我國污染場地修復決策系統(tǒng)研究進展

張保會，王林芳，郭宏，韓文輝，黨晉華

(山西省環(huán)境科學研究院，太原 030027)

在我國工業(yè)化和城市化快速發(fā)展進程中，產(chǎn)生了大量的污染或潛在污染場地，它們威脅著周邊居民的身體健康，并顯著影響土地和地下水資源的安全使用[1]，這樣的場地簡稱為“棕地”。據(jù)統(tǒng)計，我國由工業(yè)企業(yè)搬遷而遺留下來的“棕地”超過50 萬塊[2]，成為許多大中城市土地資源安全再利用的限制因素。2000 年以來，全國多個城市發(fā)生環(huán)境污染事件引起了社會各界的廣泛關(guān)注。污染場地修復遂成為當前我國政府、涉事業(yè)主和修復行業(yè)所面臨的亟待解決的嚴峻任務。

污染場地修復是一項復雜的、耗資大、耗時長的艱巨工程，對此發(fā)達國家每年要投入大量的資金[3]。修復方案抉擇是多目標求解過程，要求綜合考慮修復行為引發(fā)的系列后果，諸如產(chǎn)生二次污染物，能源及稀缺資源的過度消耗等[4]。修復行動涉及污染場地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生態(tài)風險評價、修復技術(shù)可行性篩選、場地再利用方案的社會經(jīng)濟效益評估等問題[5-6]。我國場地修復研究起步較晚，且處于土壤污染問題暴發(fā)初期，并沒有足夠的基礎(chǔ)積累和應用技術(shù)儲備，更缺乏有效的法律法規(guī)及環(huán)境管理框架體系[2]。2004 年，原國家環(huán)境保護總局發(fā)布《關(guān)于切實做好企業(yè)搬遷過程中環(huán)境污染防治工作的通知》(環(huán)辦〔2004〕47 號)，第一次明確要求在重新利用污染場地之前，必須對場地進行調(diào)查、評估和修復，自此開啟了我國場地修復的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在借鑒國際先進理念和經(jīng)驗基礎(chǔ)上，2011 年以前我國土壤環(huán)境學者主要著力于污染場地管理和風險評估研究，同步開展了場地調(diào)查和修復技術(shù)的相關(guān)研究，取得了土壤修復研究的初級階段成果。2011 年，國務院發(fā)布的《國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃》將土壤污染修復列入重點工作后，我國進一步開展了場地修復決策系統(tǒng)研究。2014 年5 月，中國科學院南京土壤所污染場地修復中心陳夢舫團隊[2]自主開發(fā)成功的我國首款污染場地土壤與地下水健康與環(huán)境風險評估(Health and Environmental Risk Assessment，HERA)軟件，成為我國建立健全污染場地可持續(xù)性環(huán)境管理體系框架的重要工具。2014 年7 月，原環(huán)境保護部為規(guī)范場地環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測、風險評估與土壤修復，發(fā)布了《場地環(huán)境調(diào)查技術(shù)導則》等四項技術(shù)導則。2016 年國務院印發(fā)實施《土壤污染防治行動計劃》，立足我國國情制定了我國土壤污染修復的行動綱領(lǐng)。在上述政策背景下及專業(yè)技術(shù)規(guī)范出臺之后，我國土壤環(huán)境研究學者正在致力于污染場地修復決策的本土化專業(yè)化研究。本研發(fā)團隊以焦化污染場地為例，擬開發(fā)適合我國國情的基于WebGIS 的污染場地修復輔助決策系統(tǒng)，以期為場地修復研究者、政府和企業(yè)決策者建立一個共享工作平臺，集網(wǎng)絡化、標準化、集約化于一體的污染場地在線管理平臺，旨在服務于場地管理的全生命周期。

1 污染場地修復決策系統(tǒng)基礎(chǔ)

污染場地修復決策支持系統(tǒng)是在啟動耗資巨大的修復行動之前，通過數(shù)據(jù)集成、軟件模擬、專家評判等科學方法，篩選恰當?shù)奈廴究刂婆c修復技術(shù)，制定環(huán)境經(jīng)濟可行的修復方案，構(gòu)建綜合評估智能系統(tǒng)[7-8]?？偨Y(jié)場地修復決策過程，一般可分為三個階段。第一階段通過場地調(diào)查確定污染類型；第二階段通過風險評價，初篩場地修復技術(shù)；第三階段通過篩選分析確定最佳修復技術(shù)。為此一些學者提出了污染場地修復技術(shù)初篩矩陣[9-10]。通過初篩矩陣，決策者及技術(shù)人員能夠便捷地篩選出適用的修復技術(shù)、費用、時間和效果等。而場地決策支持系統(tǒng)則是一種輔助決策工具，決策者借助其對所掌握的現(xiàn)有場地信息進行全面分析，使得復雜的決策過程程序化、透明化。

