跨國界流域重金屬污染溯源體系框架初步構(gòu)建

鄭 軍，張 立，楊常青，魏 亮，國冬梅

跨國界流域重金屬污染溯源體系框架初步構(gòu)建

鄭 軍1，張 立1，楊常青2，魏 亮1，國冬梅1

(1.中國-東盟環(huán)境保護(hù)合作中心,北京 100035；2.中日友好環(huán)境保護(hù)中心,北京 100029)

通過調(diào)研國內(nèi)外水環(huán)境污染溯源的主要研究方法,結(jié)合我國跨國界流域重金屬污染和監(jiān)管的現(xiàn)狀,提出構(gòu)建以空間溯源為主線、行業(yè)溯源和成分溯源作為重要補(bǔ)充的跨國界流域重金屬污染溯源技術(shù)體系,綜合運(yùn)用基于最優(yōu)搜索理論的優(yōu)化監(jiān)測排查法、主成分分析和因子分析法,對(duì)跨國界流域內(nèi)的重金屬污染源的空間位置、行業(yè)類型及工藝環(huán)節(jié)等多個(gè)方面進(jìn)行分析定位,旨在為我跨國界流域污染控制和外事協(xié)調(diào)管理提供重要依據(jù)。

跨國界流域；重金屬；污染溯源；最優(yōu)搜索理念；因子分析；主成分分析；污染控制

跨國界流域重金屬污染是指產(chǎn)生于一國管轄范圍內(nèi)的重金屬污染物,通過跨國界河流這一介質(zhì),在另一國領(lǐng)土范圍內(nèi)產(chǎn)生環(huán)境影響或危害。我國有跨國界河流40多條,涉及19個(gè)主要國家[1],邊境地區(qū)的發(fā)展大多依托當(dāng)?shù)刈匀毁Y源,其中重金屬采礦與冶煉加工企業(yè)基本分布在邊境流域的上游,潛在重大的重金屬跨境污染風(fēng)險(xiǎn)。2005年“松花江事件”發(fā)生至今,從國外政治和談判壓力看,周邊國家對(duì)于跨界河流水質(zhì)的關(guān)注已經(jīng)上升到前所未有的高度[2]。其中,跨國界流域重金屬污染的跨界影響日益受到中外雙方關(guān)注,如中俄跨界水體聯(lián)合監(jiān)測中專門就水中和底泥中的砷、汞、鎘、六價(jià)鉻和鉛等重金屬污染物進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測,并擬就溯源分析展開談判；中國和哈薩克斯坦交換的跨界河流水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)中也包括了砷、汞、鎘、六價(jià)鉻和鉛等主要重金屬污染物。目前,國內(nèi)對(duì)跨國界河流重金屬污染狀況掌握得較少,還沒有開展系統(tǒng)有效的溯源分析,而對(duì)重金屬污染溯源是整個(gè)跨國界河流污染防治技術(shù)合作與利益協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1 國外河流污染溯源概況

“溯源”又稱“源解析”,起源于對(duì)大氣顆粒物的識(shí)別與解析。發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)六七十年代開始,為了有效控制大氣顆粒物的污染源,逐漸研究、發(fā)展了許多用于計(jì)算污染源對(duì)受體環(huán)境貢獻(xiàn)值的計(jì)算模型[3]。大氣源解析技術(shù)大體可以分為3種:①排放清單；①以污染源為對(duì)象的擴(kuò)散模型；③以污染區(qū)域?yàn)閷?duì)象的受體模型。河流水環(huán)境的污染溯源研究主要借助了部分大氣污染源解析的擴(kuò)散和受體模型,如貝葉斯推理法、多元統(tǒng)計(jì)、化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)[4]等。Simeonov等[5]用主成分分析法、多元線性回歸法解析希臘北部流域水體污染源。

