金屬礦區(qū)／冶煉場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑及其關(guān)鍵因子識(shí)別研究①

安亞男， 萬(wàn) 勇， 郭朝暉， 曹 杰， 徐 銳， 何 曉

（1.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

我國(guó)重金屬污染物排放總量處于高位水平，重金屬污染防治形勢(shì)依然嚴(yán)峻[1］。 金屬礦產(chǎn)采選冶煉過(guò)程中造成的土壤重金屬污染嚴(yán)重，給周邊環(huán)境及居民健康帶來(lái)極大威脅[2-3］。 金屬采選冶煉等活動(dòng)將重金屬釋放到周邊環(huán)境中，然后通過(guò)大氣沉降途徑使重金屬污染物沉積在土壤中[4］。 土壤有機(jī)質(zhì)含量（SOM）、酸堿度（pH 值）、陽(yáng)離子交換量（CEC）、土壤質(zhì)地和礦物類(lèi)型等對(duì)土壤中重金屬的遷移擴(kuò)散具有顯著影響[5］。 在尾礦庫(kù)，重金屬以淋濾、風(fēng)蝕等方式擴(kuò)散，雨水淋濾是主要污染擴(kuò)散途徑，因此，地表硬覆蓋情況及地下防滲措施至關(guān)重要[6-7］。 掌握影響重金屬遷移途徑的主要影響因子，有助于快速切斷污染物的傳播途徑，對(duì)于重金屬污染防治具有重大意義。 因此，研究識(shí)別重金屬污染場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑關(guān)鍵環(huán)境因子非常重要。

科學(xué)的評(píng)估方法是金屬礦區(qū)／冶煉場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的前提條件。 層次分析法是一種能較好滿(mǎn)足這一需求的方法之一[8］，其基本原理是將區(qū)域劃分系統(tǒng)有關(guān)方案的各個(gè)要素分解為目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析[9］。 層次分析法被廣泛應(yīng)用于多種情景下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[10-13］。 本文將層次分析法應(yīng)用于金屬礦區(qū)／冶煉場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑及其關(guān)鍵因子識(shí)別，利用層次分析法半定量評(píng)估22 個(gè)環(huán)境因子對(duì)重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑的影響程度， 建立金屬礦區(qū)／冶煉場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑因子指標(biāo)體系并識(shí)別影響重金屬遷移途徑的關(guān)鍵環(huán)境因子，為金屬礦區(qū)／冶煉行業(yè)場(chǎng)地重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)防控提供科學(xué)管理依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來(lái)源

為建立污染途徑環(huán)境因子指標(biāo)體系，通過(guò)Web of Science， Elsevier Science Direct 和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）等數(shù)據(jù)庫(kù)，利用“重點(diǎn)行業(yè)”“礦山”“冶煉場(chǎng)地（地塊）”“重金屬污染”“遷移擴(kuò)散”等關(guān)鍵詞獲取文獻(xiàn)，對(duì)重金屬遷移途徑信息（擴(kuò)散方式、影響因子等）進(jìn)行綜合分析。

以文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，以科學(xué)性、系統(tǒng)性為原則，建立金屬礦區(qū)／冶煉場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑環(huán)境因子指標(biāo)體系。 將目標(biāo)層設(shè)為場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；準(zhǔn)則層為途徑指標(biāo)，包括大氣沉降、地表徑流、土壤滲透和膠體負(fù)載；指標(biāo)層為因素指標(biāo)，包括影響大氣沉降擴(kuò)散的PM10、風(fēng)速、主風(fēng)向、距污染源距離，影響地表徑流擴(kuò)散的地形、坡度、距地表水距離、年降水量，影響土壤滲透擴(kuò)散的地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、土壤質(zhì)地、土壤容重、土壤顆粒密度、土壤孔隙度、地下水埋深、地下水流速，影響膠體負(fù)載擴(kuò)散的SOM、土壤含水率、pH 值、CEC、土壤礦物類(lèi)型和微生物群落組成等22 個(gè)指標(biāo)。

1.2 分析方法

采用多層次權(quán)重分析法（AHP 法）[14］，基于建立的指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，采用1 ～9 標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)同一層次指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。 假設(shè)A層中的元素B與下一層次中的元素B1，B2，…，Bn有關(guān)系，若要分析B層次各元素間對(duì)B而言的相對(duì)重要性，可以構(gòu)造如表1 所示的判斷矩陣B。

表1 兩兩比較判斷矩陣B

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 值

然后，采取層次分析法計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重，并對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，具體計(jì)算方法如下：