數(shù)據(jù)庫和模型庫是構(gòu)成決策支持系統(tǒng)的兩個基本要素[11]，其中數(shù)據(jù)庫為模型庫、方法庫和對話系統(tǒng)的根本基礎(chǔ)。它將場地歷史、監(jiān)測調(diào)查、遙感影像和數(shù)字地圖等多源數(shù)據(jù)集成為一個完整標準的空間——屬性數(shù)據(jù)庫，內(nèi)含場地修復技術(shù)數(shù)據(jù)、環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、修復技術(shù)篩選數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)等。其中模型庫為關(guān)鍵部分，行使分析決策職能。它運用風險評估、修復技術(shù)篩選、三維地統(tǒng)計插值、修復后評估等模型，結(jié)合推理、比較、選擇和分析等邏輯技術(shù)，來科學合理地制定修復方案。為促進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，方法庫從模型庫中分離，它為求解模型提供計算機算法，是模型應用的后援。它包含不確定性分析、模型精度評價、修復目標計算、數(shù)理統(tǒng)計、經(jīng)濟數(shù)學方法等。場地修復過程非常復雜，在基本要素和通用步驟基礎(chǔ)之上，需要累積一些專業(yè)經(jīng)驗和交叉學科知識附加等，因此修復決策系統(tǒng)需要涵蓋專家咨詢系統(tǒng)。

早在20 世紀90 年代初期，發(fā)達國家就開發(fā)應用環(huán)境決策支持系統(tǒng)[3]來解決環(huán)境問題，隨后在國際土壤修復界，多樣化的污染場地修復決策系統(tǒng)應運而生[5]。由于各地區(qū)間土壤及污染源類型多元化復雜化、經(jīng)濟發(fā)展差異很大，修復決策系統(tǒng)的確立需要依據(jù)不同經(jīng)濟、社會和環(huán)境特點，所以因地制宜地精準建立修復決策系統(tǒng)是必要的。

2 污染場地修復決策系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

決策框架是修復決策系統(tǒng)的核心，它以框架圖形式直觀完整地表達了整個決策程序。場地的環(huán)境背景及污染特征各異，修復決策的基本步驟卻是相似的[12-14]。國際修復領(lǐng)域研發(fā)的修復決策框架有四十多種，以下具體介紹五種典型國際框架和國內(nèi)研發(fā)情況。

2.1 國外修復決策系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

US EPA(U.S.Environmental Protection Agency)美國超級基金場地管理系統(tǒng)是一款最具代表性的污染場地修復決策系統(tǒng)[15]，其基本程序如下:場地識別—初步評估—初步調(diào)查與擴大調(diào)查—風險評價—擬議列入優(yōu)先場地名錄—潛在責任者確認—列入優(yōu)先場地名錄—修復技術(shù)組合運用調(diào)查與可行性研究—公告方案—工程設(shè)計與實施—運行與維護—五年跟蹤監(jiān)測—退出優(yōu)先場地目錄。該系統(tǒng)程序嚴謹，極具借鑒價值，但是其中包含的污染物種類、評價標準、技術(shù)參數(shù)均需本土化，從場地識別到列入優(yōu)先名錄過程中相互重疊的工作應作精簡，還有近期發(fā)展的先進修復技術(shù)應及時擴充，其中的修復資金渠道也應本土化。

NATO/CCMS(North Atlantic Treaty Organization/Committee on the Challenges of Modern Society)試點工程開發(fā)的修復決策框架:2000 年6 月，Bardos 等[16]在北大西洋公約組織成立的現(xiàn)代社會挑戰(zhàn)委員會召開的決策支持專題會議上，提出了典型污染場地修復決策框架，僅適于列入優(yōu)先場地名錄后的工作過程。其包括修復目標及評價指標的確定、決策過程和最終決策三個階段?？蚣軆?nèi)含五個技術(shù)環(huán)節(jié):(1)收集場地基本信息和數(shù)據(jù)，包括土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)以及污染源、暴露途徑和污染受體等信息；(2)建立場地概念模型；(3)運用統(tǒng)計分析方法，分析土壤污染物特征、遷移規(guī)律和分層濃度，以及地下水流場和污染物遷移過程，解析二者對人體健康風險評價結(jié)果；(4)風險值與修復技術(shù)工作接口，初篩方案；(5)傳輸備選方案到專家?guī)熘羞M行最終決策。它擴充了修復決策的專家知識，充分表現(xiàn)了修復決策過程標準化及再現(xiàn)性。該框架未涉及場地調(diào)查和風險評價過程，不適于大批量的污染場地全程序動態(tài)管理過程。

