基于綜合環(huán)境風險的砷污染場地優(yōu)控篩選方法

李 嬌，熊燕娜，滕彥國，蔣進元，李君超，譚 偉

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 2.生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學品管理技術(shù)中心，北京 100125 3.北京師范大學水科學研究院，北京 100875

隨著國家相關(guān)環(huán)保政策的實施，中國大量重污染工業(yè)企業(yè)陸續(xù)搬遷和關(guān)閉，其遺留的污染場地對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅。鑒于污染場地污染物濃度和毒性水平差異、受體敏感性、場地用途和修復成本等多種因素的影響，污染場地的修復工程目前還不可能全面開展。因此，篩選優(yōu)控污染場地，有針對性地開展污染場地修復，是實現(xiàn)污染場地科學管理和綠色可持續(xù)修復的關(guān)鍵[1-4]。

美國、加拿大、荷蘭和新西蘭等國家在資金、人力、物力和機構(gòu)設置等條件受限的實際情況下，提出了基于環(huán)境風險篩選分級分類方法來構(gòu)建本國的污染場地分類分級管理體系，有效推進了污染場地風險管理工作的發(fā)展[5-8]。20世紀80年代，美國提出了超級基金和國家優(yōu)先控制名錄(NPL)制度，在1986年的《超級基金修正與重新授權(quán)法》中規(guī)定NPL名錄產(chǎn)生的主要方法為指定危害分級系統(tǒng)(HRS)，經(jīng)過40多年的發(fā)展，美國已形成了較為成熟的污染場地分級分類機制。加拿大污染場地分類管理基于國家分類系統(tǒng)(NCS)，NCS評分系統(tǒng)包括污染場地中污染物特征、污染途徑和受體敏感性三大要素，在對污染場地進行詳細調(diào)查的基礎上，利用NCS實現(xiàn)場地的分類排序和再分類。新西蘭和荷蘭分別制定了風險篩選系統(tǒng)和Sanscrit系統(tǒng)將污染場地進行風險分級。

據(jù)不完全統(tǒng)計，中國共有超過65萬m2的污染場地需要被識別和修復[3,9]。場地污染問題已引起國家高度重視，2011年國家啟動了重金屬污染防治專項行動，于2016年發(fā)布了《土壤污染防治行動計劃》，提出要加強污染場地管理技術(shù)方面的研究。另外，根據(jù)中國污染場地治理戰(zhàn)略，各省(區(qū)、市)均應制定一份基于風險的優(yōu)控污染場地清單[10]。目前中國的污染場地分類分級管理研究已取得一定成果，主要體現(xiàn)在現(xiàn)狀、進展、問題探討等方面，初步構(gòu)建了污染場地分類體系框架。國內(nèi)相關(guān)學者[11-12]根據(jù)污染物的物理化學性質(zhì)、賦存狀態(tài)、遷移性、含量水平和周圍是否有敏感目標等因素，構(gòu)建了基于不同危害級別和管理級別的場地危害分級管理方法，在總結(jié)發(fā)達國家污染場地分類評估指標和評估方法的基礎上，選取污染物特征、污染途徑和受體三大類場地評價因子構(gòu)建國家污染場地管理分類體系框架。然而，中國關(guān)于如何篩選優(yōu)控污染場地以更好地實現(xiàn)污染場地分類分級管理的相關(guān)研究仍然較少，實際污染場地的應用案例研究欠缺[13]。

20世紀90年代末，砷及其化合物產(chǎn)品市場逐步被替代，加之砒霜生產(chǎn)環(huán)境污染嚴重，砒霜生產(chǎn)企業(yè)全部關(guān)閉，形成了大量的砷渣污染場地[14]。由于缺乏科學的管理及有效的防控措施，砷渣污染場地中仍有遺留廢渣裸露在外，對周邊環(huán)境造成嚴重威脅[15]。筆者以中國西南部某市15個砷渣污染場地為研究對象，以污染場地初步調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎，綜合考慮污染源強、污染途徑脆弱性和受體敏感性3個方面的環(huán)境風險[16],并結(jié)合敏感性分析篩選出優(yōu)控砷渣污染場地名單。

1 研究方法

1.1 場地調(diào)查

1.2 綜合環(huán)境風險指數(shù)法

基于綜合環(huán)境風險指數(shù)的污染場地排序法綜合考慮了污染場地污染物的強度和污染場地對于污染物在環(huán)境介質(zhì)遷移過程中的影響，以及受體對于污染物危害的敏感程度。因此，污染場地綜合環(huán)境風險可用污染源強、污染途徑脆弱性和受體敏感性3個指標(一級指標)表征[17]。其中，污染源強受污染物賦存介質(zhì)類型、污染物毒性和含量水平等影響，污染途徑脆弱性受污染物隨地下水、地表水、土壤和底泥遷移的可能性等影響，受體敏感性受污染場地是否存在敏感受體等影響，這些影響因素均可作為子(二級)指標[10]。由此，可推導出污染源強、污染途徑脆弱性和受體敏感性指數(shù)計算公式：

