污染場(chǎng)地概念模型研究進(jìn)展

林 康 李 穎 王占生 詹先波 姬 竟 王江力

(1.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司;2.長(zhǎng)江大學(xué);3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城采氣管理區(qū);4.長(zhǎng)慶油田分公司第十二采油廠)

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快,部分經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的地區(qū)工業(yè)企業(yè)搬遷或停產(chǎn)呈現(xiàn)普遍趨勢(shì),并遺留了數(shù)量超過50萬塊的復(fù)雜污染場(chǎng)地[1-3]。污染場(chǎng)地通過堆積、儲(chǔ)存、處理、處置等方式產(chǎn)生有害物質(zhì),對(duì)人體健康和周邊環(huán)境構(gòu)成超出可接受水平的潛在風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。為貫徹《污染地塊土壤環(huán)境管理辦法(試行)》《關(guān)于保障工業(yè)企業(yè)場(chǎng)地再開發(fā)利用環(huán)境安全的通知》《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)關(guān)停、搬遷及原址場(chǎng)地再開發(fā)利用過程中污染防治工作的通知》等相關(guān)文件要求,保障國(guó)民健康和環(huán)境安全,污染場(chǎng)地在進(jìn)行土地流轉(zhuǎn)和開發(fā)再利用之前須進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6-9]。

其中,概念模型是健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要組成部分。在健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中,需要建立不同暴露途徑下的污染概念模型以描述污染物的暴露過程[10],概念模型以直觀方式表征污染場(chǎng)地實(shí)際情況,向利益相關(guān)者傳遞場(chǎng)地相關(guān)信息,并指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作人員后續(xù)管理決策,尤其在彌補(bǔ)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)缺口、降低不確定性等方面都起到關(guān)鍵性作用[11-12]。因此,建立具有科學(xué)依據(jù)的概念模型的相關(guān)研究對(duì)場(chǎng)地再利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)概念模型的構(gòu)建和應(yīng)用進(jìn)行梳理和探討。

1 概 述

1.1 污染場(chǎng)地概念模型的定義

在污染場(chǎng)地的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中,建立客觀、準(zhǔn)確的污染場(chǎng)地概念模型尤為重要,一般構(gòu)建于調(diào)查初期,是健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)。污染場(chǎng)地概念模型是指在充分整合場(chǎng)地信息的基礎(chǔ)上,以文字、圖表等方式,對(duì)場(chǎng)地污染源釋放的有毒有害物質(zhì)通過環(huán)境介質(zhì)(土壤、空氣、地表水、地下水等)進(jìn)入人體并對(duì)場(chǎng)地周邊的居民和工作人群產(chǎn)生潛在健康影響的概化描述[13-14]。因此,場(chǎng)地概念模型包含了污染源、污染物的遷移途徑、人體接觸污染的介質(zhì)和接觸方式等方面,體現(xiàn)了“污染源-暴露途徑-風(fēng)險(xiǎn)受體(源-徑-匯)”的過程,其常見構(gòu)建形式如圖1所示。

圖1 常見污染場(chǎng)地概念模型

1.2 構(gòu)建概念模型的目的及原則

構(gòu)建概念模型的目的包括[15-16]:1)幫助風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)工作人員從整體上把握和分析污染場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn);2)作為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和利益相關(guān)方人員的溝通工具,概念模型直觀簡(jiǎn)潔的表達(dá)形式有助于明確評(píng)估對(duì)象的“源-徑-匯”關(guān)系;3)為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的組織和實(shí)施工作提供理論依據(jù),即風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的定量模型應(yīng)建立在概念模型的基礎(chǔ)上。