但在實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)達(dá)國家由于建立了系統(tǒng)完整的排放清單,并通過普及自動(dòng)在線監(jiān)測設(shè)備,建立了完善的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),大部分水污染能通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)直接查找到污染源。如,美國于1959年開始進(jìn)行水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測,現(xiàn)有覆蓋全美各河流與水源地超過7000個(gè)觀測站點(diǎn),并且所有站點(diǎn)都與衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng),所有站點(diǎn)全天候監(jiān)控,并且所有站點(diǎn)2 h前的數(shù)據(jù)均可在網(wǎng)絡(luò)上查到[6]。英國在1975年建成的泰晤士河流水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由1個(gè)監(jiān)控中心站和250個(gè)子站組成。德國萊茵河各州內(nèi)部中,北威州有3500個(gè)基礎(chǔ)監(jiān)測站,250個(gè)強(qiáng)化監(jiān)測站,91個(gè)趨勢監(jiān)測站[7]。荷蘭在34000 km2內(nèi)設(shè)置了30000多個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn),密度接近1個(gè)/km2[8]。日本在1971年后,由環(huán)境廳支持,開始在東京、大阪等地建立水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),至1992年已設(shè)置169個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站[9]。這些監(jiān)測站所采用的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備在應(yīng)用中逐漸引入了現(xiàn)代尖端微電子技術(shù),如嵌入式微控制器技術(shù),完全實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和運(yùn)算的智能化和自動(dòng)化。因此,在水污染事故發(fā)生后,可通過查看在線監(jiān)測數(shù)據(jù)迅速開展溯源工作,并且結(jié)果準(zhǔn)確。

2 國內(nèi)常見水環(huán)境污染溯源方法

我國在環(huán)境污染溯源方面的研究主要集中在大氣環(huán)境的研究[10-11],而水環(huán)境的污染溯源研究起步較晚。在實(shí)際工作中,國內(nèi)水環(huán)境的污染源排查比較常用的方法依然是傳統(tǒng)的排查法,即首先通過基礎(chǔ)資料調(diào)研與現(xiàn)場勘查確定污染物質(zhì)與污染范圍,然后對(duì)沿河污染源進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,確定疑似污染源,采集該污染源下游斷面具代表性的水質(zhì)樣品,進(jìn)行監(jiān)測分析,從而確定污染源。傳統(tǒng)的排查法有耗時(shí)長,人力、物力、財(cái)力消耗大等缺點(diǎn)。鑒于此,國內(nèi)相關(guān)專家也嘗試從其他角度開展污染溯源的理論方法研究。

2.1 基于少量監(jiān)測數(shù)據(jù)的水動(dòng)力學(xué)理論反演法

水動(dòng)力學(xué)反演法是指以水動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ),根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡匦?、污染指?biāo)監(jiān)測值、污染源分布基本情況等實(shí)測數(shù)據(jù),從空間上借助數(shù)學(xué)模型,推算反演污染源的排放強(qiáng)度并定位污染源位置的方法。該方法主要包括遺傳算法(GA)[12]、貝葉斯推理法[13]和正則化法[14]3種。水動(dòng)力學(xué)反演法能在少量幾個(gè)污染源的情況下對(duì)實(shí)際污染源進(jìn)行精確的回溯與定位,但該法對(duì)水文數(shù)據(jù)的要求較高,計(jì)算過程需涉及流速、擴(kuò)散系數(shù)、污染物降解速率等參數(shù)。由于我國各跨國界流域水文情勢較為復(fù)雜,監(jiān)測斷面相對(duì)不足,并且污染源來源繁多,因此水動(dòng)力學(xué)反演法并未得到廣泛應(yīng)用。

2.2 基于一定量監(jiān)測數(shù)據(jù)的成分比例分析法

成分比例分析法是指在已知若干疑似目標(biāo)污染源的情況下,通過多元統(tǒng)計(jì)、化學(xué)質(zhì)量平衡、源解析受體等模型,推斷各疑似污染源對(duì)特征污染元素的污染貢獻(xiàn)比例。該方法主要包括主成分分析/因子分析法[15-16]、化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)[17-18]、源解析受體模型(IDNN)[19]3種。其中CMB法曾被美國EPA規(guī)定為源解析標(biāo)準(zhǔn)方法。該方法根據(jù)質(zhì)量守恒定律,將各污染源的污染物質(zhì)乘以沿途消耗系數(shù),再進(jìn)行線性組合,得出污染區(qū)域的污染物質(zhì)成分譜。CMB法國際認(rèn)可度較高,但沿途損耗系數(shù)的給出需實(shí)時(shí)更新排放源數(shù)據(jù),因此工作量較大。成分比例分析對(duì)水文參數(shù)的需要較少,但對(duì)監(jiān)測斷面的數(shù)量和監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定的要求,并且要求各污染源之間互不相關(guān),采樣和分析期間變化不大。以上3種方法在國內(nèi)重金屬的污染溯源中都有所應(yīng)用[17,20-21]。