DESYRE(Decision support system for remediation of contaminated sites)修復決策框架:意大利威尼斯研究聯(lián)合會與威尼斯大學學者Critto[3]和Carlon 等[17-18]針對大型污染場地，聯(lián)合開發(fā)提出了基于GIS 的DESYRE 修復決策框架及軟件。其風險評估模塊包括兩期:前期進行修復前風險評估，評估場地土壤和地下水污染現(xiàn)狀對人體健康造成的風險；后期稱為剩余風險評估，預測場地修復完成之后的剩余風險及不確定性。經(jīng)濟社會評估采用模糊邏輯方法篩選最佳土地利用方式；技術(shù)評估模塊執(zhí)行多目標決策分析法選擇修復技術(shù)(組合)，其決策模塊根據(jù)評價指標對備選方案進行比較分析。這兩大模塊增加了GIS 工具的場地模塊信息可視化功能[19]。DESYRE 系統(tǒng)結(jié)合土地二次利用方式，分析了污染場地特征、風險評估、修復技術(shù)指標、修復成本和經(jīng)濟社會水平等因素，提供了污染場地修復過程中的評估與決策功能。其中經(jīng)濟社會評估采用模糊數(shù)學方法、兩次風險評估采用概率分析方法都是該系統(tǒng)的特色。但其技術(shù)參數(shù)及標準尚未本土化，因而限制了在國內(nèi)的應用。

URREM 修復決策框架:針對石油場地修復問題，加拿大里賈納大學學者提出了URREM 修復決策框架[20]。該框架為場地調(diào)查評估和管理提供構(gòu)建典型，各模塊功能明晰。軟件將污染物傳輸模型、風險評價和修復系統(tǒng)設(shè)計集成到一個通用的框架，優(yōu)化組合修復設(shè)計程序，更加便于決策者甄選修復方案。此框架針對石油特征污染物建立三維多項多組分的風險評估模型、成熟的修復方案數(shù)據(jù)庫，組成一個特定場地類型的修復決策系統(tǒng)。該框架為石油場地專用軟件，內(nèi)嵌技術(shù)標準及技術(shù)參數(shù)，但仍需本土化。

美國能源部(United States Department of Energy，DOE)和Linkov 框架:Baker 等在美國能源部《決策分析方法指南》[21]中提出的DOE 框架，通過數(shù)學建模步驟與過程構(gòu)建系統(tǒng)，包括決策問題的定義、備選修復方案、建立評價標準、篩選修復方案，其方法庫包括Pro-Cons 分析法、Kepner-Tregeo(K-T)決策分析法、AHP 層次分析法、多屬性效用理論法(MAUT)、成本-效益分析方法(CBA)等。它們適于多情形，包括修復問題復雜度、修復時間長度和資源限制等因素，針對決策問題的定義選擇不同的方法來優(yōu)化方案。同樣，Linkov 等[22]提出的基于多目標決策分析方法(MCDA) 的修復決策框架與DOE 框架類同。Linkov 框架開發(fā)的軟件亦運用層次結(jié)構(gòu)法(AHP)、多屬性效用理論(MAUT)、級別不低于方法(Outranking)等。在優(yōu)選修復方案的同時，系統(tǒng)還具備圖形可視化功能，并提供了不同決策階段、決策者參與及決策工具應用情況。該系統(tǒng)構(gòu)建的是解決修復問題的方法模型，對場地管理的前期、后期均未涉略，這一點與NATO/CCMS 試點工程開發(fā)的修復決策框架相似。

