典型電鍍場地重金屬污染程度綜合評價分析

王春林，蔣衛(wèi)國，宋頡，耿治鵬

1.遙感科學(xué)國家重點實驗室, 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部

2.北京市測繪設(shè)計研究院

隨著我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級以及城市綠色發(fā)展理念的深入，眾多工礦企業(yè)從城市區(qū)域搬遷或關(guān)停，遺留數(shù)目眾多的污染場地，給周邊土壤造成較大的污染威脅[1-2]。重金屬污染是主要土壤污染類型，且具有毒性較大、降解性低與富集性強的特點[3]。電鍍行業(yè)由于工藝流程的特殊性與復(fù)雜性，其所用原材料及加工過程與重金屬聯(lián)系較為密切[4]。本文通過構(gòu)建場地綜合評價空間模型對不同地區(qū)典型電鍍場地土壤重金屬污染程度進行研究，將為場地修復(fù)與未來開發(fā)利用工作提供參考依據(jù)[5]。

國內(nèi)外學(xué)者[6-8]在研究污染場地重金屬污染程度時多采用統(tǒng)計分析法與指數(shù)評價法。其中統(tǒng)計分析法通過重金屬元素濃度的統(tǒng)計指標(biāo)值，如平均值、最小值、最大值、變異系數(shù)等對重金屬元素的污染情況進行評價；指數(shù)評價法主要包括單因子指數(shù)評價法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[9]、地累積指數(shù)法[10]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法[11]等。如郭平等[12]利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法分析了長春市的土壤重金屬污染分布，并對土壤生態(tài)狀況進行了評價；謝龍濤等[13]采用2 種污染指數(shù)法對土壤重金屬的污染程度進行評價，并對其污染來源進行了分析；Wang 等[14]使用污染指數(shù)與趨勢分析法評價江蘇海岸帶土壤重金屬污染的空間分布程度；Negahban 等[15]綜合使用地累積指數(shù)法與潛在生態(tài)危害指數(shù)法分析伊朗蛇島地層土壤重金屬污染程度以及其潛在的生態(tài)危害。Thomas等[16]則是開發(fā)一套GIS 系統(tǒng)框架，綜合這些污染指數(shù)開展場地綜合評價；陳文軒等[17]利用克里金插值法、土壤污染評價的綜合指數(shù)法對中國農(nóng)田土壤的重金屬空間分布與污染程度進行分析；宋靜宜等[18]在研究瀾滄江水系的底沙重金屬含量時采用單因子指數(shù)法與潛在生態(tài)危害指數(shù)法開展綜合分析，并研究了污染物的空間分布；何甜等[19]利用ArcGIS 的空間分析模塊并結(jié)合空間插值、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行城市群重金屬的污染空間分布評價。由此可見，指數(shù)評價法在國內(nèi)外學(xué)者研究重金屬污染程度時應(yīng)用廣泛并得到認(rèn)可[20-24]。但目前重金屬污染評價研究多集中于單一指數(shù)的應(yīng)用，評價內(nèi)容簡單且各指數(shù)的側(cè)重研究點不一致，因此需要綜合多種指數(shù)研究場地土壤重金屬的污染程度情況。

筆者基于國內(nèi)外學(xué)者通用的指數(shù)評價法，在京津冀、長三角及珠三角地區(qū)分別選取典型電鍍場地作為研究對象，綜合內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、地累積指數(shù)與潛在生態(tài)危害指數(shù)，構(gòu)建場地綜合評價空間模型，對土壤重金屬污染程度進行空間評價與分析，以期為場地土壤修復(fù)與再利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

從《污染場地管控修復(fù)名錄》中挑選3 個典型電鍍場地作為研究對象（圖1），場地分別位于京津冀、長三角與珠三角地區(qū)，均屬重點監(jiān)管場地，并命名為場地1#、場地2#和場地3#。

圖1 污染場地研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area of the contaminated sites

