、地質(zhì)、地理條件下土壤的污染程度，有助于確定土壤污染物的來源以制定管理對策。同時它也是指導(dǎo)環(huán)境污染監(jiān)測、環(huán)境評價以及修復(fù)治理工作的基礎(chǔ)，是制定土壤環(huán)境質(zhì)量標準的重要依據(jù)。因此，系統(tǒng)、完善而準確的背景值研究工作尤為必要。

場地環(huán)境評估程序主要包括以下內(nèi)容：1)通過資料收集及現(xiàn)場踏勘對場地進行初步污染識別，對于疑似污染場地做進一步調(diào)查；2)對場地進行采樣分析，確定污染狀況，對確認存在污染的場地進行進一步分析；3)加密采樣分析確定污染范圍及污染程度，基于分析結(jié)果對場地進行風(fēng)險評估，確定修復(fù)范圍，提出治理方案。在對場地進行環(huán)境評估的過程中，場地采樣調(diào)查的檢測濃度如果低于國家或地方的閾值濃度或篩選值(threshold level concentrations，TLCs)，該場地被認為“沒有受到污染”，不需進一步調(diào)查，可再開發(fā)利用；相反，則該場地被認為“可能受到污染”。然而，對于環(huán)境背景濃度較高的地區(qū)，可能會出現(xiàn)由于TLCs比環(huán)境背景值低而錯誤定義潛在污染場地的情況，因此，環(huán)境背景管理對“污染場地的確認”具有重要意義。

然而，即便是在歐洲、美國、加拿大等發(fā)達國家，場地環(huán)境評價程序內(nèi)的背景管理策略也沒有完全標準化，但從國家到地區(qū)，或環(huán)境部門或研究機構(gòu)頒發(fā)了不同的技術(shù)指南或協(xié)議，為實際解決場地評價研究中化學(xué)數(shù)據(jù)的收集和評估問題提供了參考依據(jù)和技術(shù)框架。

1 環(huán)境背景的定義

根據(jù)美國國家環(huán)境保護局(US EPA)2002年的定義，背景(background)是指不受場地排放影響的物質(zhì)的濃度水平，通常分為自然背景(natural background)和人為背景(anthropogenic background)[7]。自然背景值是指環(huán)境中天然存在的、未受人類活動影響的物質(zhì)濃度；人為背景值是指環(huán)境中因人類活動而存在，但與受調(diào)查的潛在污染場地沒有特別聯(lián)系(即不取決于現(xiàn)場點源)的天然物質(zhì)和或人造物質(zhì)的濃度?，F(xiàn)場測得的濃度可能是場地相關(guān)活動和“環(huán)境背景”(ambient background，或統(tǒng)稱為背景)共同作用的結(jié)果，場地環(huán)境背景為場地周圍區(qū)域具有代表性的天然源和可能散布的人為源的總和，如圖1所示。

圖1 與場地相關(guān)的背景濃度組成(US EPA，1995)[8]Fig.1 Site-related versus background concentrations components(US EPA，1995)

2 土壤環(huán)境背景值的制定方法

國際標準化組織(ISO)發(fā)布了ISO 19258:2005土壤質(zhì)量標準——背景值制定指南[9]。該標準提供了確定土壤(不包括地下水與沉淀物)中無機物和有機物背景值的原理和主要方法。按照ISO 19258:2005的規(guī)定，一般土壤環(huán)境背景值的制定過程包括：1)土壤樣品采集，包括制定土樣采集方案及土樣采集步驟；2)土壤樣品分析，包括土壤樣品的前處理，萃取及檢測；3)數(shù)據(jù)的收集、分析和處理。此外，ISO 19258:2005也提到了評估現(xiàn)有數(shù)據(jù)以及從采樣階段至數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)評估階段收集新數(shù)據(jù)的方法和策略。

2.1 背景評估數(shù)據(jù)的獲得

在場地評估過程中進行背景評估的第一步是收集場地周圍環(huán)境基體中可用的地球化學(xué)信息。可使用以前的數(shù)據(jù)，也可通過在“參考場地”(reference site，RS)上同時進行采樣活動獲得。參考場地一般位于目標場地之外，是在背景管理研究中進行對比分析的場地，一般具有以下特點：未受現(xiàn)場化學(xué)品釋放的影響；與目標場地在地貌、地層結(jié)構(gòu)和巖性特征方面盡可能有可比性；位于目標場地上游并與目標場地處于同一流域位置。參考場地與目標場地應(yīng)采用相似的采樣和分析方法。在對比目標場地與參考場地的濃度數(shù)據(jù)時，應(yīng)將主要土壤層或巖層性質(zhì)考慮在內(nèi)。盡管在參考場地采集的樣本數(shù)少于目標場地，但應(yīng)足夠開展場地特定數(shù)據(jù)的“統(tǒng)計比較”。