概念模型的構(gòu)建須滿足三個(gè)模型概化原則[17-18]:1)實(shí)用性。概念模型的建立應(yīng)與現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)相適應(yīng),已達(dá)到解決污染場(chǎng)地模擬和管理的目的;2)完整性。為了概念模型能夠盡量真實(shí)全面地反映污染場(chǎng)地的實(shí)際情況,需要相關(guān)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查并收集各種信息,相對(duì)而言,前期調(diào)查越精細(xì),則有利于后期場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)管控和污染修復(fù)精準(zhǔn)把握,也有助于降低相應(yīng)成本,因此,為保證概念模型的完整性,應(yīng)精準(zhǔn)定位污染源,并詳細(xì)刻畫地塊污染區(qū)域水文地質(zhì)條件、污染范圍及污染遷移分布特征;3)處理好概化與精度的矛盾:概化的準(zhǔn)確程度決定了概念模型與實(shí)際污染場(chǎng)地的差異程度,在概化過程中,須充分協(xié)調(diào)好模型簡(jiǎn)化和精確性的平衡關(guān)系,避免出現(xiàn)追求簡(jiǎn)單而產(chǎn)生不確定性或追求精度而使模型復(fù)雜化的情況。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際上針對(duì)概念模型的構(gòu)建較為重視,陸續(xù)制定一系列標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)導(dǎo)則。1995年美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(US-ASTM)首次頒布了《建立污染場(chǎng)地概念模型的標(biāo)準(zhǔn)指南》[19](Standard Guide for Developing Conceptual Site Models for Contaminated Sites),該標(biāo)準(zhǔn)幾經(jīng)修訂,先后頒布了ASTM E1689-95、ASTM E1689-95(2003)e1、ASTM E1689-95(2008)、ASTM E1689-20多個(gè)版本,給出了通用概念模型的主要組成部分,提供概念模型構(gòu)建的大綱。指南將污染場(chǎng)地的概念模型定義為:污染物由源頭通過環(huán)境介質(zhì)傳輸?shù)江h(huán)境受體的一系列物理、化學(xué)和生物過程的文字或圖形的表達(dá),即對(duì)污染物釋放、污染物遷移和環(huán)境受體暴露過程的整合和描述。指南ASTM E1689將概念模型構(gòu)建工作概化為6步(具體見表1)。美國(guó)新澤西州環(huán)境保護(hù)局為幫助污染場(chǎng)地修復(fù)工作人員了解確定污染場(chǎng)地關(guān)注污染物的影響范圍及其對(duì)受體造成的危害,于2019年頒布了《編制和提交場(chǎng)地概念模型的技術(shù)導(dǎo)則》[20](Technical Guidance for Preparation and Submission of a Conceptual Site Model),該導(dǎo)則認(rèn)為概念模型的目標(biāo)是描述污染場(chǎng)地特征及地表和地下狀況的一種迭代更新工具,在項(xiàng)目整個(gè)周期中,應(yīng)隨所獲場(chǎng)地信息的不斷豐富而進(jìn)一步完善。初期概念模型通?；诓煌暾男畔?gòu)建,通過定期評(píng)估概念模型的完整性,可以更容易地確定并處理數(shù)據(jù)缺口,以確保相關(guān)工作人員對(duì)污染物影響的了解完整貼合實(shí)際。通過此迭代過程開發(fā)概念性場(chǎng)地模型,可以做出補(bǔ)救決策,以有效解決和保護(hù)受影響的潛在受體。明確識(shí)別與概念現(xiàn)場(chǎng)模型相關(guān)的不確定性,以便努力將這些不確定性降低至可接受水平。2019年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(BSI)頒布了《潛在污染場(chǎng)地的概念模型》[21](Conceptual Site Models for Potentially Contaminated Sites),該標(biāo)準(zhǔn)指出污染場(chǎng)地概念模型是所有場(chǎng)地相關(guān)信息的綜合,可用于場(chǎng)地規(guī)劃調(diào)查、場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及場(chǎng)地修復(fù)工作,同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)也給出了不同的概念模型構(gòu)建步驟,具體見表1。