場地1#位于京津冀某市境內(nèi)，建成于20 世紀(jì)50年代，主要用于產(chǎn)品的生產(chǎn)與儲存，主要產(chǎn)品為小型零件和大型電鍍鋅制品，該廠利用電解鋅技術(shù)，從事鋅制品的生產(chǎn)活動， 目前該場地處于廢棄狀態(tài)，場地與市區(qū)鄰近，周邊存在較多敏感目標(biāo)。

場地2#位于長三角某市境內(nèi)，規(guī)模較大，靠近運河區(qū)。該工廠成立于1983年，主營鍍鋅、鍍鉻等電鍍業(yè)務(wù)，其中鍍鉻生產(chǎn)工藝需經(jīng)過拋光以及在熱堿液中清洗除油，再經(jīng)過酸洗去除工件表面氧化層，再進行鍍銅、鍍鉻、鍍鎳。該場地目前已廢棄，未來規(guī)劃為生態(tài)綠地區(qū)，該場地的修復(fù)與再利用極具研究意義。

場地3#位于珠三角某市境內(nèi)，目前該場地處于閑置狀態(tài)。該工業(yè)園區(qū)建成于1994年，分布多家小型電鍍企業(yè)，以鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻為主，同時銷售各種電鍍與五金產(chǎn)品，其中鍍鎳工藝類型較多。該地塊未來規(guī)劃為環(huán)保工業(yè)園，地理位置位于城市中心，周邊存在大量敏感目標(biāo)，該場地對城市污染場地綜合分析與探究有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 土壤采樣點布設(shè)

依據(jù)場地調(diào)查報告中的均勻布點原則，并根據(jù)各功能區(qū)域類型與規(guī)模，在可采樣地區(qū)布設(shè)土壤采樣點：場地1#有13 個土壤采樣點，其中由于廢棄裸地區(qū)面積較大，布設(shè)6 個采樣點，其他區(qū)域布設(shè)7 個采樣點；場地2#有17 個土壤采樣點，主要分布在沿運河地區(qū)；場地3#有40 個土壤采樣點，均勻分布在各功能區(qū)。檢測的重金屬元素包括鉻（Cr）、鎳（Ni）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）、砷（As）、汞（Hg），濃度單位為mg/kg。

1.2.2 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

本研究的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括污染場地調(diào)查報告數(shù)據(jù)、場地矢量邊界數(shù)據(jù)以及場地遙感影像數(shù)據(jù)，均由生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心提供。調(diào)查報告屬于文本類數(shù)據(jù)，從中提取重金屬濃度樣本數(shù)據(jù)、場地污染評估標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等；矢量邊界數(shù)據(jù)用于確定場地空間位置；遙感影像數(shù)據(jù)為高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，用于對場地功能區(qū)分類。場地1#劃分為廢棄裸地區(qū)、植被覆蓋區(qū)、污水處理區(qū)以及電鍍車間區(qū)；場地2#劃分為固廢堆積區(qū)、廢棄裸地區(qū)、植被覆蓋區(qū)；場地3#劃分為廠房建筑區(qū)、廢棄裸地區(qū)、排污管線區(qū)、污水處理區(qū)以及電鍍車間區(qū)。由于各場地建成年代、廢棄時間以及土壤采樣時間等存在較大差異，因此本研究主要評價各典型電鍍污染場地的綜合污染程度。

1.3 研究方法

本研究中電鍍場地重金屬污染程度分析基于污染指數(shù)評價法，并構(gòu)建污染程度綜合評價空間模型[25-26]。本研究使用的污染指數(shù)為單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、地累積指數(shù)以及潛在生態(tài)危害指數(shù)。

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)是評價單個污染物要素造成土壤污染的程度[27]。各場地所在地區(qū)的土壤重金屬標(biāo)準(zhǔn)值如表1 所示[28-30]。

表1 場地所在地區(qū)土壤重金屬標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Soil heavy metal reference values for the area the site locatedmg/kg