ST=Ssqs+Stqt+Srqr

(1)

(2)

式中：ST、Ss、St和Sr分別代表污染場地環(huán)境風險指數(shù)、污染源強指數(shù)、污染途徑脆弱性指數(shù)和受體敏感性指數(shù)，qs、qt和qr對應各一級指標的權(quán)重，Ssi、Sti和Sri分別代表污染源強、污染途徑脆弱性和受體敏感性各子指標得分。

2 結(jié)果與討論

2.1 砷渣污染場地基本特征

2.1.1 砷渣污染場地概況

某市15個典型砷渣污染場地基本信息調(diào)查結(jié)果(表1)表明，此次調(diào)查的污染場地使用年限為3～37年不等，平均使用年限為18.7年。其中，大多數(shù)污染場地使用年限較長(不低于20年)，僅有4處污染場地使用年限低于5年。現(xiàn)有砷渣堆存量為8～30 000 t，平均為3 576 t，其中H7砷渣堆存量遠高于其他污染場地。砷渣堆體占地面積相差較大，為550～45 000 m2，平均為8 771 m2。15個砷渣污染場地地下水和土壤污染程度均相差較大，變化范圍分別為1.1～64 μg/L和1 198.44～13 959.59 mg/kg，平均值分別為11.17μg/L和5 528.6 mg/kg。變異系數(shù)代表數(shù)據(jù)分布的均勻性和離散度，堆存量、砷堆占地面積和地下水污染濃度的變異系數(shù)均大于1，屬于極度變異，表明這3個指標在各污染場地差異極大。

表1 砷渣污染場地基本特征Table 1 Basic characteristics of arsenic contaminated sites

2.1.2 砷渣污染場地水文地質(zhì)特征

水文地質(zhì)條件直接關(guān)系到污染物的遷移性質(zhì)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次研究的污染場地所在區(qū)域大多為山地，坡度適中，且周邊均為鄉(xiāng)村。所在區(qū)域土壤有7處為壤土，5處為粘土，3處為砂土。含水層介質(zhì)類型主要為裂隙水和巖溶水，含水層巖性主要為砂卵石和中(粗)砂，少數(shù)為粉細砂和粉土。

也就是說，如果孩子在做一件他非?？释氖?，自控力比較不容易損耗。相反，如果他只是被迫做一件事，自控力就會不堪一擊。

2.1.3 砷渣污染場地周邊環(huán)境敏感源分布特征

污染場地周邊環(huán)境敏感源分析主要是基于人體健康和生態(tài)環(huán)境考慮。通過野外調(diào)研和國內(nèi)外文獻查詢，確定砷渣污染場地周邊環(huán)境敏感源分布研究主要為以下4方面：砷渣污染場地周邊人口分布、地表水系分布、飲用水源分布和農(nóng)田分布。表2是15個污染場地受體敏感性指標的描述性統(tǒng)計結(jié)果。

表2 受體敏感性指標統(tǒng)計分析結(jié)果Table 2 Statistical analysis results of receptor sensitivity indicators

由表2可知，污染場地距最近的農(nóng)場、河流和社區(qū)距離分別為110～3 506、216～3 918、168～3 070 m，平均為819.7、3 244.8、698.3 m。附近敏感受體人數(shù)為400～95 000人，平均為13 679人。社區(qū)數(shù)量為1～6個，平均每個污染場地附近社區(qū)數(shù)量為2個。由變異系數(shù)分析可知，距最近河流距離的變異系數(shù)較小(0.23)，表明各污染場地距最近河流的距離差異較小。附近敏感受體人數(shù)變異系數(shù)高達1.65，屬于極度變異，表明各污染場地附近分布人口具有較大差異。

2.2 綜合環(huán)境風險分析與評價

2.2.1 污染源強分析

根據(jù)污染場地初步調(diào)查數(shù)據(jù)和國內(nèi)外污染源強分析指標[11,18]的調(diào)查分析，研究選擇的污染源強指標為土壤污染濃度、地下水污染濃度、堆體占地面積、堆存量和服務年限。這5項指標即為綜合環(huán)境風險的二級指標，其分級賦值標準見表3。污染場地殘留的重金屬通常為污染物質(zhì)，研究中土壤和地下水中砷的污染物濃度直接反映了污染場地特征污染物的污染水平，同時也是強烈的二次污染源。占地面積和堆存量是最直接的污染源標準指標，服務年限代表污染擴散范圍，服務年限越久代表擴散范圍越大，潛在的二次污染源也就越多。