表1 概念模型國(guó)外文獻(xiàn)對(duì)比

從表1可看出,對(duì)比國(guó)外各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)t文件,對(duì)于污染場(chǎng)地概念模型構(gòu)建呈現(xiàn)明確的工作思路,主要是以“源-徑-匯”為主線,借助可獲得的場(chǎng)地信息,形成從確認(rèn)污染源、環(huán)境介質(zhì)和潛在受體、遷移途徑到整合完整描述暴露途徑的概念模型構(gòu)建框架,使得概念模型每一步做到詳細(xì)可靠,以便于支持場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和修復(fù)的科學(xué)決策。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相較于國(guó)外成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系,國(guó)內(nèi)對(duì)于概念模型的研究甚少。安海金等[22]以山西某停產(chǎn)焦化企業(yè)為研究對(duì)象,主要通過資料收集、現(xiàn)場(chǎng)踏勘等方式識(shí)別關(guān)注污染物種類及特征、污染物遷移途徑、潛在受體、暴露途徑等信息,經(jīng)整合概化后以“源-徑-匯”為依據(jù)構(gòu)建了焦化廠初步污染概念模型,并指出概念模型是場(chǎng)地調(diào)查和場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中建立和完善的。鐘茂生等[23]以北京某有機(jī)污染場(chǎng)地為例,結(jié)合場(chǎng)地未來利用規(guī)劃,構(gòu)建特定概念模型并推導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算公式,與現(xiàn)行評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則基于通用概念模型的風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算結(jié)果相比存在差異,因此指出污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中不應(yīng)盲目套用技術(shù)導(dǎo)則的概念模型,而應(yīng)當(dāng)根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際未來建筑結(jié)構(gòu)特征做出調(diào)整和修正。李培中等[24]在對(duì)場(chǎng)地環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)查的研究中指出,國(guó)內(nèi)目前場(chǎng)地概念模型的構(gòu)建主要基于危害識(shí)別,在對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行初步調(diào)查和詳細(xì)調(diào)查后并未及時(shí)迭代更新概念模型,從而造成后期工作的諸多問題。因此,李采用逐階段優(yōu)化的全周期場(chǎng)地概念模型,包括三個(gè)階段。1)初步概念模型:通過匯總場(chǎng)地已有信息初步確定污染場(chǎng)地潛在污染區(qū)域、污染源、污染遷移途徑、受體等基本情況,有利于后續(xù)場(chǎng)地調(diào)查采樣與分析工作的開展。2)基礎(chǔ)概念模型:主要形成于場(chǎng)地初步采樣調(diào)查后,根據(jù)獲得的污染物類型和特征、水文地質(zhì)條件,初步確認(rèn)污染分布和污染區(qū)域邊界后,對(duì)初步概念模型進(jìn)行適度調(diào)整。3)污染表征概念模型:主要形成于場(chǎng)地詳細(xì)調(diào)查后,以高精度調(diào)查的方式獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,并選擇合適三維表征工具進(jìn)一步完善概念模型。姜登登等[25]為探究地下水埋深高于地下建筑物底板情景下污染物蒸氣入侵的過程,構(gòu)建了特定情景概念模型,并將考慮孔隙、裂隙入滲情況下計(jì)算得到的地下水暴露量及室內(nèi)空氣中VOCs濃度與直接套用現(xiàn)行文件HJ 25.3—2019《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(以下簡(jiǎn)稱“《技術(shù)導(dǎo)則》”)的計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)《技術(shù)導(dǎo)則》中概念模型相較于特定情景概念模型,對(duì)場(chǎng)地實(shí)際存在一定程度簡(jiǎn)化,使得基于概念模型的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果過于保守、缺乏準(zhǔn)確性,從而增加污染場(chǎng)地管理和修復(fù)成本。

除上述文獻(xiàn)對(duì)概念模型的研究較為深入,目前檢索到的概念模型相關(guān)文獻(xiàn)主要在場(chǎng)地健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估危害識(shí)別和暴露評(píng)估環(huán)節(jié)中應(yīng)用[26-35],僅以一段話或一張圖的形式簡(jiǎn)單帶過,無法完整細(xì)致地展現(xiàn)污染場(chǎng)地的全貌。可見,概念模型在實(shí)際運(yùn)用中不夠系統(tǒng),容易在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中被忽視。

4 目前存在的不足

盡管目前概念模型在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要作用得到相關(guān)研究人員的廣泛認(rèn)可,但針對(duì)污染場(chǎng)地概念模型的研究尚存在以下方面的不足。