單因子污染指數(shù)法是采用重金屬元素濃度與標(biāo)準(zhǔn)值之比進行評價，即：

式中：Pi為重金屬元素單因子污染指數(shù)；Ci為重金屬元素濃度，mg/kg；Si為重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。若Pi＞1，表示場地中受到重金屬元素i污染，且隨污染指數(shù)的增大，污染越嚴(yán)重；若Pi≤1，則表示未受到重金屬污染，具體等級劃分如表2 所示[31]。

表2 單因子污染指數(shù)等級劃分Table 2 Classification of single factor pollution index

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)是污染場地中多種污染物的單因子污染指數(shù)的反映[32]，其計算公式為：

式中：P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pmax為土壤采樣點中單因子污染指數(shù)的最大值；Pave為土壤采樣點中單因子污染指數(shù)的平均值。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)具體等級劃分如表3 所示[33]。

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等級劃分Table 3 Classification of Nemerow comprehensive pollution index

1.3.3 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法是由德國科學(xué)家Muller 于1969年提出[10]。它綜合考慮由自然活動造成的土壤背景值和土壤污染之間的關(guān)系，反映了重金屬元素在土壤中的累積程度。近年來，許多學(xué)者用這種指數(shù)評價重金屬對土壤造成的危害。其計算公式如下：

式中：Ci為重金屬元素濃度，mg/kg；k為背景值系數(shù)，一般取值為1.5。Bi為地球化學(xué)背景值，mg/kg，但由于不同的地理環(huán)境存在較大差異，為使評價結(jié)果更精準(zhǔn)，選取不同地區(qū)的當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸礫34,28-30]。地累積指數(shù)等級劃分如表4 所示[35]。

表4 地累積指數(shù)劃分等級Table 4 Classification of geo-accumulation pollution index

1.3.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)是Hakanson 在1980年提出[11]，該指數(shù)用于評估重金屬對土壤潛在的生態(tài)危害幅度，它不僅反映某一種重金屬元素的生態(tài)危害，還可體現(xiàn)多種重金屬綜合影響，且劃分不同的潛在生態(tài)危害等級水平。其計算公式如下：

表5 潛在生態(tài)危害指數(shù)等級劃分Table 5 Classification of potential ecological hazard index

1.3.5 污染程度綜合評價空間模型

綜合3 種污染指數(shù)進行污染程度評價，以解決單一指數(shù)無法反映場地真實污染程度的問題。首先利用層次分析法（AHP）分析各污染指數(shù)的重要性，其中潛在生態(tài)危害指數(shù)最能反映出污染物的影響，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)次之，地累積指數(shù)最弱，為指標(biāo)賦權(quán)重并通過一致性檢驗[36]。然后累加計算污染場地中各土壤采樣點綜合評價值。計算公式為：

式中：Rtotal為污染程度綜合評價值；Ri為某種污染指數(shù)值；Wi為對應(yīng)指數(shù)值的權(quán)重。指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理按照正向指標(biāo)處理，計算公式為：

式中：Zi為指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；Xi為指標(biāo)原始數(shù)據(jù)值；Ximin為指標(biāo)在研究區(qū)內(nèi)的最小值；Ximax為指標(biāo)在研究區(qū)內(nèi)的最大值。

在ArcGIS Model Builder 模塊中建立重金屬污染程度綜合評價的空間模型（圖2），該模型以場地土壤采樣點的重金屬濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計算3 種污染指數(shù)并與權(quán)重相結(jié)合，分析場地污染程度的空間分布與空間統(tǒng)計，其中各指數(shù)空間分布圖采用反距離插值法（IDW）生成[37]。

圖2 污染程度綜合評價空間模型示意Fig.2 Schematic diagram of spatial model for comprehensive evaluation of pollution level

2 結(jié)果與討論

2.1 電鍍場地重金屬總量描述性統(tǒng)計分析

場地1#統(tǒng)計結(jié)果（表6）顯示，Cr、Ni、Zn 等元素與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，存在污染超標(biāo)情況，其中Ni 的超標(biāo)倍數(shù)最大，Cr 的樣本超標(biāo)率最高。在變異系數(shù)中，Ni 的變異系數(shù)最大，且Cr、Cu、Zn 的變異系數(shù)也均大于1，表明這些元素濃度受人類活動影響較大。