上述修復框架可歸納為兩類:一是根據(jù)場地評估和管理的實際工作構(gòu)建主流性的框架，其遵循場地主體的認識發(fā)展規(guī)律，由調(diào)查監(jiān)測評估入手，建立場地概念模型，通過風險評價確定修復目標，初篩修復技術(shù)，最后優(yōu)選修復方案；二是以數(shù)學建模為工具，通過決策問題的定義、備選修復方案、建立評價標準、篩選修復方案等步驟來實現(xiàn)。兩類框架工作切入點不同，但最終解決的目標相同，即修復方案的正確抉擇。立足于我國國情現(xiàn)實，2020 年初啟動建設(shè)用地土壤污染狀況詳查測試工作，本土研究團隊傾向于第一類框架系統(tǒng)構(gòu)建，以適應廣泛的同步性的土壤修復管控行動。

2.2 國內(nèi)研發(fā)情況

近二十年來，伴隨著場地污染問題凸顯及大量棕地的二次利用問題，我國學者在污染場地修復領(lǐng)域相繼開展了由點及面的深入研究。借鑒第一類框架，國內(nèi)學者中有潘云雨等[23]和姜林等[24]提出基于層次性人體健康風險評估污染場地風險管理與決策框架體系；羅程鐘等[25]提出了POPs 污染場地修復技術(shù)路線，陶錕等[26]提出了適于城市工業(yè)污染場地修復技術(shù)路線。借鑒第二類框架，張倩等[27]運用層次分析法(AHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)提出了國內(nèi)污染場地修復技術(shù)篩選決策框架。

2014 年5 月，中國科學院南京土壤所污染場地修復中心陳夢舫團隊[28]自主開發(fā)成功的我國首款污染場地土壤與地下水健康與環(huán)境風險評估軟件(HERA)成為我國建立健全污染場地可持續(xù)性環(huán)境管理體系框架的重要工具。HERA 軟件是基于美國《基于風險的矯正行動標準指南》、英國《CLEA (contaminated land exposure assessment model)模型技術(shù)背景更新文件》以及我國《污染場地風險評估技術(shù)導則》編制而成的集成創(chuàng)新成果，內(nèi)含20 余種多介質(zhì)遷移模型，收錄610 種污染物理化與毒性參數(shù)(持續(xù)更新中)，考慮原場與離場的健康及水環(huán)境受體，可快速構(gòu)建污染場地概念模型。HERA 軟件采用基于Windows 平臺的Visual Studio C＃進行設(shè)計與編程，與國外同類軟件相比具有運行穩(wěn)定、功能全面、界面簡潔、操作便利等優(yōu)點。HERA 軟件自發(fā)布以來備受業(yè)界關(guān)注，目前已在國內(nèi)多省區(qū)市的高等院校、科研院所、環(huán)保企業(yè)等單位得到推廣，且已在全國多個城市的污染場地調(diào)查與風險評估項目中得到廣泛應用。

借鑒第一類框架與HERA 軟件，2015 年11 月，王新秀和涂晨等[29]在污染場地修復決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，采用GIS 軟件與可視化編程語言C＃結(jié)合SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫，設(shè)計開發(fā)了污染場地修復決策系統(tǒng)，具有場地信息綜合管理、場地特征分析和修復技術(shù)篩選三項功能，并支持在線專家咨詢，輔助完成修復方案和場地修復報告編制。該系統(tǒng)為場地修復工作者提供了管理工具和決策參考，系統(tǒng)研發(fā)填補了我國場地修復決策系統(tǒng)之空白，將引導我國污染場地修復步入科學化、規(guī)范化、高效化、糾錯化的軌道。

2016 年12 月，鄭洪振和涂晨等[30]基于Web-GIS 的污染場地修復決策支持系統(tǒng)，相對于王新秀和涂晨等前期研發(fā)的單機版決策支持系統(tǒng)，有了進一步的改進。該系統(tǒng)采取的是B/S 模式，用戶不用安裝客戶端或者配置系統(tǒng)環(huán)境，并可以在互聯(lián)網(wǎng)上調(diào)用免費的空間地圖服務。系統(tǒng)保留了單機版功能，修復評估中引入了基于生命周期評估技術(shù)LCA 的理念，并在流程設(shè)計和人機交互界面上做出顯著改進。易用性和共享化為該系統(tǒng)優(yōu)點，但是在數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面，如與生態(tài)環(huán)境部門污染場地分類管理系統(tǒng)的對接以及信息共享化的權(quán)限保障還有待完善。

