有色金屬工業(yè)固體廢物生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析方法研究進展

蘇為洪,仝 佳,王向宇,張朝能

(昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,昆明 650500)

0 引言

云南是“一帶一路”西南地區(qū)有色金屬產(chǎn)業(yè)聚集區(qū),有色金屬產(chǎn)量在整個西南地區(qū)占比較大,采選冶與深加工過程將產(chǎn)生大量的固體廢物,如尾礦、冶煉渣、處置廢氣廢水的二次渣塵泥、深加工渣等。云南有色金屬以錫鉛鋅銅鋁為主[1],典型固體廢物包括錫尾礦、錫精冶煉渣(主要是砷鋁渣和硫渣)、銅鋅冶煉含砷汞塵泥、鋁灰渣和廢槽襯,有色金屬產(chǎn)業(yè)具有明顯的高污染、高能耗特征。有色金屬冶煉是環(huán)境中重金屬污染物的主要來源[2]。 由于重金屬污染具有毒性強、分布廣泛性、長期性、累積性、隱蔽性、在環(huán)境中不易被降解、難治理、易遷移轉(zhuǎn)化和不可逆性等特點,可通過食物鏈進入人體某些器官,并在人體中緩慢累積,一旦超過人體對其耐受程度,就會對人體造成嚴(yán)重危害。環(huán)境自身的凈化作用和微生物也難以將其降解和消除,重金屬污染環(huán)境的治理成本高且周期長,嚴(yán)重影響了區(qū)域大氣、水體、土壤環(huán)境及人體安全健康,存在較大的生態(tài)環(huán)境安全隱患, 因此開展環(huán)境污染質(zhì)量評價對重金屬污染防治和保障人體安全健康具有重要意義。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是生態(tài)環(huán)境因子在一定時空范圍內(nèi)對人類的生存繁衍及社會發(fā)展的適宜程度的反映,生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度與人們的生存、生產(chǎn)、生活息息相關(guān),為了系統(tǒng)、全面地了解生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,為國民生態(tài)安全提供根本保障,為制定生態(tài)環(huán)境污染防治方案及環(huán)境規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù),使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況與人類的生存發(fā)展相適應(yīng),需對環(huán)境質(zhì)量進行相關(guān)評價。

目前,國內(nèi)外應(yīng)用較多的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法主要有單因子污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、地質(zhì)累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、富集因子法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及污染負(fù)荷指數(shù)法等[3],每種方法各有其特點,適用范圍、評價標(biāo)準(zhǔn)有一定的差異。本研究歸納總結(jié)了環(huán)境質(zhì)量評價的國內(nèi)外發(fā)展歷程,介紹了6種指數(shù)評價方法并對其進行總結(jié)分析對比,選擇出適合有色金屬工業(yè)固體廢物對生態(tài)環(huán)境影響的評價方法。

1 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進展

生態(tài)環(huán)境是一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),包括水資源、生物資源、土地資源及氣候等資源,這些資源數(shù)量與質(zhì)量的有機組合形成了生態(tài)環(huán)境,影響人類的生存和經(jīng)濟社會的持續(xù)健康發(fā)展[4]。

人類為了自身的生存和發(fā)展對自然進行利用與改造,其各種生產(chǎn)活動對生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生不同程度的影響,同時這些影響會反作用于人類的生產(chǎn)和生活。生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是指生態(tài)系統(tǒng)各組成部分在由于人類活動的影響所引發(fā)的生態(tài)過程變化及響應(yīng)以及由此引起的區(qū)域生態(tài)格局的變化[5],這種變化的影響可能是積極的(生態(tài)安全)或消極的(生態(tài)風(fēng)險)。生態(tài)環(huán)境效應(yīng)按性質(zhì)可以分為正、負(fù)效應(yīng)[6-7]。正效應(yīng)是人類生產(chǎn)活動對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的積極有利的效應(yīng)影響,如土地利用類型的變化可能會促進生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和景觀類型演變;反之,負(fù)效應(yīng)是由于人類的行為活動對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的負(fù)面的消極的不利的影響,如生態(tài)破壞、環(huán)境污染等生態(tài)危害。