2.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析與場地特定閾值選擇

可采用單變量、雙變量和多變量統(tǒng)計方法，來表達場地地球化學(xué)數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計特性，以確定濃度“自然變化上限”。在背景管理研究中，原則上可采用不同的圖形工具〔如箱須圖、概率圖、分位數(shù)-分位數(shù)(Q-Q)圖、相關(guān)圖等〕、不同的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法(方差分析、T檢驗等)或顯示變量間顯著相關(guān)〔主成分分析(PCA)、因素分析(FA)、相關(guān)系數(shù)矩陣〕的統(tǒng)計驗證。但每種統(tǒng)計工具均有其適用性，這取決于可用數(shù)據(jù)的信息和類型。因此，分析場地特定數(shù)據(jù)集的最佳方法必須因案例而異。

2.2.1 場地特定頻數(shù)分布分析

地球化學(xué)數(shù)據(jù)集可通過概率圖進行處理。概率圖是一種在探索性數(shù)據(jù)分析[10-11]中廣泛采用的工具，可用于定義背景濃度范圍和確定濃度閾值[12]。Statistica 8.0 (StatSoft Inc.)和Grapher 6.0 (Golden Software)等是獲取圖形或支持分析步驟的常用軟件。

查看概率圖的形狀可快速識別場地特定數(shù)據(jù)集與高斯(Gaussian)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的符合性(在相應(yīng)的概率圖中描繪成直線)。概率圖在分析寬數(shù)據(jù)集上有實際優(yōu)勢，因為：1)通過整個曲線中的形狀中斷或拐點可輕易識別多眾數(shù)分布(即由不同的正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)群體組成的數(shù)據(jù)集，可能有不同程度的重疊)以及通過分區(qū)程序分離組成群體；2)無論是否有足夠的數(shù)據(jù)均可推斷出形成整個數(shù)據(jù)集的單個群體的統(tǒng)計參數(shù)；3)確定背景群體和異常值(異常點或分離統(tǒng)計群體)之間合適的臨界點，并據(jù)此得出場地特定參考極限。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析中選擇一個環(huán)境背景變化上限(UBC，通常與+2σ或頻數(shù)分布的第95百分位點相一致)，以便區(qū)分由現(xiàn)場源造成的潛在污染和環(huán)境背景貢獻。選擇UBC參考值時，應(yīng)將背景群體和異常群體的重疊程度考慮在內(nèi)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的結(jié)果必須與研究區(qū)域現(xiàn)有地質(zhì)地球化學(xué)信息相結(jié)合，以便為各分區(qū)的數(shù)據(jù)組分配一個物理含義(即單個群體和或異常值)。其他基礎(chǔ)圖形工具與概率圖分析同樣也可用于數(shù)據(jù)分析。

2.2.2 場地特定數(shù)據(jù)集與背景頻數(shù)分布比較

對比法是一種識別由現(xiàn)場源引起的人為貢獻，并將它們從背景值中區(qū)分出來的最有價值的方法，該方法以場地特定數(shù)據(jù)與參考場地背景數(shù)據(jù)的完整頻數(shù)分布統(tǒng)計對比為依據(jù)。

通過目標場地與參考場地之間相關(guān)參數(shù)頻數(shù)分布關(guān)系圖可以區(qū)分背景值與人為源，參考場地分布和目標場地特定分布出現(xiàn)“系統(tǒng)漂移”表明可能與目標場地出現(xiàn)的擴散污染有關(guān)，而不是集中在熱點區(qū)域。定量這些中心趨勢參數(shù)(平均值與中值)中的漂移值可使用統(tǒng)計檢驗，如正態(tài)分布變量的Student T檢驗或非參數(shù)Wilcoxon秩和檢驗。當(dāng)僅出現(xiàn)非系統(tǒng)漂移時，表明在這兩個分布之間出現(xiàn)了局部偏差，Q-Q圖(四分位檢驗)可用來比較一個已知元素的兩個分布場地(目標場地與參考場地)的四分位以及能突出出現(xiàn)過顯著漂移的頻率標度的部分。

