建設(shè)用地土壤污染全生命周期信息化管理研究及應(yīng)用

肖建華， 彭漢發(fā)， 劉傳逢， 徐德馨*， 劉順昌

(1.武漢市規(guī)劃編制研究和展示中心，湖北 武漢 430014； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

根據(jù)《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國土壤污染防治法》，對于有土壤污染風(fēng)險(xiǎn)的建設(shè)用地地塊，地方人民政府生態(tài)環(huán)境主管部門應(yīng)當(dāng)要求土地使用權(quán)人按照規(guī)定進(jìn)行土壤污染狀況調(diào)查；用途變更為住宅、公共管理與公共服務(wù)用地的，變更前也應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定進(jìn)行土壤污染狀況調(diào)查。

用地地塊環(huán)境對于城市安全具有很重大的意義，毒地事件時(shí)有發(fā)生，對城市安全和社會環(huán)境造成了很多不良影響[1-2]。在眾多環(huán)境問題中，土壤污染更具隱蔽性，如果長期得不到妥善治理，可能會造成難于逆轉(zhuǎn)的生態(tài)負(fù)面效應(yīng)[3-8]。土壤污染修復(fù)治理有多個(gè)工作階段，其工作往往不是由一家單位承擔(dān)的，如果沒有很好地把各個(gè)階段的資料管理起來，輕則造成信息傳遞效率低下，重則造成信息不對稱及不必要的損失。針對建設(shè)用地污染修復(fù)治理某些階段工作方法、技術(shù)手段等方面的研究成果較多，但針對全生命周期開展信息化管理的研究還不多見。為了徹底防止土壤污染對環(huán)境造成不利影響事件的發(fā)生，非常有必要開展建設(shè)用地地塊污染修復(fù)治理全生命周期的信息化管理，讓每一塊地在規(guī)劃、建設(shè)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都是透明的，讓每一塊地都被干凈地使用，這是一個(gè)迫切且很有意義的事情。本文針對建設(shè)用地土壤污染全生命周期信息化管理開展分析研究，提出一套信息化管理方法，作為高效解決這個(gè)問題的方案。

1 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)監(jiān)測過程

建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)監(jiān)測工作大致可分為六個(gè)階段，分別是：污染調(diào)查(根據(jù)工作情況可細(xì)分為三個(gè)階段，在不同情況下可以合并，總的工作內(nèi)容不會相差很大)、風(fēng)險(xiǎn)評估、修復(fù)治理設(shè)計(jì)、修復(fù)治理施工、修復(fù)效果評估、環(huán)境監(jiān)測[9-15]。

1.1 污染調(diào)查

污染調(diào)查可細(xì)分為三個(gè)階段。第一階段是以資料收集、現(xiàn)場踏勘和人員訪談為主的污染識別階段，原則上不進(jìn)行現(xiàn)場采樣分析。若第一階段調(diào)查確認(rèn)地塊內(nèi)及周圍區(qū)域在當(dāng)前和歷史上均無可能的污染源，則認(rèn)為地塊的環(huán)境狀況可以被接受，調(diào)查活動可以結(jié)束。第二階段是以采樣與分析為主的污染證實(shí)階段。若第一階段土壤污染狀況調(diào)查表明地塊內(nèi)或周圍區(qū)域存在可能的污染源，以及由于資料缺失等原因造成無法排除地塊內(nèi)外存在污染源時(shí)，進(jìn)行第二階段土壤污染狀況調(diào)查，確定污染物種類、濃度(程度)和空間分布。第三階段以補(bǔ)充采樣和測試為主，獲得滿足風(fēng)險(xiǎn)評估及土壤和地下水修復(fù)所需的參數(shù)。本階段的調(diào)查工作可單獨(dú)進(jìn)行，也可在第二階段調(diào)查過程中同時(shí)開展。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評估

在土壤污染狀況調(diào)查的基礎(chǔ)上，開展危害識別、暴露評估、毒性評估、風(fēng)險(xiǎn)表征，以及土壤和地下水風(fēng)險(xiǎn)控制值的計(jì)算，評估污染物對人體健康的致癌風(fēng)險(xiǎn)或危害水平。

1.3 修復(fù)治理設(shè)計(jì)