生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究目前主要是針對單一生態(tài)環(huán)境水文、土壤、大氣、生物多樣性等的研究,對綜合生態(tài)效應(yīng)的研究較少,主要涉及景觀生態(tài)格局、物質(zhì)能量循環(huán)、生態(tài)服務(wù)功能等[8]。

齊文強[9]根據(jù)已有的理論和數(shù)據(jù),以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克旗、甘肅省肅南縣、青海省烏蘭縣為分析研究對象,梳理了土壤質(zhì)量及草地生態(tài)環(huán)境評價的理論研究,分析了草原生態(tài)環(huán)境的主要評價指標(biāo),揭示了研究區(qū)域土壤質(zhì)量特點,評價了草原生態(tài)環(huán)境效應(yīng),搭建了項目數(shù)據(jù)庫。李葉鑫[10]等對煤礦區(qū)土壤裂縫的產(chǎn)生機制和演化規(guī)律進行系統(tǒng)的歸納總結(jié),歸納了拉伸型、塌陷型、張拉型裂縫形態(tài)特征及影響因素、煤礦區(qū)土體裂縫的五種測定方法及其六類相關(guān)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等方面的最新研究進展,并提出展望,以期為煤礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。目前對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究更多的集中在負(fù)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面,而對正生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究相對較少。武強[11]等應(yīng)用一系列學(xué)科如地質(zhì)學(xué)、環(huán)境學(xué)和采礦學(xué)等相關(guān)理論,對閉坑礦山的正負(fù)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進行了綜合分析研究,提出了有針對性的開采與預(yù)防控制措施。 研究表明,閉坑礦山存在著形成污染礦井(坑)水源、串層污染地下水與地表水、危害城鄉(xiāng)供水、造成礦區(qū)地表二次塌陷與山體滑坡、礦區(qū)高層建筑地基失去穩(wěn)定性或?qū)е乱幌盗谢A(chǔ)設(shè)施危害及威脅礦井周圍的生產(chǎn)安全等負(fù)效應(yīng),從儲藏和資源效應(yīng)及提供場地等方面分析綜述了一系列正效應(yīng)。

目前對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價的研究多是關(guān)于土地利用類型變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價研究[12-14],而其他方面,尤其是固體廢物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價分析方面的研究較少,方法體系也不夠完善。

2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析評價指標(biāo)體系的構(gòu)建原則

2.1 目標(biāo)性和針對性原則

評價方法多種多樣,各評價方法的適用范圍、評價標(biāo)準(zhǔn)和特點也有差異。應(yīng)根據(jù)不同的評價目的并結(jié)合評價區(qū)域的實際情況選用合適的評價方法。

2.2 系統(tǒng)綜合性原則

生態(tài)環(huán)境是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng),影響環(huán)境質(zhì)量的因素有很多,很多僅反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個或幾個方面的特征,缺乏全面、客觀反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最本質(zhì)特征的評價方法。在選擇評價方法時,應(yīng)立足于系統(tǒng)綜合的觀點,遵循系統(tǒng)相關(guān)性、層次性、整體性和綜合性等原則,兼顧考慮多種因素的影響,從多個評價角度進行分析,雖各評價方法間具有獨立性,但應(yīng)有機結(jié)合起來。

2.3 科學(xué)性原則

在當(dāng)代科學(xué)發(fā)展中,科學(xué)性是最基本的原則,在科學(xué)探究中需遵循科學(xué)規(guī)律,尊重客觀事實,以客觀事實為基礎(chǔ),要有科學(xué)依據(jù),用科學(xué)的方法及手段反映生態(tài)環(huán)境中的基本特征。

2.4 代表性原則

有的評價方法缺乏導(dǎo)向性,難以突出問題,從而使評價結(jié)果不易得到應(yīng)用。在選擇評價方法時,應(yīng)考慮其代表性、內(nèi)涵獨立性,選取的指標(biāo)應(yīng)客觀反映研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量特征,所選取的方法能代表引發(fā)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的某種因素或效應(yīng)。