在環(huán)境評估研究中，通常會發(fā)現(xiàn)缺少實際選中的參考場地的數(shù)據(jù)。在這種情況下，可以參考目標場地周圍區(qū)域的大量地球化學(xué)活動，這些信息提供了相應(yīng)區(qū)域中環(huán)境基質(zhì)(如基巖樣本、水系沉積物)的元素濃度的大量參考數(shù)據(jù)，從而再試著對這些場地數(shù)據(jù)進行解釋。這些從研究項目或從其他公布數(shù)據(jù)中獲得的廣域信息可用來進行背景評估。例如，一個主要露出煤巖類型的組成特性的已知流域的Ni-Cr在蛇紋巖或超鎂鐵巖中正向相關(guān)可用于解釋土壤的痕量元素分析中所觀察到的地球化學(xué)關(guān)系，并最終通過與這些主趨勢的偏離來區(qū)分人為貢獻。

2.3 濃度值深度分布

在背景分析中必須涉及到評估與深度有關(guān)的濃度變化。場地調(diào)查一般都包含了表土(0～1 m)和次表土(gt;1 m)，風(fēng)化與土壤的形成過程會導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)濃度的自然差異。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析中得出，在沒有人為影響時，化學(xué)物質(zhì)濃度在深度剖面內(nèi)變化較小。實際上，現(xiàn)場源決定了污染峰值大部分集中在淺層或低滲透或不滲透層的黏土層上方或黏土層內(nèi)。相反，沿著土壤的剖面化學(xué)物質(zhì)濃度顯著的變化可能與自然富集或者土壤形成的過程中出現(xiàn)的過渡層有關(guān)，也可能與疊加的人為輸入有關(guān)。因此，與參考場地的深度剖面進行比較對于確定自然變化的貢獻至關(guān)重要。

3 背景評估在場地環(huán)境評估中的作用

對一個潛在污染場地逐步進行環(huán)境評估(environmental site assessment，ESA)時(圖2)，如果第一階段場地評估(不包括取樣活動)表明該場地可能存在污染源，則需要對該場地進行初步調(diào)查(第二階段第一步場地評估)，初步調(diào)查的檢測濃度水平如果低于國家或地方的閾值濃度或篩選值(TLCs)，則該場地將被認為沒有受到污染，不需進一步調(diào)查，可被再開發(fā)利用；相反，如果檢測到的濃度值超出了所采用的TLCs，則該場地被認為“可能受到污染”，將會開展詳細調(diào)查(第二階段第二步場地評估)以及進行風(fēng)險評估(第三階段)。

圖2 背景管理與ESA過程Fig.2 Background management and the ESA process

TLCs是一個基于風(fēng)險的標準，與土地利用類型有關(guān)，有時結(jié)果會比較低，對于天然濃度較高的化學(xué)物質(zhì)而言，TLCs通常會根據(jù)具體情況調(diào)高至成為場地化學(xué)物質(zhì)背景值。因此，不管關(guān)注污染物(contaminants of concerns，COCs)的濃度是否超出TLCs，都必須根據(jù)本地背景值進行評估，才能將一個場地定義為“可能受到污染”。

在環(huán)境研究中，通常所說的背景參考濃度為廣義平均值，將一個廣義的平均背景值用作TLCs與場地特定濃度進行逐點對比常常是解決問題的首選方法，但也可能導(dǎo)致錯誤地定義潛在污染場地。確定背景濃度變化范圍及相應(yīng)的置信區(qū)間，獲得充足的場地土壤中化學(xué)物質(zhì)濃度自然變化數(shù)據(jù)將有助于區(qū)分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)，避免在定義潛在污染場地時出現(xiàn)錯誤。

4 國外背景管理監(jiān)管方法與技術(shù)指南簡介

一般來說，國家環(huán)境部門或相關(guān)機構(gòu)會通過指導(dǎo)性文件或技術(shù)草案，尤其是一些現(xiàn)行的環(huán)境風(fēng)險評估導(dǎo)則和法規(guī)，對土壤和地下水中的無機物和一些人造有機物(如有機農(nóng)藥、增塑劑、合成纖維中化學(xué)物質(zhì)等)的環(huán)境背景參考值做出規(guī)定。