1)相較于國(guó)外,國(guó)內(nèi)概念模型的構(gòu)建流程尚未形成規(guī)范體系。迄今為止,國(guó)外已制定并頒布了有關(guān)污染場(chǎng)地概念模型的技術(shù)導(dǎo)則和標(biāo)椎,但國(guó)內(nèi)還未出臺(tái)具體、明確的污染場(chǎng)地概念模型的標(biāo)準(zhǔn)化文件。生態(tài)環(huán)境部頒布的HJ 682—2019《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)術(shù)語》[13]雖給出了概念模型的基本定義:用文字、圖、表等方式來綜合描述污染源、污染物遷移途徑、人體或生態(tài)受體接觸污染介質(zhì)的過程和接觸方式等,但對(duì)于概念模型的包含內(nèi)容、適用范圍和構(gòu)建方法并未明確規(guī)定?！都夹g(shù)導(dǎo)則》是國(guó)內(nèi)目前最為成熟和權(quán)威的建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)文件,該導(dǎo)則規(guī)定了五個(gè)方面的場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作程序,包括危害識(shí)別、暴露評(píng)估、毒性評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)表征及風(fēng)險(xiǎn)控制值計(jì)算。其中危害識(shí)別、暴露評(píng)估工作程序,涵蓋了構(gòu)建場(chǎng)地概念模型的主要工作,卻也未提及構(gòu)建場(chǎng)地概念模型的要求和工作程序。但在實(shí)際的場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中,大多數(shù)評(píng)估報(bào)告都涉及了對(duì)地塊概念模型的構(gòu)建,而構(gòu)建的方法和結(jié)果呈現(xiàn)缺乏規(guī)范文件的理論指導(dǎo),只能依賴評(píng)估人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平,最終影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)目前,概念模型對(duì)實(shí)際污染場(chǎng)地描述不夠全面、準(zhǔn)確。在所獲場(chǎng)地信息不夠全面的情況下構(gòu)建的概念模型,可能存在過度概化污染物賦存空間位置、污染物遷移途徑和環(huán)境受體暴露過程的問題,從而導(dǎo)致構(gòu)建的概念模型與實(shí)際污染場(chǎng)地的差異較大。此外,照搬國(guó)外概念模型的問題也將導(dǎo)致模型描述失真。首先,在建筑結(jié)構(gòu)中,國(guó)外一般以低于2層獨(dú)棟別墅為主,而中國(guó)則以高層住宅為主,基于獨(dú)棟別墅的模型假設(shè)不能用于描述高層建筑的實(shí)際情況也就不適用于我國(guó)高層住宅的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。其次,在地下結(jié)構(gòu)中,國(guó)內(nèi)導(dǎo)則中通用污染概念模型采用的Johnson-Ettinger模型,模型假設(shè)未來建筑位于污染地下水垂直正上方,地下建筑物底板要高于地下水水位線,兩者之間存在包氣帶,污染物通過底板裂縫進(jìn)入建筑內(nèi)部,未考慮污染地下水直接接觸入滲地下建筑物造成人體暴露的情景。城市建設(shè)地下建筑物以混凝土結(jié)構(gòu)為主,地下水埋深高于地下建筑底板的情景較為常見,因此對(duì)于地下水位較高的地區(qū)(如長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角地區(qū)等沿海地帶)開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),需考慮地下水直接入滲地下室的情況,直接套用現(xiàn)有導(dǎo)則中的通用污染概念模型來計(jì)算室內(nèi)污染物濃度偏離客觀事實(shí),無法為污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)支撐。

5 展 望

污染場(chǎng)地開發(fā)再利用是解決我國(guó)土地利用資源日益短缺的重要手段,在污染場(chǎng)地管理過程中的構(gòu)建概念模型起到了精煉場(chǎng)地信息、幫助相關(guān)人員了解場(chǎng)地“源-徑-匯”的關(guān)鍵作用,然而在概念模型相關(guān)研究中仍然存在一些問題。針對(duì)本文提到的問題,建議在未來風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中:

1)有關(guān)組織和部門發(fā)布概念模型開發(fā)和應(yīng)用的權(quán)威性文件,以指導(dǎo)和規(guī)范污染場(chǎng)地概念模型的構(gòu)建流程,幫助相關(guān)工作人員充分了解場(chǎng)地污染情況,從而有效提高污染場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估效率和準(zhǔn)確度。

2)在實(shí)際概念模型的構(gòu)建工作中,應(yīng)避免簡(jiǎn)單套用國(guó)外概念模型,要在充分了解我國(guó)建筑類型特點(diǎn)、場(chǎng)地地下水位等相關(guān)信息的基礎(chǔ)上,結(jié)合污染場(chǎng)地不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段,持續(xù)更新迭代污染場(chǎng)地的概念模型,使概念模型在不同階段的完善過程中逐漸貼和場(chǎng)地的真實(shí)情況,為后續(xù)場(chǎng)地污染的管理決策提供科學(xué)指導(dǎo)。