2.5 可操作性原則

在選取評價方法時要考慮該指標(biāo)的可量化性及可操作性,實用性強,評價結(jié)果與實際情況的差距小,能夠與真實情況有較好的吻合。有些評價方法其他方面可能都比較合適,但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下不方便獲得或統(tǒng)計和計算復(fù)雜,這樣的方法不推薦選取。

3 生態(tài)環(huán)境污染評價方法

工業(yè)固體廢物流動擴散性和揮發(fā)性不強,但數(shù)量龐大,種類繁多,成分復(fù)雜,受工業(yè)生產(chǎn)過程等不同復(fù)雜因素的影響,導(dǎo)致處理難度大。除了直接造成的污染,還經(jīng)常以水、大氣和土壤為媒介污染環(huán)境,容易造成環(huán)境長期持續(xù)性的污染,是一個比較緩慢的過程。特別是有色金屬行業(yè),能耗高,固體廢物排放量大,污染嚴(yán)重,排放的固體廢物中經(jīng)常含有酸性、堿性、毒性或重金屬成分,通過淋溶、徑流和大氣飄塵等作用形式進入周圍的大氣、水體和土壤環(huán)境,受到其污染影響的范圍將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止固體廢物堆置區(qū)域和空間。為了更好地開展生態(tài)環(huán)境污染防治工作,營造健康安全生產(chǎn)生活環(huán)境,需要對其進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。

在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價工作中,評價方法的選擇和確定是工作的核心。國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法多種多樣,不同評價方法的對象及適用范圍存在一定的差異。隨著國內(nèi)外學(xué)者對理論和評價方法的研究趨于多元化發(fā)展,在一般的指數(shù)法評價基礎(chǔ)上,根據(jù)主客觀相結(jié)合衍生出了一系列評價方法,主要有模糊數(shù)學(xué)評價法、物元分析法、主成分回歸分析法(PCA)、層次分析法(AHP)、秩和比法(RSR)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)、灰色系統(tǒng)評價法等[15-16],被廣泛應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評價研究領(lǐng)域。這些方法特點各異,在評價相同或不同的區(qū)域環(huán)境時所呈現(xiàn)的優(yōu)劣程度不同。而環(huán)境評價方法未來發(fā)展趨勢是將多種評價方法結(jié)合起來使用并進行優(yōu)化。目前,國內(nèi)外常用的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法主要是基于指數(shù)評價的方法,包括單項污染指數(shù)法[17-20]、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[21-25]、地累積指數(shù)法[26-29]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法[30-33]、富集因子法[34-38]、污染負(fù)荷指數(shù)法[39-44]。

3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法(Single factor pollution index method)是基于環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境中某單一污染物的污染程度進行評價,具體為參考評價基準(zhǔn)逐個對各個單項污染指標(biāo)進行分析和評定,是最簡單、最基礎(chǔ)、應(yīng)用較廣泛的評價方法[45]。通過單因子污染指數(shù)評價可以判斷出所評價區(qū)域主要污染物及其污染程度,計算公式為[46]:

Pi=Ci/Si

(1)

式中,Pi為單因子污染指數(shù),Ci為污染物i在評價區(qū)域環(huán)境中的實測濃度,Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)或參考值。

表1 單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Single factor pollution index classification criteria

若Pi≤1.0,表示沒有受到污染,若Pi>1.0,則表示受到污染,指數(shù)Pi的值越大表明污染程度越高,污染越嚴(yán)重。

單因子污染指數(shù)法只能反映出某一特定評價區(qū)域內(nèi)單一污染因子的污染水平,可以判斷環(huán)境中的主要污染因子及其污染程度,該方法直觀、簡便、易于理解、計算簡單,還可以清晰表示出評價樣本與評價標(biāo)準(zhǔn)之間的比值關(guān)系,為其他綜合評價方法提供一定的依據(jù)[47]。但在實際情況下的環(huán)境污染通常是由多個污染因子復(fù)合污染導(dǎo)致的,而單因子污染指數(shù)法不能做到對評價區(qū)域內(nèi)整體污染情況進行綜合評定,僅適用于對特定區(qū)域的單一污染因子污染進行評價。