在分析前期土壤污染狀況調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評估資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)地塊特征條件、目標(biāo)污染物、修復(fù)目標(biāo)、修復(fù)范圍和修復(fù)時(shí)間長短，選擇確定地塊修復(fù)總體思路。根據(jù)地塊的具體情況，按照確定的修復(fù)模式，篩選實(shí)用的土壤修復(fù)技術(shù)，開展必要的實(shí)驗(yàn)室小試和現(xiàn)場中試，或?qū)ν寥佬迯?fù)技術(shù)應(yīng)用案例進(jìn)行分析，從適用條件、土壤修復(fù)效果、成本和環(huán)境安全性等方面進(jìn)行評估。根據(jù)修復(fù)技術(shù)，制訂土壤修復(fù)技術(shù)路線，確定土壤修復(fù)技術(shù)的工藝參數(shù)，估算地塊土壤修復(fù)的工程量，提出初步修復(fù)方案。從主要技術(shù)指標(biāo)、修復(fù)工程費(fèi)用以及二次污染防治措施等方面進(jìn)行方案可行性比選，確定經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和可行的修復(fù)方案。

1.4 修復(fù)治理施工

按照修復(fù)治理設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工方案編制并組織施工，施工過程中不斷反饋，得到最優(yōu)的施工管理和施工組織安排。

1.5 修復(fù)效果評估

通過資料回顧與現(xiàn)場踏勘、布點(diǎn)采樣與實(shí)驗(yàn)室檢測，綜合評估地塊修復(fù)是否達(dá)到規(guī)定要求或地塊風(fēng)險(xiǎn)是否達(dá)到可接受水平。在地塊治理修復(fù)工程完成后，考核和評價(jià)地塊是否達(dá)到已確定的修復(fù)目標(biāo)及工程設(shè)計(jì)所提出的相關(guān)要求。

1.6 環(huán)境監(jiān)測

在地塊修復(fù)治理過程中，針對各項(xiàng)治理修復(fù)技術(shù)措施的實(shí)施效果所開展的相關(guān)監(jiān)測，包括治理修復(fù)過程中涉及環(huán)境保護(hù)的工程質(zhì)量監(jiān)測和二次污染物排放監(jiān)測，同時(shí)也包括為評價(jià)治理修復(fù)后地塊對土壤、地下水、地表水及環(huán)境空氣的影響所進(jìn)行的監(jiān)測，是針對地塊長期原位治理修復(fù)工程措施效果開展的驗(yàn)證性監(jiān)測。

2 全生命周期信息化管理

污染場地各個(gè)階段的工作可能由不同的單位來實(shí)施，全過程中紙質(zhì)資料和電子數(shù)據(jù)未能進(jìn)行信息化管理，不利于地塊所有者進(jìn)行有效管理和監(jiān)督。為了使一個(gè)地塊風(fēng)險(xiǎn)管控全過程能得到高效地管理和監(jiān)督，提高治理的效率和效果，使地塊能夠快速開發(fā)和利用，采取全生命周期信息化管理和支撐就很有必要。全生命周期信息化管理和支撐內(nèi)容如表1所示。

表1 全生命周期信息化管理和支撐內(nèi)容Table 1 Support content and information management of life cycle

2.1 地質(zhì)環(huán)境信息化管理

基于地質(zhì)大數(shù)據(jù)中心的海量地質(zhì)數(shù)據(jù)，選取與地塊土壤污染相關(guān)的地質(zhì)信息，作為地塊的地質(zhì)概況信息，主要包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地球化學(xué)等數(shù)據(jù)。收集重點(diǎn)企業(yè)一期一檔資料和棕地調(diào)查資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)建庫和信息化管理(圖1)，是地質(zhì)環(huán)境信息化管理的重要內(nèi)容。

2.2 建設(shè)用地地塊信息化管理

針對建設(shè)用地地塊項(xiàng)目詳情,包括項(xiàng)目名稱、地理位置、委托單位、項(xiàng)目金額、主管單位、項(xiàng)目現(xiàn)場照片、設(shè)計(jì)方案圖紙、評估報(bào)告、檔案資料等進(jìn)行信息化管理(圖2)，每一個(gè)階段的信息納入過程管理。

2.3 各階段信息化管理與支撐

(1) 調(diào)查階段。第一階段主要是對調(diào)查地塊的概況信息進(jìn)行管理，包括地塊及周圍區(qū)域的現(xiàn)狀與歷史情況及是否有可能受污染物影響的場所、相鄰地塊的使用現(xiàn)狀與歷史情況等方面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成管理、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等功能；基于相關(guān)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)第一階段污染狀況初步調(diào)查報(bào)告自動生成等功能。