借鑒第二類框架，2017 年8 月，陶歡和廖曉勇等[31]在應用多屬性決策分析法篩選污染場地土壤修復技術(shù)中，運用層次分析法確定修復技術(shù)評價指標的權(quán)重，采用逼近理想解和灰色綜合評價方法得到備選修復方案?；谠摏Q策方法，研究者開發(fā)了修復技術(shù)篩選決策支持系統(tǒng)，并以某有機污染場地為案例應用軟件確定修復技術(shù)。結(jié)果表明，結(jié)合層次分析法的逼近理想解法和灰色評價法均可實現(xiàn)科學的排序；逼近理想解法實現(xiàn)簡單，其對評分指標要求嚴格，且需借助模型敏感性分析驗證，適于備選項先匯總后排序；灰色評價法引入灰色理論用于處理數(shù)據(jù)的不確定性，適于專家各自評分后在灰色評價模型中進行綜合。將層次分析法和逼近理想解、灰色綜合評價兩種方法綜合應用于篩選項，一方面可以減少前者的主觀性，另一方面可以削弱后者對權(quán)重的忽視。該系統(tǒng)能夠更接近實際，采取效益最佳平衡觀點解決場地技術(shù)篩選問題。

3 結(jié)語

國務院于2016 年5 月28 日印發(fā)的《土壤污染防治行動計劃》成為當前和今后一個時期全國土壤污染防治工作的行動綱領(lǐng)[32]?！锻寥牢廴痉乐涡袆佑媱潯芬?，到2020 年，受污染耕地和污染地塊安全利用率達到90%以上；到2030 年，受污染耕地和污染地塊安全利用率達到95%以上。它有利于加快推動治理與修復產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加快完善覆蓋土壤環(huán)境調(diào)查、分析測試、風險評估、治理與修復工程設(shè)計和施工等環(huán)節(jié)的成熟產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”在土壤污染治理與修復全產(chǎn)業(yè)鏈中的作用。它指明了今后土壤修復工作的導向及工作方法。2018 年8 月1 日，《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》和《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風險管控標準(試行)》正式實施。上述政策及標準的出臺將促進我國場地修復決策系統(tǒng)研究日趨成熟。

2017—2018 年完成全國農(nóng)用地土壤污染狀況詳查后，山西省于2020 年初啟動了建設(shè)用地土壤污染狀況詳查測試工作，將逐步完成省級土壤污染的數(shù)據(jù)庫建設(shè)。值此階段，作為土壤修復工作者，開發(fā)一套適用于場地修復的智能決策支持系統(tǒng)刻不容緩。修復決策系統(tǒng)的深度開發(fā)應用，將為政府、企業(yè)和專業(yè)人員的決策提供科學高效的工具，為廣大用戶參與基礎(chǔ)庫建設(shè)提供平臺，有望服務于場地全生命周期，為順利實現(xiàn)“土十條”目標擔當基礎(chǔ)技術(shù)支撐和強大引擎作用。

修復技術(shù)的篩選和決策是環(huán)境修復工作的關(guān)鍵，關(guān)乎修復工作的成敗[33]，在技術(shù)引進及本土化過程中應該細致考量。借鑒前述研究成果，綜合分析各類系統(tǒng)應用中的利弊，本文認為應在鄭洪振和涂晨等[30]《基于WebGIS 的污染場地修復決策支持系統(tǒng)的研究》成果基礎(chǔ)上，建立決策系統(tǒng)主體模型庫、方法庫與對話系統(tǒng)。此外，本團隊結(jié)合城鄉(xiāng)土地規(guī)劃用途，以人體健康風險評價為管控修復目標，進一步強化污染地塊地下水修復和風險管控子模塊，應用多屬性決策分析法篩選污染場地土壤修復技術(shù)研究，補充完善技術(shù)篩選方法庫，達到優(yōu)選方案目標，建議在城鄉(xiāng)土地規(guī)劃工作中構(gòu)建反饋機制。在污染場地項目個案完成上述功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)建立對接自然資源、生態(tài)環(huán)境管理部門的污染場地分類管理系統(tǒng)接口，設(shè)置系統(tǒng)共享分級權(quán)限，擴展場地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，形成場地污染重點監(jiān)管單位名錄，建立行政轄區(qū)內(nèi)污染場地或例行控制場地的監(jiān)測與預警系統(tǒng)。轄區(qū)逐步健全場地修復決策系統(tǒng)，完善區(qū)域數(shù)據(jù)庫，實施動態(tài)監(jiān)督管理，打造政府、企業(yè)與民眾共享平臺，為區(qū)域環(huán)境管理和場地修復提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，為農(nóng)用地和建設(shè)用地可持續(xù)發(fā)展助力。