3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

一般情況下,當(dāng)環(huán)境中存在多種污染物復(fù)合污染時,如果僅用單因子評價法是不能對此區(qū)域內(nèi)的環(huán)境污染真實狀況進行評估的。為了對環(huán)境污染真實情況進行準(zhǔn)確評價,需將各單一污染因子污染指數(shù)進行綜合[48],因此以單因子指數(shù)評價為基礎(chǔ)發(fā)展了多種綜合污染指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法(Nemerow index method)就是其中一種,它能考慮單因子指數(shù)法中單一污染因子的均值與最大值,凸顯出具有最高污染指數(shù)的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響,對不同種類的污染物造成的環(huán)境污染程度進行客觀、全面、綜合性評估,是一種計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。內(nèi)梅羅指數(shù)法在早期時主要被應(yīng)用于沉積物和土壤污染質(zhì)量評價,隨著發(fā)展也逐漸被用于地表水樣品的重金屬污染評價[49],計算公式為[50]:

(2)

式中,Pn為內(nèi)梅羅污染指數(shù),Pi,ave為平均單項污染指數(shù)(各單項污染因子污染指數(shù)的算術(shù)平均值),Pi,max為最大單項污染指數(shù)(各單項污染因子中的最大污染指數(shù))。

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard of Nemerow pollution index

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法考慮了污染物的均值和最大值,避免了加權(quán)系數(shù)中主觀因素對加權(quán)過程的影響,可以更加客觀地評價環(huán)境的污染狀況,是目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的綜合評價方法。但不少研究者在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方法過分強調(diào)了在評價區(qū)域環(huán)境質(zhì)量中高濃度污染物的影響[51],最終評價結(jié)果可能會因此在劃分污染程度差異時在一定程度上存在靈敏性不夠高、精確度不夠好等缺點。

對多種污染因子共同污染的環(huán)境進行評價時可采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。與單因子污染指數(shù)法相比,內(nèi)梅羅污染指數(shù)法能更好地反映出多類別污染物的總體污染情況,避免由于平均值的作用削弱污染因子的權(quán)值[52]。但這種方法的主要問題是過于強調(diào)污染指數(shù)最大的污染因子的影響和作用,導(dǎo)致難以解釋污染物在環(huán)境中發(fā)生的質(zhì)變過程。

3.3 地累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)法(Geo-accumulation index method)是德國科學(xué)家Muller在1969年首次提出的主要適用于河流沉積物的重金屬污染狀況的評價方法[53],也被稱為Muller指數(shù),后來常被用于土壤重金屬污染狀況的評價。該方法考慮了自然地質(zhì)過程中出現(xiàn)的背景值及人為活動對環(huán)境的影響,其將上述兩個因素結(jié)合在一起,更加全面地評價了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。該指數(shù)不僅可以反映出重金屬在自然環(huán)境中的分布變化規(guī)律,還能根據(jù)該指數(shù)對人為活動對環(huán)境造成的影響進行評價,從而區(qū)分人為活動的影響程度,計算公式為[54]:

Igeo=log2[Ci/(K×Bi)]

(3)

式中,Igeo為地質(zhì)累積指數(shù),Ci為樣品中污染物i的實測濃度,Bi為參比值,即污染物i的地球化學(xué)背景值(自然本底值),K為修正系數(shù),考慮到背景值會因為自然成巖作用、巖石種類及表面沉積特征等改變,取值一般為1.5。

與其他方法相比,地質(zhì)累積指數(shù)法除考慮背景值、人為污染因素的影響外,還考慮了巖石種類差異及表面沉積特征可能引起背景值變動的因素,因此彌補了其他方法的不足[55]。但該方法僅能計算出評價區(qū)域內(nèi)各采樣點單一污染因子的污染指數(shù),并不能對不同具有交互作用的污染物或不同評價區(qū)域內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量進行比較分析,故該評價方法并不能全面、客觀、系統(tǒng)地評價區(qū)域的環(huán)境狀況。