第二階段主要是對調(diào)查報(bào)告、相關(guān)成果圖件、現(xiàn)場記錄照片、現(xiàn)場探測記錄、監(jiān)測井建設(shè)記錄、實(shí)驗(yàn)室報(bào)告、質(zhì)量控制結(jié)果等進(jìn)行信息化管理，實(shí)現(xiàn)調(diào)查取樣點(diǎn)信息化和二維、三維一體化展示；對取樣檢測結(jié)果進(jìn)行

圖1 地質(zhì)環(huán)境信息化管理示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological environment information management

圖2 全生命周期管理系統(tǒng)地塊信息化管理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the whole life cycle management system block information management

管理，與地表土壤54個(gè)元素、地表水與地下水單元素地球化學(xué)背景值比對，初步判斷是否需要進(jìn)一步開展詳細(xì)調(diào)查工作。整理調(diào)查信息和檢測結(jié)果，評估檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，分析數(shù)據(jù)的有效性和充分性，確定是否需要補(bǔ)充采樣分析等。優(yōu)先選用參考文獻(xiàn)[7]中第一類用地篩選值進(jìn)行評價(jià),對于該標(biāo)準(zhǔn)中均沒有的污染物，如總磷等,則選用背景值進(jìn)行評價(jià)。利用取樣分析結(jié)果，建立污染物三維屬性模型，實(shí)現(xiàn)三維可視化的管理、分析和計(jì)算。建設(shè)用地土壤中污染物含量等于或低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值的，土壤污染風(fēng)險(xiǎn)一般情況下可以忽略；高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值但低于土壤環(huán)境背景值的，不納入污染地塊管理；高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值也高于土壤環(huán)境背景值的，應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)技術(shù)要求開展詳細(xì)調(diào)查。詳細(xì)調(diào)查后土壤中污染物含量高于風(fēng)險(xiǎn)管制值的，應(yīng)當(dāng)采取風(fēng)險(xiǎn)管控或修復(fù)措施；低于或等于風(fēng)險(xiǎn)管制值的，應(yīng)當(dāng)開展風(fēng)險(xiǎn)評估，確定風(fēng)險(xiǎn)水平，判斷是否采取風(fēng)險(xiǎn)管控或修復(fù)措施。

第三階段主要是實(shí)現(xiàn)調(diào)查取樣點(diǎn)信息化管理、二維與三維一體化展示、取樣檢測結(jié)果管理。根據(jù)補(bǔ)充取樣結(jié)果，進(jìn)一步完善三維污染屬性模型，進(jìn)行三維可視化展示，為修復(fù)治理設(shè)計(jì)提供參考；集成管理第三階段污染調(diào)查報(bào)告、相關(guān)成果圖件、相關(guān)現(xiàn)場記錄等。

(2) 風(fēng)險(xiǎn)評估。主要是集成管理風(fēng)險(xiǎn)評估報(bào)告。

(3) 修復(fù)治理設(shè)計(jì)。基于污染物三維屬性模型，精確計(jì)算污染物體積和位置，為修復(fù)治理設(shè)計(jì)提供靶向治療效果；結(jié)合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等地質(zhì)信息，可開展污染物滲漏、封阻方面的判斷，為治理設(shè)計(jì)修復(fù)方案選型提供服務(wù)；集成管理修復(fù)治理設(shè)計(jì)報(bào)告和相關(guān)成果圖件。

(4) 修復(fù)治理施工?；诠芾淼男迯?fù)治理設(shè)計(jì)報(bào)告、相關(guān)成果圖件和三維污染物屬性模型，為修復(fù)治理施工提供三維可視化的方案，更加精準(zhǔn)地計(jì)算工程量，控制施工造價(jià)；對修復(fù)治理工程開展工程進(jìn)度管理，便于掌握項(xiàng)目進(jìn)度；對施工方案和相關(guān)圖件進(jìn)行信息化管理。

(5) 修復(fù)效果評估。結(jié)合前期污染物三維屬性模型，對治理重點(diǎn)位置進(jìn)行評估，并對評估階段的數(shù)據(jù)、報(bào)告等進(jìn)行信息化管理。

(6) 環(huán)境監(jiān)測。根據(jù)前期資料，以二維、三維一體化的方式對環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行可視化管理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、報(bào)表及預(yù)警等功能。