表6 場地1#重金屬描述性統(tǒng)計Table 6 Descriptive statistical results of heavy metals in Site 1#

場地2#統(tǒng)計結(jié)果（表7）顯示，Cr、Ni 元素與標(biāo)準(zhǔn)值比有污染超標(biāo)情況，以Cr 的超標(biāo)倍數(shù)最大，但超標(biāo)率不高。在變異系數(shù)中，Cr 的變異系數(shù)最大，且Ni、Cu、Zn 的變異系數(shù)也較大，均大于2，表明這些元素含量受外源輸入的影響很大。

表7 場地2#重金屬描述性統(tǒng)計Table 7 Descriptive statistical results of heavy metals in Site 2#

場地3#統(tǒng)計結(jié)果（表8）顯示，Cr、Ni、Zn、Cu 元素與標(biāo)準(zhǔn)值相比有污染超標(biāo)情況，其中Zn 的超標(biāo)倍數(shù)最大，Ni 的超標(biāo)率最高。在變異系數(shù)中，Zn 的變異系數(shù)最大，且Cr、Ni、Cd、Cu 的變異系數(shù)也較大，均大于1，表明這些元素含量受外源輸入的影響較大。

表8 場地3#重金屬描述性統(tǒng)計Table 8 Descriptive statistical results of heavy metals in Site 3#

各場地重金屬元素描述性統(tǒng)計結(jié)果顯示，Cr、Ni、Zn、Cu 濃度較高，均存在超標(biāo)情況，其中Zn 濃度最高，同時變異系數(shù)較大，表明受到外源輸入（人為活動）的影響較明顯。其他元素濃度較低，不存在污染超標(biāo)現(xiàn)象。

2.2 電鍍場地重金屬污染指數(shù)結(jié)果分析

各場地內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)空間分布結(jié)果顯示（圖3），場地1#的指數(shù)高值區(qū)主要分布在場地西部的污水處理區(qū)；場地2#的指數(shù)高值區(qū)主要分布在運河區(qū)周邊以及西北部的植被覆蓋區(qū)與固廢堆積區(qū)交界附近；場地3#的指數(shù)高值區(qū)主要分布在電鍍車間區(qū)與排污管線區(qū)。其中場地3#指數(shù)平均值最高，為2.31；場地1#次之，為2.16；場地2#平均值最小，為0.3。場地3#與場地1#污染程度較為嚴(yán)重，場地2#污染情況較輕。

圖3 污染場地內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution map of Nemerow comprehensive pollution index in the contaminated sites

各場地內(nèi)地累積指數(shù)空間分布結(jié)果顯示（圖4），場地1#地累積指數(shù)高值區(qū)主要分布在場地西部的植被覆蓋區(qū)與污水處理區(qū)；場地2#地累積指數(shù)高值區(qū)主要分布在場地北部的固廢堆積區(qū)、植被覆蓋區(qū)大部和廢棄裸地區(qū)的小部分地區(qū)；場地3#地累積指數(shù)高值區(qū)主要分布在電鍍車間區(qū)、排污管線區(qū)與廢棄裸地區(qū)。其中場地1#與場地2#的指數(shù)值均低于0，處于無污染狀態(tài)（即不存在污染物在土壤累積情況），場地3#最大值4.79，平均值為0.75，處于輕到中度污染程度，污染物累積較為嚴(yán)重。

各場地內(nèi)潛在生態(tài)危害指數(shù)空間分布結(jié)果顯示（圖5），場地1#指數(shù)高值區(qū)在場地西部；場地2#的指數(shù)高值區(qū)則分布在場地西北部；場地3#的指數(shù)高值區(qū)呈現(xiàn)2 個高峰區(qū)，分別在場地北部邊界區(qū)與內(nèi)部電鍍車間區(qū)；各場地的潛在生態(tài)危害指數(shù)分布與綜合污染指數(shù)、地累積指數(shù)的空間分布特征整體是一致的，但也存在差異。從數(shù)值大小來看，場地3#的平均值相較于其他2 個場地最高，為284.95，處于中等生態(tài)危害等級；場地2#次之，平均值為66.65，處于輕微生態(tài)危害等級。場地1#最小，平均值為48.59，處于輕微生態(tài)危害等級；場地3#的生態(tài)危害程度最為嚴(yán)重。