3.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法(Potential ecological hazard index method)是瑞典地球化學(xué)家Hakanson從沉積學(xué)角度出發(fā),根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特征提出的評價土壤或沉積物中重金屬潛在風(fēng)險程度的方法。該方法主要探究了重金屬數(shù)量(種類數(shù))、多種污染元素的協(xié)同作用、金屬的毒性水平,評價區(qū)域環(huán)境中重金屬濃度及環(huán)境對重金屬污染的敏感性等因素,不僅反映某一特定環(huán)境下各重金屬元素對環(huán)境的影響,還反映了多種金屬元素協(xié)同污染環(huán)境的狀況,因此經(jīng)常被應(yīng)用于評價土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險[56],其計算公式為[57]:

(4)

式中,RI多因子綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為各單一污染因子i的潛在生態(tài)危害系數(shù)之和。Ei為重金屬元素i的潛在生態(tài)危害系數(shù),Ei=Ti×Pi。Ti為重金屬元素i的毒性響應(yīng)系數(shù),該系數(shù)以重金屬的毒性系數(shù)參考值代替,反映上述的金屬毒性水平、多種污染元素的協(xié)同作用等因素。表4表述了環(huán)境中常見的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)的參考值,Pi為重金屬元素i的單因子污染指數(shù)。

表4 常見重金屬的毒性系數(shù)參考值[58]Tab.4 Toxicity factor reference values for common heavy metals

表5 潛在生態(tài)危害系數(shù)與污染程度的關(guān)系Tab.5 Relationship of potential ecological hazard values and pollution levels

表6 富集因子與污染程度的關(guān)系[64]Tab.6 Relationship of enrichment factors and pollution levels

表8 污染指數(shù)評價方法比較Tab.8 Comparison assessment of pollution index methods

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是目前常用的評價土壤或沉積物中重金屬污染及其區(qū)域生態(tài)風(fēng)險程度的方法。 該方法一方面考慮到了評價區(qū)域內(nèi)多種因素的協(xié)同作用,如工業(yè)布局、水文地質(zhì)條件等,另一方面還考慮到了不同重金屬元素的生態(tài)敏感程度、生物毒性水平、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律對環(huán)境造成的生態(tài)危害也存在差異。為了使評價更側(cè)重于獨立方面,還增加了重金屬元素的毒性相應(yīng)系數(shù),以定量方法對其潛在的生態(tài)危害進行評價,進而反映出重金屬對生態(tài)環(huán)境的危害程度[59-60]。該方法的適用范圍為大尺度范圍區(qū)域內(nèi)的生態(tài)風(fēng)險評價,但在確定重金屬元素毒性響應(yīng)系數(shù)時也存在一定的主觀性。

3.5 富集因子法

富集因子法(Enrichment factor method)是Zoller等[61]于1974年首先被用于南極上空大氣顆粒物中化學(xué)元素的濃度及來源研究,起初被用于研究大氣顆粒物中元素富集程度,判斷和評價顆粒物中元素來源,包括自然來源及人為來源。后期通過不斷的研究改進,應(yīng)用范圍逐漸擴展到土壤研究領(lǐng)域[62],可對污染程度和污染來源進行定量評價。該方法需要選擇滿足一定條件的元素作為標(biāo)準(zhǔn)化元素(或稱參考元素),采樣區(qū)域內(nèi)單一污染元素濃度與參考元素濃度的比值與背景區(qū)中該元素的濃度與參考元素的比值的比率,計算公式為[63]:

(5)

式中,EF表示富集因子值。Ci為元素i的濃度,Cr為被選取的標(biāo)準(zhǔn)化元素的濃度。(Ci/Cr)sample表示樣品中元素i的相對濃度,(Ci/Cr)background表示地殼中元素i的相對濃度。

EF的值與污染元素富集程度成正比,EF值越大表明富集程度越大。根據(jù)富集程度判斷其來源,當(dāng)EF>10時,表明樣品中污染元素相對于參考元素被人為活動富集或稀釋;當(dāng)EF≈1時,表明該污染元素主要來源于地殼或土壤。

富集因子法主要用于研究環(huán)境中污染元素的富集程度,分析、判斷人為來源與自然來源對環(huán)境中污染物含量的貢獻水平。該方法能夠降低地球環(huán)境化學(xué)背景值的影響,還能判斷是否是人為活動造成了重金屬污染[52],使評價結(jié)果更加科學(xué)可靠。