3 應(yīng)用案例

選取一個(gè)實(shí)際工程案例，結(jié)合全生命周期信息化管理的成果，重點(diǎn)展示三維可視化屬性模型應(yīng)用效果。

3.1 項(xiàng)目概況

廠區(qū)最初為金屬鋁的冶煉生產(chǎn)，面積約0.1 km2。通過查閱文獻(xiàn)、人員訪談與廠區(qū)歷史衛(wèi)星影像圖，初步判斷廠區(qū)東北與東南區(qū)域?yàn)樯a(chǎn)工藝的電極原材料碳素的堆存區(qū)，廠區(qū)中心線以西為電解鋁的生產(chǎn)車間，廠區(qū)最南邊為辦公生活區(qū)。該廠生產(chǎn)金屬鋁采用電解鋁工藝及冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法。熔融冰晶石為溶劑，氧化鋁為溶質(zhì)，以碳素體作為陽極、鋁液作為陰極，通入強(qiáng)大的直流電后，在950～970℃下電解槽內(nèi)的兩極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。陽極產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。

本次場地環(huán)境調(diào)查共布設(shè)31個(gè)土壤采樣點(diǎn)，采集樣品129個(gè)，對Cr6+、As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni、Zn、Mn、F、有機(jī)質(zhì)、pH等13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行樣品測試。根據(jù)樣品檢測數(shù)據(jù)判斷該廠主要污染物為氟化物，有62.8%的采樣點(diǎn)氟含量超過廠區(qū)周邊土壤環(huán)境中氟元素的背景值。采用單因子污染指數(shù)法，通過EVS三維建模軟件，建立廠區(qū)三維地質(zhì)和三維氟化物污染指數(shù)屬性模型[16-18]。根據(jù)不同層位氟化物分布情況及其對應(yīng)的地層情況，分析氟化物在廠區(qū)內(nèi)污染擴(kuò)散規(guī)律，并對下一步污染修復(fù)治理提出建議，為污染場地再開發(fā)利用提供決策依據(jù)。

3.2 調(diào)查取樣

本次調(diào)查結(jié)合專業(yè)布點(diǎn)法和系統(tǒng)布點(diǎn)法，于廠區(qū)內(nèi)部署31個(gè)鉆孔點(diǎn)，共計(jì)采集土壤樣品129個(gè)，根據(jù)樣品檢測數(shù)據(jù)判斷該廠主要污染物為重金屬及氟化物等，各污染物監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 廠區(qū)土壤中各物質(zhì)含量一覽表(mg/kg)Table 2 List of soil substance contents in factory area

結(jié)合用地類型，以參考文獻(xiàn)[7]中Ⅱ類用地標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)篩選值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果129個(gè)土壤樣品的各種污染物含量均未超標(biāo)，處于安全水平；廠區(qū)主要污染物氟含量在335.28～18 190.10 mg/kg范圍內(nèi)，其中有62.8%的采樣點(diǎn)氟含量超過廠區(qū)周邊土壤環(huán)境中氟元素的背景均值674.79 mg/kg(廠區(qū)周邊土壤環(huán)境中氟元素的背景均值數(shù)據(jù)來源于“武漢城市地質(zhì)調(diào)查(2012—2015)”項(xiàng)目成果)。

整體來看，土壤中氟含量有明顯累積趨勢，重金屬含量均達(dá)到建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)，但不符合居民用地對重金屬的要求，判定研究區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)受到了原有生產(chǎn)過程的影響。

3.3 三維屬性模型建模

氟化物是電解鋁行業(yè)最主要的污染物，用EVS(Earth Volumetric Studio)軟件建立廠區(qū)土壤氟含量三維屬性模型及剖面圖如圖3、圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著采樣深度的增加，土壤中氟(元素符號F)的均值含量在垂直方向上呈現(xiàn)出先增加后減少再逐漸趨于穩(wěn)定的特征。

圖3 土壤氟污染指數(shù)屬性模型Fig.3 Attribute model of soil fluorine pollution index

圖4 土壤氟含量剖面圖Fig.4 Profile of soil fluorine content

3.4 污染空間分析

對比不同層位氟污染物的分布特征如圖5、圖6所示，發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加，不同層位土壤中受氟污染的面積呈現(xiàn)出逐漸增大的特征，證實(shí)該場地內(nèi)進(jìn)入到土壤中的氟元素存在著向深層土壤或地下水遷移的風(fēng)險(xiǎn)。