1） 計(jì)算判斷矩陣中每一行元素的乘積Mi：

2） 計(jì)算Mi的n次方根Wi：

4） 計(jì)算判斷矩陣的最大特征值：

式中B為判斷矩陣；W為權(quán)重列向量；Wi為權(quán)重向量的第i個(gè)分量；n為矩陣階數(shù)。

5） 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，要求一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI≤0.1，CI計(jì)算公式為：

當(dāng)n≥3 時(shí)，為消除CI所受階數(shù)的影響，還需引入判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，取CR＝CI／RI，對(duì)所構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一般認(rèn)為CR＜0.1時(shí)，判斷矩陣有可接受的一致性，否則需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正。

1.3 典型案例場(chǎng)地調(diào)查與數(shù)據(jù)分析

以湖南省某大型退役鉛鋅礦為研究區(qū)域，分別選取其中1 個(gè)礦區(qū)和1 個(gè)冶煉場(chǎng)地為污染源調(diào)查研究對(duì)象，按距污染源距離0、500、1000、2000 m 環(huán)形采集土壤樣品，每個(gè)距離采集4 個(gè)土壤樣品，每個(gè)土壤樣品由5 個(gè)蛇形取樣的0 ～50 cm 表層土壤樣品混合而來(lái)，共采集32 個(gè)樣品，采樣點(diǎn)如圖1 所示。 土壤樣品用HNO3-HCl-HF 混合酸（5 ∶3 ∶2）進(jìn)行消解。 通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，NexION 2000，PerkinElmer，美國(guó)）檢測(cè)Cd、Cu、Pb、Zn 總含量。 采用原子熒光光譜儀（AFS-2202E，中國(guó)）測(cè)定As 總含量。 參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[15］測(cè)定SOM、pH 值和其他理化性質(zhì)。 采用PM2.5測(cè)試儀—3016IAQ 測(cè)定PM10。 其余環(huán)境因子指標(biāo)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及查閱所在區(qū)域文獻(xiàn)、年報(bào)等資料獲取。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)

采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)場(chǎng)地土壤重金屬污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[16］，將得到的土壤綜合污染指數(shù)（NIPI）與識(shí)別出的場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑關(guān)鍵因子的指標(biāo)測(cè)定值進(jìn)行相關(guān)性分析。 本文參考國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查風(fēng)險(xiǎn)篩查與風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)技術(shù)規(guī)定確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[17］，將地表硬覆蓋情況指標(biāo)進(jìn)行量化處理，存在未硬化地面取值0.6，硬化地面有裂縫、破損取值1.8，硬化地面完好取值3.0，無(wú)防滲措施取值0.6，有一定防滲措施取值1.8，有全面、完好的防滲措施取值3.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確值

根據(jù)文獻(xiàn)檢索結(jié)果，確定重要途徑為準(zhǔn)則層指標(biāo)、重要因素為指標(biāo)層指標(biāo)。 邀請(qǐng)土壤修復(fù)專(zhuān)家和相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員填寫(xiě)調(diào)查問(wèn)卷，用1～9 的標(biāo)度法確定各指標(biāo)的相對(duì)重要性，建立兩兩對(duì)比的判斷矩陣（見(jiàn)表3）。 因素指標(biāo)共計(jì)22 項(xiàng)，分別屬于大氣沉降、徑流擴(kuò)散、土壤滲透和膠體負(fù)載4 個(gè)途徑，類(lèi)比上述步驟進(jìn)行權(quán)重分配。 然后計(jì)算最大特征向量，檢驗(yàn)各個(gè)判斷矩陣的一致性，檢驗(yàn)結(jié)果顯示各個(gè)判斷矩陣取值合理，通過(guò)一致性檢驗(yàn)（見(jiàn)表4）。 最終得到目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層各因子權(quán)重見(jiàn)表5。

表3 場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)途徑指標(biāo)判斷矩陣

表4 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

結(jié)果表明，對(duì)場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響最大的途徑要素是土壤滲透，其次是大氣沉降，膠體負(fù)載和徑流擴(kuò)散貢獻(xiàn)率較低。 土壤滲透貢獻(xiàn)率最高可能是考慮到重金屬遷移對(duì)地下水的影響[18］，研究顯示，工業(yè)企業(yè)場(chǎng)地主要環(huán)境污染途徑為污染物進(jìn)入土壤和地下水[19］。