在大多數(shù)情況下，背景值的具體研究與場地評估程序同時進行，在具體案例中可以將基于毒性的篩選值(TLCs)提高到元素背景值上限。

4.1 歐洲國家

《歐盟水框架指令》〔EU Water Framework Directive (WFD) 200060EC〕[13]介紹了歐洲國家確定地下水自然背景的方法，它采用了基于流域的方法，為成員國制定了一個水資源管理方面的通用框架。WFD強調(diào)需要定義地下水中溶解成分的自然背景濃度，以便作為參考識別可能的人為輸入。

歐洲化學(xué)品管理局在《信息要求與化學(xué)安全評估指南》附錄R.7.13-2 金屬與金屬化合物環(huán)境風(fēng)險評估[15]中介紹了在環(huán)境風(fēng)險評估中確定金屬和金屬化合物背景濃度的各種方法和各自的優(yōu)缺點。

4.1.1 意大利

在國家層面上，意大利環(huán)境保護與領(lǐng)土局(Agenzia per la Protezione dell’Ambiente e del Territorio，APAT)，環(huán)境保護與環(huán)境研究院(Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale，ISPRA)和國家衛(wèi)生研究院(Istituto Superiore di Sanità，ISS)聯(lián)合發(fā)布了一些確定與國家利益相關(guān)的場地土壤和地下水背景值的技術(shù)草案。如APAT-ISS《確定國家利益相關(guān)場地土壤中金屬非金屬自然背景值的操作草案》(Protocollo Operativo per la Determinazione dei Valori di Fondo Naturale di MetalliMetalloidi nei Suoli dei Siti di interesse Nazionale)[16]；ISPRA《定義地下水中無機物質(zhì)背景值草案》(Protocollo per la Definizione dei Valori di Fondo per le Sostanze Inorganiche nelle Acque Sotterranee)[17]。

在國家指南文件的基礎(chǔ)上，意大利地區(qū)環(huán)境保護署(Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale，ARPA)可基于精密采樣網(wǎng)格，在區(qū)域級或省級開展具體環(huán)境基質(zhì)的自然背景評估。到目前為止，馬爾凱區(qū)環(huán)境保護署(ARPAM)、威尼托區(qū)環(huán)境保護署(ARPAV)、皮埃蒙特區(qū)環(huán)境保護署(APRAP)等一些地區(qū)環(huán)境保護署已經(jīng)制定了區(qū)域尺度的土壤背景值。污染場地清理中自然背景值的制定指南也在省級尺度上予以頒布，如2003年米蘭省頒布的《污染場地清理中自然背景值的制定指南》(Linee guida per la determinazione dei valori del fondo naturale nell’ambito della bonifica dei siti contaminati)[18]。

4.1.2 荷蘭

荷蘭國家公共衛(wèi)生與環(huán)境保護研究院制定了一種在標準制修訂中考慮背景值的實用方法，其在制訂國家環(huán)境標準時，通過所謂的“荷蘭額外風(fēng)險法(DARA)”將金屬的背景濃度考慮在內(nèi)。在假定基本金屬元素的自然存在水平并不會導(dǎo)致風(fēng)險增加的前提下，以環(huán)境風(fēng)險限值加平均背景值作為環(huán)境標準值。該策略的進一步發(fā)展方向是要區(qū)分不同的自然背景值，避免采用單一的平均背景值，同時適當(dāng)考慮金屬的(生物)有效性。

在荷蘭，這些背景參考值的取值是根據(jù)從農(nóng)村地區(qū)未受到任何污染的場地中采集到的樣品的測定值來確定的。對于金屬的土壤背景值，是通過采用回歸模型建立的所謂“參照線”來確定的，該方法將金屬濃度與含有一定比例的有機質(zhì)和黏土的典型原始土壤關(guān)聯(lián)起來。水溶性物質(zhì)在水體中的自然背景值則通過地球化學(xué)模擬方法來建立，而沉積物的背景濃度值則通過采用分配系數(shù)法，從計算得到的水環(huán)境背景值推算而來(RIVM報告，1997)[19]。