表3 污染源強指標分級標準Table 3 Clssification criteria for pollution source intensity indicators

根據(jù)收集到的砷渣污染場地基礎信息資料和采樣調(diào)查結(jié)果，分別對污染源強指標進行賦值，并根據(jù)公式(2)計算，得到污染源強指標評分結(jié)果(圖1)?？梢钥闯?，各污染場地源強得分為11～24分不等，其中得分較高的前4名為H15、H9、H6和H8，分別為24、20、18、18分。

圖1 砷渣污染場地污染源強指標評分結(jié)果Fig.1 Score results of the pollution source intensity indicators for arsenic contaminated sites

2.2.2 污染途徑脆弱性分析

污染途徑是污染物從源強到受體的過程，不同類型污染途徑對污染物在環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化具有重要影響。研究根據(jù)污染場地初步調(diào)查數(shù)據(jù)和對國內(nèi)外污染途徑脆弱性分析指標[11,18]的調(diào)查分析，選擇污染途徑脆弱性指標為重點區(qū)域地表覆蓋情況、工程防滲或隔離設施情況、包氣帶土壤滲透性、土壤污染物揮發(fā)性、土壤污染物遷移性和年降水量，這6項指標即為綜合環(huán)境風險的二級指標。

通常來說，污染場地堆場的覆蓋情況和工程防滲或隔離設施情況屬人為手段，且能夠有效防止固廢對周邊環(huán)境的遷移，因此覆蓋或隔離的越徹底，對污染物阻隔的效果越好；包氣帶土壤滲透性越弱越容易阻隔地表污染物往地下水遷移，而污染物在土壤和地下水中的遷移不僅與土壤和地下水介質(zhì)有關(guān)，還與污染物本身物理化學性質(zhì)有關(guān)，污染物遷移能力越強，越容易對土壤和地下水產(chǎn)生污染；而降雨量是污染物在土壤和地下水中遷移的外界條件，通常來說，降雨量越大，污染物遷移能力越強，越容易隨地表徑流污染周圍環(huán)境。表4為污染途徑脆弱性指標的分級賦值標準。

表4 土壤污染遷移途徑脆弱性分級標準Table 4 Clssification criteria for soil pollution migration pathway vulnerability

污染途徑脆弱性指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(圖2)表明，各污染場地污染途徑脆弱性得分范圍為15～34分，其中得分較高的前4名為H15、H12、H11和H2，分值分別為34、29、24、23分。通過對比分析各指標得分占比可以發(fā)現(xiàn)，污染物揮發(fā)性和覆蓋情況在污染途徑脆弱性評價中占有重要地位。

圖2 土壤污染途徑脆弱性指標評分結(jié)果Fig.2 Score results of the soil pollution migration pathway vulnerability indicators

2.2.3 受體敏感性分析

受體敏感性是受體對污染物危害接受的敏感程度。研究根據(jù)污染場地初步調(diào)查數(shù)據(jù)和對國內(nèi)外受體敏感性分析指標[11,18]的調(diào)查分析，選擇受體敏感性指標為距最近耕地(農(nóng)場)距離、距最近社區(qū)距離、距最近河流距離、社區(qū)(居民活動區(qū))數(shù)量和人口數(shù)量，這5項指標即為綜合環(huán)境風險的二級指標。通常來說，污染場地的受體主要指人或人群，而受體的敏感性主要指人或人群的活動特征。受體受到污染場地危害的敏感性不僅與人類活動和污染場地的距離有關(guān)，也與人群的數(shù)量有關(guān)。人類活動與污染場地距離越近，受到危害的可能性越大，即越敏感，而人群的數(shù)量越多，受到危害的可能性越大，即越敏感。表5展示了受體敏感性指標的分級賦值標準。

表5 受體敏感性分級標準Table 5 Clssification criteria for receptor sensitivity

受體敏感性得分結(jié)果表明(圖3)，15個污染場地受體敏感性得分為8～18分，平均值為14.4分。其中，H2、H12、H5得分相等且最高。對比分析各指標得分占比可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)場、河流、社區(qū)距離得分在受體敏感性指標統(tǒng)計中比重較大。根據(jù)敏感性分布調(diào)查結(jié)果可知，砷渣污染場地為農(nóng)田，周邊人口較少，距離河流較遠，因此農(nóng)場距離成為影響敏感性分析的主要因素。

圖3 污染場地受體敏感性指標評分結(jié)果Fig.3 Score results of the receptor sensitivity indicators