對(duì)大氣沉降途徑具有顯著影響的因素是距污染源距離以及PM10，權(quán)重分別為39.48%和36.78%。 重金屬在大氣中主要通過(guò)吸附在顆粒物表面進(jìn)行遷移[20］，距污染源距離遠(yuǎn)近對(duì)重金屬遷移能力具有直接影響。對(duì)徑流擴(kuò)散途徑具有主要影響的是距地表水距離和年降水量，權(quán)重分別為39.76%和29.29%。 由于部分企業(yè)污水排放以及降雨沖刷等原因，場(chǎng)地距地表水的距離可能直接影響重金屬含量[21］。 對(duì)土壤滲透途徑具有顯著影響的是地表硬覆蓋情況和地下防滲措施，權(quán)重分別為31.36%和26.05%，其他土壤滲透性指標(biāo)及地下水埋深、地下水流速等因素貢獻(xiàn)率相當(dāng)。 這可能是因?yàn)橹亟饘僭谕寥兰暗叵滤械倪w移過(guò)程較為復(fù)雜[22］。 對(duì)膠體負(fù)載途徑具有主要影響的是土壤pH值和SOM。 文獻(xiàn)[23］通過(guò)實(shí)驗(yàn)室土柱實(shí)驗(yàn)闡明了天然膠體對(duì)重金屬遷移的限制作用。 文獻(xiàn)[24］通過(guò)對(duì)大量沉積物樣品的分析，也證實(shí)了土壤pH 值對(duì)重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的作用。 總的來(lái)說(shuō)，綜合權(quán)重大于0.05 的指標(biāo)有地表硬覆蓋情況、距污染源距離、PM10、地下防滲措施、距地表水距離、SOM 和pH 值，為場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑的主要因素指標(biāo)。

2.2 基于典型場(chǎng)地的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑關(guān)鍵因子識(shí)別

基于篩選得到的主要因素指標(biāo)，選取2 個(gè)典型場(chǎng)地，以湖南省土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要評(píng)價(jià)As、Cd、Pb、Zn、Cu 這5 種具有代表性的重金屬元素含量及關(guān)鍵環(huán)境因子數(shù)據(jù)，運(yùn)用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計(jì)算其N(xiāo)IPI值，結(jié)果如表6 所示。 將篩選出來(lái)的關(guān)鍵因子實(shí)測(cè)值與典型場(chǎng)地NIPI 值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表7 所示。

表6 典型場(chǎng)地NIPI 值及基本情況

表7 NIPI 值與關(guān)鍵因子指標(biāo)測(cè)定值相關(guān)性分析（n＝32）

由表6 可以看出，不論污染源來(lái)自冶煉場(chǎng)地還是礦區(qū)，NIPI 值均隨距污染源距離增加顯著下降，說(shuō)明距污染源距離對(duì)重金屬空間分布具有顯著影響。 然而，冶煉場(chǎng)地NIPI 值高于礦區(qū)場(chǎng)地，這可能是因?yàn)橐睙拡?chǎng)地重金屬含量較高、遷移性較強(qiáng)。 結(jié)合主要評(píng)價(jià)指標(biāo)及其場(chǎng)地污染實(shí)際情況，在距污染源距離相同的情況下，有防滲措施的場(chǎng)地NIPI 低于未做防滲措施的場(chǎng)地；地表硬化完好的地塊NIPI 值低于未硬化地面的地塊；PM10隨著距污染源距離增加呈下降趨勢(shì)，與場(chǎng)地NIPI 值正相關(guān)。 礦區(qū)距污染源距離0 m 的4 個(gè)采樣點(diǎn)能夠很好地展示土壤pH 值對(duì)場(chǎng)地NIPI 值變化的影響，土壤pH 值越高，污染風(fēng)險(xiǎn)越大，進(jìn)一步表明土壤pH 值與土壤重金屬遷移性之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[25］。

由表7 可知，pH 值、SOM、PM10等因子與NIPI 呈正相關(guān)關(guān)系，距污染源距離、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施與NIPI 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性顯著；距地表水距離與NIPI 相關(guān)性不顯著。 這與前人的研究結(jié)果大致相符[25］。

綜上所述，距污染源距離、PM10、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、pH 值和SOM 等因子會(huì)顯著影響場(chǎng)地土壤重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，是場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑的關(guān)鍵因子。

2.3 關(guān)鍵因子相對(duì)權(quán)重與相關(guān)系數(shù)擬合驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑關(guān)鍵因子的合理性，用Pearson 相關(guān)性結(jié)果與獲得的權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理，得到關(guān)鍵因子與場(chǎng)地NIPI 值的相關(guān)系數(shù)和相對(duì)權(quán)重值，距污染源距離、PM10、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、pH 值和SOM 的相關(guān)系數(shù)分別為0.214、0.178、0.169、0.158、0.147 和0.132，相對(duì)權(quán)重分別為0.203、0.189、0.213、0.177、0.118 和0.100，將二者進(jìn)行擬合以驗(yàn)證篩選得到的指標(biāo)的科學(xué)性，結(jié)果如圖2所示。