但富集因子在實際應(yīng)用時會因為其缺點受到一定的限制。由于富集因子受多種因素的影響,因此僅根據(jù)富集因子值的大小不能準(zhǔn)確地對污染作出判斷。對富集因子影響較大的因素主要是在參比元素的選擇時沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及不同地區(qū)背景值的不確定性,因此富集因子的計算結(jié)果會受到所選取標(biāo)準(zhǔn)化元素和背景值的影響。標(biāo)準(zhǔn)化元素一般選擇地殼中普遍存在的、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、分析結(jié)果精確度高、人為污染來源較少、揮發(fā)性低、不易受環(huán)境和分析測試環(huán)節(jié)影響的元素。國內(nèi)外研究中常用參比元素主要有Fe(鐵)、Al(鋁)、Ti(鈦)、Si(硅)、Sc(鈧)、Mn(錳)[65]等,但選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)化元素必然會導(dǎo)致計算結(jié)果的差異。在參考元素的選取和背景值選擇上,目前國內(nèi)外還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),具有一定主觀性,富集因子會因此產(chǎn)生較大的誤差。本方法就不適用于大范圍環(huán)境理化性質(zhì)、不同重金屬種類及濃度下的區(qū)域評價,具有一定的局限性。

3.6 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法(Pollution load index)是由Tomlinson等[66]首先提出用于重金屬污染水平分級研究的一種評價方法,可以更直觀地反映各種污染物對區(qū)域環(huán)境污染的貢獻程度及污染區(qū)域內(nèi)重金屬元素的時空變化趨勢,在評價土壤和河流沉積物重金屬污染時被廣泛應(yīng)用[67-70],計算公式為[71]:

(6)

式中,PLI表示采樣點的污染負(fù)荷指數(shù),Pi表示單因子污染指數(shù),n表示污染物種類數(shù)。

污染負(fù)荷指數(shù)也是一種定量評價方法,通過采用一定的統(tǒng)計學(xué)方法,量化評估各個采樣點的不同污染因子所引起的污染狀況,將其劃分為不同的污染等級,最終通過對各個點位的污染評估結(jié)果來反映該地區(qū)整個污染水平。污染負(fù)荷指數(shù)法能直觀反映污染元素在時間上和空間上的變化規(guī)律,也能反映不同污染物的污染貢獻水平,從而確定污染程度?？紤]了各項污染物的污染指數(shù),可以綜合反映評價區(qū)域內(nèi)的污染狀況[72]。

4 各種評價方法的比較

單因子污染指數(shù)評價法為其他污染指數(shù)評價方法提供依據(jù),但該方法只能反映單因子污染程度,缺乏綜合性。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了單因子污染指數(shù)法的最大值和均值,能夠較全面地反映各種污染物的協(xié)同作用,從而綜合地評價各類環(huán)境污染因子的污染程度,是環(huán)境領(lǐng)域評價環(huán)境污染質(zhì)量常用的方法。地質(zhì)累積指數(shù)法一方面考慮環(huán)境地球化學(xué)背景值、人為污染因素,另一方面考慮了容易被忽略的自然成巖作用、巖石種類及表面沉積特征可能造成背景值變動的因素,但該方法未涉及綜合評價多項污染因子復(fù)合污染,導(dǎo)致其系統(tǒng)性、綜合性不是很高。潛在生態(tài)危害指數(shù)法除了考慮了單因子重金屬的影響,還綜合考慮了多污染因素的協(xié)同作用、不同重金屬的毒性水平、重金屬污染濃度及環(huán)境對重金屬污染敏感性等因素,具有直觀性、定量性和對于潛在生態(tài)風(fēng)險的預(yù)測性等特點,因此被廣泛應(yīng)用于評價沉積物、土壤中重金屬元素的生態(tài)影響效應(yīng),但該方法中毒性系數(shù)的確定有一定的主觀性影響。富集因子法可以分析、判斷人為來源與自然來源對環(huán)境中污染物含量的貢獻水平,減小或避免自然背景值對評價結(jié)果的干擾,但評價結(jié)果易受多種因素的影響。污染負(fù)荷指數(shù)法體現(xiàn)了各種重金屬含量在時間和空間上的變化規(guī)律和各污染物的污染貢獻水平,可以綜合反映評價區(qū)域內(nèi)的污染狀況,但不同污染源所引起的背景值差別并未考慮。