在深度為-0.5 m層位，79.87%的區(qū)域呈現(xiàn)出無污染的特征;中度污染區(qū)域面積為1 809 m2，占廠區(qū)總面積的1.74%；輕度、輕微污染區(qū)域面積分別為4 805、14 321 m2，分別占廠區(qū)總面積的4.62%、13.77%。推測造成上述分布特征的主要原因可能是由于該場地關(guān)停時(shí)間長達(dá)15年之久，長時(shí)間的大氣降水引起的淋濾過程促使具有親水特性的氟元素向深層土壤遷移；廠內(nèi)構(gòu)筑物的清理以及廠區(qū)關(guān)停后一段時(shí)間內(nèi)曾經(jīng)作為汽車停車場使用，使場地表層土壤受到劇烈擾動，致使廠區(qū)上部土壤均為雜填土，其污染程度較為清潔。

圖5 廠區(qū)三維地質(zhì)模型與氟污染指數(shù)屬性混合模型Fig.5 The mixed model of three-dimensional geological modeland fluorine pollution index attribute of plant area

圖6 不同深度層位土壤氟污染指數(shù)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of soil fluorinepollution index in different depths

在深度為-2.5 m層位,土壤中受氟污染的區(qū)域面積顯著增加，其中重度污染面積達(dá)到8.43%，呈現(xiàn)出散點(diǎn)分布特征；輕微和輕度污染區(qū)域面積達(dá)到場地面積的58.57%，其中心點(diǎn)位為原廠區(qū)核心工藝裝置電解池中陰極碳渣的露天堆放處。經(jīng)過長時(shí)間的自然風(fēng)化和雨水淋濾作用后，碳渣表面吸附的大量陰離子，包括氟離子等通過解析過程進(jìn)入至相鄰區(qū)域土壤中，并隨土壤中水份經(jīng)土壤孔隙通道向深層土壤遷移。實(shí)地鉆孔采樣中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域-0.5～2.5 m層位處土壤中均呈現(xiàn)黑色，推測廠區(qū)東南邊界處的重度污染是由于廠區(qū)在生產(chǎn)工藝更新和廠區(qū)改建等活動過程中，翻動地下土壤造成堆放區(qū)的碳渣被埋，從而對土壤造成污染。

在深度為-4.5 m層位,土壤中的污染區(qū)域面積增大，達(dá)到19.61%;在-6.5 m層位,土壤中的污染區(qū)域面積進(jìn)一步增大，且在場地中心地帶形成了明顯的連片區(qū)。通過對比場地地層性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)土壤性質(zhì)相對簡單，基本分為雜填土和粉質(zhì)黏土兩類，并且氟元素含量的最大值主要集中在土壤性質(zhì)發(fā)生變化區(qū)域，表明隨采樣深度的增加土壤中的氟元素在粉質(zhì)黏土層阻隔作用下聚積于該層位。

將污染物三維屬性模型與常規(guī)二維設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對比，其分布形態(tài)規(guī)律是一致的，三維屬性模型結(jié)果比常規(guī)二維設(shè)計(jì)計(jì)算更精準(zhǔn)、更直觀。由于篇幅原因，本文不列出對比結(jié)果。

吸附是土壤積累氟的一種重要方式。目前，氟污染土壤修復(fù)技術(shù)研究主要包括化學(xué)固定修復(fù)技術(shù)、化學(xué)淋洗技術(shù)、電動修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)。綜合考慮各修復(fù)技術(shù)所需的工程量、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件要求以及本項(xiàng)目場地污染物的污染程度和范圍等多方面因素后，建議后期土壤修復(fù)工程使用阻隔填埋法。

4 結(jié)論

根據(jù)有關(guān)法律、法規(guī)及各級政府條例、管理辦法的要求，有土壤污染風(fēng)險(xiǎn)的建設(shè)用地地塊，必須開展土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)工作。本文提出了一套對建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)監(jiān)測全生命周期信息化管理的全流程的方法，讓全過程變得高效，使地塊能被快速開發(fā)和利用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

該套方法還能基于調(diào)查取樣檢測結(jié)果，建立場地污染物三維屬性模型，可精確計(jì)算污染物體積和位置，為修復(fù)治理提供靶向治療效果，節(jié)約修復(fù)治理工程造價(jià)，縮短工期。基于此，結(jié)合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等地質(zhì)信息，還可開展污染物滲漏、封阻方面的判斷，進(jìn)一步優(yōu)化修復(fù)治理方案，提高修復(fù)治理效果。