圖2 相關(guān)系數(shù)與因子權(quán)重?cái)M合結(jié)果

由圖2 可知，關(guān)鍵因子與場(chǎng)地NIPI 值的相關(guān)系數(shù)與因子權(quán)重?cái)M合效果較好（R2＝0.63），說(shuō)明基于層次分析法篩選得到的關(guān)鍵環(huán)境因子具有一定的代表性，對(duì)于類(lèi)似污染場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控具有一定的參考意義，但其權(quán)重值可能會(huì)隨場(chǎng)地參數(shù)的變化而改變，還需進(jìn)行更多案例場(chǎng)地的驗(yàn)證。

2.4 場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策

金屬采選冶煉行業(yè)污染場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高，影響范圍較大，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防控十分必要。 基于篩選出的關(guān)鍵因子，對(duì)金屬礦區(qū)／冶煉場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)防控提出如下管控對(duì)策與建議。

1） 明確污染風(fēng)險(xiǎn)管控范圍。 研究結(jié)果顯示，距污染源500、1000、2000 m 的場(chǎng)地NIPI 值均顯著降低，可以結(jié)合場(chǎng)地使用功能屬性選擇管控范圍，一般可以選擇管控半徑500 ～1000 m，對(duì)周邊存在其他敏感用地的，則應(yīng)適當(dāng)增加管控措施，確保環(huán)境敏感受體不受污染影響。

2） 加強(qiáng)場(chǎng)地污染源頭風(fēng)險(xiǎn)管控。 對(duì)于在產(chǎn)企業(yè)地塊，對(duì)潛在的污染排放源進(jìn)行提標(biāo)改造，對(duì)無(wú)組織排放源進(jìn)行密閉或負(fù)壓操作改為有組織收集，從源頭削減污染發(fā)生的概率和強(qiáng)度。 同時(shí)，開(kāi)展場(chǎng)地土壤污染隱患排查，完善地塊地表硬化程度和地下防滲措施等，及時(shí)有效管控場(chǎng)地污染的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。 對(duì)于關(guān)閉搬遷企業(yè)遺留場(chǎng)地，摸清場(chǎng)地污染基本情況，通過(guò)污染溯源，明晰場(chǎng)地主要潛在污染源，貫徹“誰(shuí)污染，誰(shuí)治理”理念，有序開(kāi)展污染地塊治理修復(fù)或風(fēng)險(xiǎn)管控工作。

3） 建立長(zhǎng)效環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)制，加大執(zhí)法監(jiān)管力度。對(duì)于在產(chǎn)企業(yè)氣型污染和水型污染，建立完善自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)土壤和地下水采用定期人工監(jiān)測(cè)，及時(shí)識(shí)別污染發(fā)生并有效管控污染風(fēng)險(xiǎn)。 對(duì)暫未開(kāi)發(fā)的遺留場(chǎng)地，在管控好場(chǎng)地污染源的前提下，明確監(jiān)管和監(jiān)測(cè)責(zé)任主體，定期開(kāi)展場(chǎng)地土壤重金屬含量及污染風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)工作，最大限度避免污染風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生。

3 結(jié)論

基于文獻(xiàn)爬取和案例場(chǎng)地調(diào)查，系統(tǒng)梳理了場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑及其關(guān)鍵因子，最終確定了22 個(gè)關(guān)鍵因子指標(biāo)用以建立層次模型。 層次分析法研究結(jié)果表明，大氣沉降和土壤滲透為重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的主要擴(kuò)散途徑，距污染源距離、PM10、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、土壤pH 值和SOM 為遷移途徑關(guān)鍵因子。 在此基礎(chǔ)上，選取2 個(gè)典型場(chǎng)地計(jì)算其N(xiāo)IPI 值，對(duì)關(guān)鍵因子和NIPI 值進(jìn)行相關(guān)性分析，因子權(quán)重與相關(guān)系數(shù)擬合效果較好（R2＝0.63），表明篩選出的場(chǎng)地重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑及其關(guān)鍵因子具有較好的代表性。 最后，提出了基于場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散途徑及其關(guān)鍵因子的預(yù)警方案，為金屬礦區(qū)／冶煉場(chǎng)地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控提供理論支撐。