2.3 基于大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的污染源排查法

污染源排查法是指利用現(xiàn)有環(huán)保部門的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng),收集大量監(jiān)測斷面或監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù),結(jié)合系統(tǒng)科學(xué)的分析,反復(fù)排查以搜索到最有可能產(chǎn)生污染事件的污染源。該方法包括傳統(tǒng)的監(jiān)測排查法以及基于最優(yōu)搜索理論的優(yōu)化監(jiān)測排查法2種。基于最優(yōu)搜索理論的優(yōu)化監(jiān)測排查法是劉穎[20]在系統(tǒng)分析我國環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,引入屬于運(yùn)籌學(xué)范疇的最優(yōu)搜索理論,從目標(biāo)和搜索資源2個(gè)方面優(yōu)化了流域事故性污染源的搜索體系。

基于最優(yōu)搜索理論的優(yōu)化監(jiān)測排查法的主要過程是:首先在詳細(xì)掌握當(dāng)?shù)匚廴驹捶植己凸芾頎顩r的基礎(chǔ)上,由專家組對(duì)排污口和污染子區(qū)域進(jìn)行劃分,并分類計(jì)算不同子區(qū)域污染源的出現(xiàn)概率,最后對(duì)不同排污子區(qū)域提出優(yōu)化后的監(jiān)測排查方案[16]。污染源排查法對(duì)水文和監(jiān)測數(shù)據(jù)要求相對(duì)不高,是目前環(huán)保部門掌握并應(yīng)用最多的污染溯源方法,比較適合我國目前重金屬污染的空間溯源工作。筆者認(rèn)為,根據(jù)我國不同流域事故性污染源的特點(diǎn),運(yùn)用基于最優(yōu)搜索理論的優(yōu)化監(jiān)測排查法是值得推薦的污染溯源方法。

2.4 基于特殊監(jiān)測方法的溯源法

這是一種利用同位素[21]、遙感[22]和流場模擬[23]等特殊監(jiān)測手段的溯源方法。這些方法對(duì)監(jiān)測技術(shù)、設(shè)備以及技能要求較高,實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的因素較多,結(jié)果相對(duì)粗略。目前這些方法在我國基本停留在理論研究階段,還不具備開展大范圍實(shí)踐工作的條件。

2.5 其他輔助方法

其他輔助方法有,通過對(duì)比監(jiān)測點(diǎn)與當(dāng)?shù)夭煌尘俺练e物中重金屬質(zhì)量濃度來辨別監(jiān)測點(diǎn)的重金屬來源途徑的背景值比較法[24]；通過比較各種重金屬之間、重金屬與其他污染指標(biāo)之間、重金屬與運(yùn)移載體之間的相關(guān)性,辨別污染來源的相關(guān)性分析法[25]；將污染物質(zhì)以及相關(guān)離子按濃度繪制成圖,根據(jù)圖形特征和當(dāng)?shù)匚廴驹吹奶卣魍茢辔廴驹吹睦L圖法[26]。以上這些方法基本上都無法獨(dú)立給出污染物的確切來源,因此多作為輔助性的溯源方法。

以上5大類污染溯源方法各有特點(diǎn),其中前3類方法中越靠后的方法所需數(shù)據(jù)量和獲取難度都越大,得到的結(jié)果也越精準(zhǔn)。第4類方法則要基于特殊的監(jiān)測手段,數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)難度相較前3種更高,實(shí)際應(yīng)用的案例也更少。而第5類則是輔助性說明方法,基本不能作為獨(dú)立的溯源手段判定污染的來源。此外,從在國內(nèi)的應(yīng)用層面來看,我國水環(huán)境污染溯源技術(shù)體系并不成熟,大部分文獻(xiàn)報(bào)道屬于學(xué)術(shù)研究階段,并且也多集中在有機(jī)物尤其是多環(huán)芳烴(PAHs)的源解析研究,而有關(guān)重金屬源解析的學(xué)術(shù)研究大部分采用第2類成分比例法。究其原因,化合物的含量和成分在污染物來源解析中起到了非常重要的作用,相比有機(jī)物污染源成分復(fù)雜且多變,重金屬在水體中具有很高的穩(wěn)定性和難降解性,因此因子分析、CMB、受體模型等基于一定量監(jiān)測數(shù)據(jù)的成分比例法是解析無機(jī)污染物尤其是重金屬的首選方法。