圖5 污染場地潛在生態(tài)危害指數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution map of potential ecological hazard index in the contaminated sites

通過各污染指數(shù)在不同場地中的空間分布情況可直觀地確定場地污染范圍并分析其污染特征，但由于不同污染指數(shù)側(cè)重不一致，評價結(jié)果存在差異，因此需對場地開展污染程度綜合評價。

2.3 電鍍場地重金屬污染程度綜合評價分析

基于構(gòu)建的污染程度綜合評價空間模型對3 個場地的污染程度進行分析，場地綜合評價值的空間分布如圖6 所示。場地1#污染程度綜合評價的高值區(qū)主要分布在場地西側(cè)區(qū)域，各功能區(qū)平均值大小依次為污水處理區(qū)＞廢棄裸地區(qū)＞電鍍車間區(qū)＞植被覆蓋區(qū)。該場地整體污染并不嚴(yán)重，存在區(qū)域污染的情況。場地2#的污染程度綜合評價的高值區(qū)主要分布在場地西北部地區(qū)，與場地1#相比偏低，平均值為0.11。該場地中各功能區(qū)平均值大小依次為廢棄裸地區(qū)＞固廢堆積區(qū)＞植被覆蓋區(qū)，整體污染程度較弱。場地3#污染程度綜合評價值的高值區(qū)主要分布在場地北部邊界區(qū)以及場地中部地區(qū)，平均值為0.43。該場地的綜合評價值明顯高于其他場地，各功能區(qū)平均值大小依次為電鍍車間區(qū)＞廢棄裸地區(qū)＞排污管線區(qū)＞污水處理區(qū)＞廠房建筑區(qū)，整體污染程度較為嚴(yán)重。

圖6 場地污染綜合評價值空間分布Fig.6 Spatial distribution map of comprehensive assessment value of site pollution

本研究從場地土壤重金屬濃度描述性統(tǒng)計、污染指數(shù)與污染程度綜合評價空間分析等方面進行研究，但還存在不足之處，如污染物的空間分布的插值精度相對較低，未對地下多層深度污染特征以及成因進行討論，未來將結(jié)合更多來源數(shù)據(jù)開展全面評價與成因分析。

3 結(jié)論

（1）電鍍污染場地重金屬以Cr、Ni、Zn、Cu 的濃度值較高，與電鍍行業(yè)的工藝流程以及工業(yè)活動有關(guān)，且變異系數(shù)較大，受人類活動影響較明顯，需重點關(guān)注這些重金屬元素。其他元素與電鍍行業(yè)關(guān)聯(lián)較小，變異系數(shù)較低，受到人類活動影響較小。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、地累積指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分別從元素濃度高低、地質(zhì)累積程度以及生態(tài)毒性危害方面進行評價，結(jié)果顯示各場地中不同污染指數(shù)的空間分布特征基本一致，但存在差異性。另外，單一指數(shù)反映內(nèi)容片面，不能綜合反映場地污染程度。

（3）污染程度綜合評價空間模型有效綜合3 種污染指數(shù)特征，結(jié)果顯示場地3#整體綜合評價值明顯高于其他場地，其中以電鍍車間區(qū)綜合評價值最高，污染程度嚴(yán)重。場地1#與場地2#污染程度整體值相對較小。從功能區(qū)分布來看，以污水處理區(qū)和電鍍車間區(qū)的污染程度綜合值較高，反映出電鍍場地重金屬污染的主要分布特征。該模型的構(gòu)建可在空間層面為場地修復(fù)與再利用分析提供重要參考。