4.2 美國

在美國，背景值按區(qū)域來確定，并由環(huán)境保護部門定期更新。俄亥俄州[20]、新罕布什爾州[21]和佛羅里達州[22]已在其全州范圍內(nèi)開展了背景值研究，并提供了采用統(tǒng)計學(xué)方法確立的土壤金屬背景濃度參考值。這些值可作為通用參考值，當(dāng)這些在區(qū)域尺度上獲得的背景值不適用于目標場地的情形時，應(yīng)用當(dāng)?shù)卮_定的背景值來代替。

在美國，對土壤中化學(xué)品的背景值和濃度值進行比較的操作指南由US EPA、US EPA各地方機構(gòu)、美國各州(如肯塔基州)以及海軍設(shè)施工程司令部[23-25]提供。

4.3 加拿大

加拿大環(huán)境部長委員會(CCME)頒發(fā)的土壤質(zhì)量指南中規(guī)定，土壤篩選參考值為國家自然背景值(低值)加上與最小致癌風(fēng)險相關(guān)的其他污染濃度值(高于背景值)。由于需要說明背景值定義的規(guī)模效應(yīng)，加拿大確定了以州為單位制定相應(yīng)的區(qū)域參考背景值，如安大略省環(huán)境和能源部“OMEE，1997 - 表F：安大略省典型土壤濃度范圍”；不列顛哥倫比亞水、土地與空氣保護部“BC MWLAP，未標明日期 - 表 1：無機物質(zhì)地區(qū)背景土壤質(zhì)量估計值”。BC MWLAP在發(fā)布的與土地修復(fù)相關(guān)的技術(shù)程序與政策“草案4-確定土壤質(zhì)量背景”中提到其目的在于：在區(qū)域?qū)用嫔峡偨Y(jié)幾個無機物的土壤背景質(zhì)量可用數(shù)據(jù)；提供用于確定場地特定土壤背景值的程序指南。

5 結(jié)論

盡管國際上可參考的標準框架相當(dāng)分散，但國家到地區(qū)各級環(huán)保部門或研究機構(gòu)頒發(fā)的大量指南和技術(shù)文件仍提供了在場地環(huán)境評估過程中開展背景管理的實用策略與途徑。對場地進行環(huán)境背景管理有利于正確區(qū)別場地人為輸入與背景貢獻，有利于正確解釋潛在污染場地的評估數(shù)據(jù)。缺乏本地COCs參考背景濃度數(shù)據(jù)或錯誤的理解本地COCs參考背景濃度可導(dǎo)致錯誤的定義潛在污染場地，因此環(huán)境背景管理策略應(yīng)作為場地環(huán)境評估研究不可分割的一部分。

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AmbientBackgroundManagementandItsImplicationsforEnvironmentalSiteAssessment

TANG Yan-dong1， HE Xin1， ZHOU Hui-yan2， ZHANG Chao-yan3， YAN Zeng-guang3，ZHOU You-ya3， LI Fa-sheng3

1.Foreign Economic Cooperation Office, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100035, China 2.National Application Software Product Quality Supervision and Testing Center, Beijing 100139, China 3.Department of Soil Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Ambient background management was the basis for the determination of region-scale pollution status, assessment of environmental quality, forecasting of pollution and development of environmental standards. Issues related to background management were of critical importance to correctly interpret assessment data at potentially contaminated sites and properly discriminate possible anthropogenic inputs from background contributions. A lack of definition or a wrong knowledge of local reference background concentration for contaminants of concern may cause misleading conclusions on the classification of a site as potentially contaminated or overestimation of the contaminated volumes, and the background management strategy was therefore absolutely necessary for environmental site assessment procedures at potentially contaminated sites. A brief introduction to the methodology for determination of background values were made, and the influence of environment background assessment in environmental site assessment were briefed. The related basic information of background management and current international regulatory approaches and standard practices in Europe (Italy and Holland), USA and Canada were outlined.

environmental quality; ambient background management; environmental site assessment; international standard practices

1674-991X(2013)02-0163-06

2012-06-11

中意合作-石油化工類污染場地修復(fù)和技術(shù)支持項目(CIIS10045)

唐艷冬(1974—)，女，工程師，從事環(huán)境管理工作，tang.yandong@mepfeco.org.cn

*責(zé)任作者:周友亞(1969—)，女，副研究員，博士，主要從事環(huán)境分析化學(xué)研究工作，zhouyy@craes.org.cn

X53

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.026