3 跨國界流域重金屬污染溯源技術(shù)體系構(gòu)建

3.1 跨國界流域重金屬污染溯源技術(shù)體系框架

我國跨國界河流水量占所有河川水量27%,雖然對(duì)跨境河流的利用率不足5%,但近年來我國對(duì)跨境河流的開發(fā)利用還是引起了一些周邊國家的爭議[1-2]。相較于內(nèi)地河流,跨境河流地處邊陲地區(qū),較少受化工類企業(yè)的有機(jī)污染,而相對(duì)較多的礦產(chǎn)資源開發(fā)所帶來的重金屬污染以及尾礦庫潰壩風(fēng)險(xiǎn),使得跨國界河流重金屬污染應(yīng)急溯源的技術(shù)體系構(gòu)建成為當(dāng)務(wù)之急。

國內(nèi)在重金屬污染溯源方面也做過大量的研究。從污染物溯源的發(fā)展歷程上來看,早期研究方向主要為潛在事故發(fā)生源管理、應(yīng)急管理、自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警、快速響應(yīng)應(yīng)急方案等方面,但這些研究大多針對(duì)已知(或者疑似)污染源,而針對(duì)未知污染源的溯源分析,比較常用的依然為傳統(tǒng)的排查法。而目前我國跨國界河流監(jiān)測斷面設(shè)置相對(duì)較少,重金屬實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的欠缺使得國外的溯源經(jīng)驗(yàn)很難為國內(nèi)借鑒。此外,我國跨界流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和水文參數(shù)相對(duì)不足,而邊境地區(qū)包括尾礦庫在內(nèi)的疑似重金屬污染源數(shù)量眾多,單靠1種溯源方法很難有效準(zhǔn)確地達(dá)到定位要求,亟須構(gòu)建從污染源清單建立和比對(duì),到應(yīng)用分析技術(shù)手段回溯驗(yàn)證的一整套技術(shù)體系。

為便于及時(shí)而有效地開展跨國界流域重金屬污染溯源,必須構(gòu)建跨國界流域重金屬污染溯源技術(shù)體系框架(圖1)。首先以當(dāng)?shù)厣嬷亟饘傥廴驹磁欧徘鍐纬鹾Y為基礎(chǔ),從空間、行業(yè)和成分3個(gè)角度入手,并以空間溯源為主線,行業(yè)溯源和成分溯源為重要補(bǔ)充,綜合運(yùn)用基于最優(yōu)搜索理論的優(yōu)化監(jiān)測排查法、主成分分析法和因子分析法,實(shí)現(xiàn)對(duì)跨國界流域內(nèi)重金屬污染源的空間位置、行業(yè)類型及工藝環(huán)節(jié)等多個(gè)方面進(jìn)行逐步回溯、定位的目的。

圖1 跨國界流域重金屬污染溯源技術(shù)體系框架

3.2 空間溯源是跨界水污染溯源的重點(diǎn)和定責(zé)前提

空間溯源就是要找出污染源的具體位置,并明確重金屬污染源來自自然源還是人為產(chǎn)生,這是有關(guān)跨境雙方污染溯源追責(zé)的首要前提。目前我國環(huán)保部門普遍使用傳統(tǒng)監(jiān)測排查法。優(yōu)化監(jiān)測排查法是在傳統(tǒng)監(jiān)測排查法基礎(chǔ)上改進(jìn)而來,容易為地方環(huán)保部門所掌握和使用,因而推薦將其作為地方環(huán)保部門空間溯源的主要方法。下一步應(yīng)按照不同行政區(qū)劃、受納跨界水體的具體河段開展優(yōu)化監(jiān)測排查的研究與示范工作。此外,背景值比較法是開展空間溯源的重要輔助方法,該方法結(jié)合不同歷史時(shí)期以及當(dāng)?shù)乇尘巴寥?、礦石重金屬含量的數(shù)據(jù),用以區(qū)分污染的自然源和人為源屬性,尤其是針對(duì)原生地質(zhì)條件中重金屬含量較高地區(qū),可以較好地幫助分析污染的來源情況。