2.2.4 綜合環(huán)境風險評價

根據(jù)污染場地綜合環(huán)境風險評估結(jié)果特征，以及污染場地等分管理原則，設置綜合環(huán)境風險指數(shù)分級標準，將15個污染場地分為三大類：總分大于18分為高風險等級，15～18分為中風險等級，低于15分為低風險等級。將污染場地綜合環(huán)境風險的總分與分級標準進行比較，即可得到在產(chǎn)企業(yè)地塊的風險等級。

參照國內(nèi)外3項指標權(quán)重經(jīng)驗值[16]以及某市砷渣污染場地環(huán)境影響特征，將權(quán)重值分別設置為0.4、0.3和0.3，得到污染場地綜合環(huán)境風險指數(shù)(表6)。從表6可以看出，綜合環(huán)境風險指數(shù)排序靠前的污染場地主要有H15和H12，可以初步確定其為優(yōu)控污染場地。

表6 砷渣污染場地綜合環(huán)境風險指數(shù)和風險等級Table 6 Comprehensive environmental risk index and risk level of arsenic contaminated sites

2.3 敏感性分析

污染源強、污染途徑脆弱性和受體敏感性指數(shù)對綜合環(huán)境風險指數(shù)的貢獻具有不確定性，因此通過設置不同權(quán)重情景進行敏感性分析。權(quán)重情景模型分2種：文氏圖模型，即3種要素權(quán)重相等；靶心模型，即3種要素權(quán)重不等[19]。研究依據(jù)文氏圖模型和靶心模型設置9種權(quán)重情景進行敏感性分析，權(quán)重情景設置和高綜合環(huán)境風險等級統(tǒng)計見表7。

由表7可以看出不同權(quán)重情景對各污染場地風險等級的影響差異較大，H15和H12在9種情景下均處于高危險水平，H2在6種情景下均處于高風險等級，其他污染場地至多在2種情景下存在高風險等級。另外，污染源強、污染途徑和敏感受體的權(quán)重比例為0.25、0.5、0.25和0.2、0.6、0.2，即污染途徑權(quán)重較高時，高風險等級污染場地個數(shù)相對較多，說明污染途徑脆弱性情況對污染場地綜合環(huán)境風險影響較大。

表7 不同權(quán)重情景下高綜合環(huán)境風險等級污染場地統(tǒng)計Table 7 Statistics of contaminated sites with high comprehensive environmental risk levels under different weight scenarios

不同權(quán)重情景下中高風險等級污染場地排序結(jié)果見圖4。可以看出，在不同權(quán)重情景下，H12和H15場地的排序穩(wěn)定且排名靠前，其他高風險等級的排序則隨著權(quán)重的變化而變化，因此確定H12和H15為優(yōu)控污染場地。H2在多數(shù)情景下綜合環(huán)境風險等級較高，確定為備選優(yōu)控污染場地。

圖4 不同權(quán)重情景下污染場地綜合環(huán)境風險Fig.4 Comprehensive environmental risk ranking of contaminated sites under different weight scenarios

2.4 不確定性分析

在優(yōu)控污染場地篩選的指標分級問題上，仍存在不確定性和不足之處。在優(yōu)控污染場地篩選時是根據(jù)實際污染場地調(diào)查數(shù)據(jù)選取的指標，而指標的分級標準是在國內(nèi)外文獻調(diào)研的基礎上綜合確定的，存在一定的不確定性。雖然參考國內(nèi)外主流污染場地指標的分級標準，有利于優(yōu)控污染場地篩選研究之間的對比分析，但污染場地的特征千差萬別，具體到每一個區(qū)域的污染場地需要具體分析。

3 結(jié)論

基于污染源強、污染途徑脆弱性和受體敏感性等主要篩選因素，建立了基于綜合環(huán)境風險的優(yōu)控重金屬砷污染場地篩選方法，初步確定了西南部某市砷渣優(yōu)控污染場地。得到以下主要結(jié)論：

基于綜合環(huán)境風險指數(shù)法對污染源強、污染途徑脆弱性和受體敏感性進行加權(quán)計算，其結(jié)果受權(quán)重分配影響較大。對于H15和H12場地來說，不同權(quán)重情景對其排序影響較小，而對H2、H4、H6、H8等污染場地來說，不同權(quán)重情景下，其排序結(jié)果變化較大。

優(yōu)控砷渣污染場地為H12和H15，備選優(yōu)控砷渣污染場地為H2。

今后，在優(yōu)控污染場地篩選的指標分級問題上，應結(jié)合國內(nèi)外調(diào)研和具體區(qū)域的污染場地特征綜合確定指標分級標準，降低指標分級對優(yōu)控污染場地篩選結(jié)果的影響。