上述幾種評價法適用范圍和特點各不相同,在對區(qū)域環(huán)境進行污染質(zhì)量評價的過程中通常需綜合應(yīng)用多種方法,通過對各種方法的有機結(jié)合,更好地識別不同評價區(qū)域的污染源和污染程度,更加全面、合理地評價區(qū)域的綜合污染現(xiàn)狀水平。

有色金屬工業(yè)固體廢物污染區(qū)域大,污染因子復(fù)雜多樣,在對有色金屬工業(yè)固體廢物的生態(tài)環(huán)境影響效應(yīng)評價分析中,可將幾種評價方法根據(jù)其適用范圍及特點進行有機結(jié)合,全面、合理地對有色金屬工業(yè)固體廢物的整體污染現(xiàn)狀水平做出綜合評價。

5 總結(jié)與展望

有色金屬工業(yè)固體廢物排放量最大,其運輸、堆存過程中可能會引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境效應(yīng),不僅占用大量土地資源,還對水環(huán)境、土壤環(huán)境、大氣環(huán)境造成了污染,間接地對生態(tài)系統(tǒng)、人體健康造成威脅,因此對固體廢物處理與處置場所周邊環(huán)境進行生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析評價,有利于充分了解固體廢物的污染程度及范圍,對評價周圍環(huán)境的質(zhì)量安全具有現(xiàn)實意義,可為固體廢物的監(jiān)測管理和污染區(qū)域的修復(fù)提供科學(xué)合理的參考。評價方法種類眾多,其適用范圍和特點存在一定的差異,采用不同的評價方法得出的評價結(jié)果必然有差異,因此要在充分了解各方法的基礎(chǔ)上采用比較適用合理的評價方法,具體問題,具體分析,盡量做到科學(xué)客觀。

結(jié)合目前關(guān)于有色金屬工業(yè)固體廢物生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究現(xiàn)狀及固體廢物污染的現(xiàn)實問題,對今后的相關(guān)研究提出以下建議:

應(yīng)在當(dāng)前的評價方法基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新和改進,及時了解前沿方法并將其應(yīng)用擴展,進一步完善環(huán)境污染質(zhì)量評價方法體系。隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展及其在其他行業(yè)的應(yīng)用,生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析評價應(yīng)和3S技術(shù)結(jié)合起來,將多種評價方法結(jié)合優(yōu)化。相對于單一方法的評級結(jié)果,兩種或兩種以上評價方法的結(jié)合能夠更加客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確地反映生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

對固體廢物特別是含有有害元素的固體廢物進行生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析時,不僅要進行環(huán)境質(zhì)量評價和生態(tài)風(fēng)險評價,對人體健康的風(fēng)險評價也應(yīng)加強。

固體廢物中重金屬的總量不能完全反映重金屬的生物可利用性(有效性)和生物毒性,重金屬生物可利用性和毒性除了與其總量有關(guān)外,與重金屬在環(huán)境中的化學(xué)形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化能力也密切相關(guān),而重金屬元素的生物可利用性更能反映出對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的效應(yīng)程度,因此在分析固體廢物中的重金屬生態(tài)環(huán)境效應(yīng)過程中,應(yīng)關(guān)注重金屬的化學(xué)形態(tài)及賦存狀態(tài)分析及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。

在固體廢物處理與處置過程中,固體廢物中重金屬等可能滲透進入環(huán)境,結(jié)合受影響區(qū)域的重金屬污染物背景值,基于堆場與受污染環(huán)境之間重金屬存在著同源性或一致性,可進行堆場與受污染環(huán)境重金屬的相關(guān)性分析,了解固體廢物中的重金屬含量與堆存場周圍環(huán)境的重金屬含量之間的相關(guān)性,進而分析固體廢物重金屬等對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響效應(yīng)。