3.3 行業(yè)溯源和成分溯源是空間溯源的重要補(bǔ)充

行業(yè)溯源指通過調(diào)查掌握邊境地區(qū)各類環(huán)境質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用主成分分析法或因子分析法分析涉重金屬污染源排放數(shù)據(jù),判斷各河段內(nèi)相關(guān)重金屬因子的主要行業(yè)來源。行業(yè)溯源輔以相關(guān)性分析方法,從兩兩之間尋找關(guān)聯(lián)性,提高行業(yè)溯源的準(zhǔn)確性。成分溯源是在行業(yè)溯源基礎(chǔ)上找出該類重金屬污染有可能指向的具體生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)。成分溯源推薦因子分析法作為主要方法,通過對(duì)特定重金屬的不同形態(tài)、價(jià)態(tài)的分析,找出產(chǎn)生該類重金屬污染現(xiàn)象的具體工藝環(huán)節(jié)。輔助方法為繪圖法,即將河流重金屬及其相關(guān)離子濃度繪制成圖,根據(jù)圖形特征和污染源特征比對(duì),推斷生產(chǎn)工藝的重金屬污染來源。

4 總結(jié)與展望

跨國界水環(huán)境污染問題事關(guān)國家政治外交大局,水污染溯源體系的構(gòu)建與應(yīng)用對(duì)污染防治和跨界水糾紛的解決具有重要意義。目前由于國內(nèi)的水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)并不完善,適合我國國情的各類排放源成分譜數(shù)據(jù)庫還沒有建立起來,因此污染溯源方法并不能直接借用國外的經(jīng)驗(yàn),應(yīng)盡快探索構(gòu)建一套適合我國國情的水污染溯源技術(shù)體系。我國跨國界流域內(nèi)的重金屬污染潛在影響較大,亟須加強(qiáng)邊界流域內(nèi)涉重企業(yè)重大風(fēng)險(xiǎn)源的調(diào)查與篩選工作,建立流域重金屬污染排放源清單。與此同時(shí),借助調(diào)查采樣與數(shù)據(jù)分析,綜合運(yùn)用空間溯源、行業(yè)溯源和成分溯源的流域重金屬污染溯源技術(shù)體系,對(duì)跨國界流域內(nèi)重金屬污染源的空間位置、行業(yè)類型及工藝環(huán)節(jié)等多個(gè)方面進(jìn)行定位,逐步縮小回溯范圍,為重金屬溯源以及判斷污染的發(fā)展趨勢提供參考,也為跨國界水矛盾的調(diào)處提供科學(xué)基礎(chǔ)。

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Initial fram ework construction of sources identification system of heavy m etal pollution in trans-boundary river basin

ZHENG Jun1,ZHANG Li1,YANG Changqing2,WEI Liang1,GUO Dongmei1
(1.China-ASEAN Environmental Cooperation Center,Beijing 100035,China；2.Sino-Japan Friendship Centre for Environmental Protection,Beijing 100029,China)

Based on investigation of the internal and external research on water pollution source identification methods,combined with heavymetal pollution and regulatory status of trans-boundary river,a framework of sources identification for heavy metal pollution in Chinese trans-boundary water was constructed,which regards space identification as the main line,industry and component identification methods as the important supplementary. Optimization ofmonitoring investigation method based on optimal search theory,principal component analysis and factor analysis was applied to identify the comprehensive locating of the spatial position,industry type and process of heavymetal pollution sources in the trans-boundary river,which provides a scientific basis for trans-boundary water pollution control and foreign coordination.

trans-boundary river；heavy metal；pollution sources identification；optimal search theory；factor analysis；principal component analysis；pollution control

X501

：A

：1004 6933(2015)06 0057 05

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.009

2015 08 15 編輯:彭桃英)

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2014ZX07503-004-03)；環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201009040)

鄭軍(1982—),男,工程師,博士,主要從事跨國界環(huán)境問題研究。E-mail:zheng.jun@chinaaseanenv.org