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行业动态 |【好文分享】污染场地地下水环境污染风险分级评价方法研究

【好文分享】污染场地地下水环境污染风险分级评价方法研究

发布日期: 2022-07-09 访问量:59 字号 A- A A+

污染场地地下水环境污染风险分级评价方法研究

徐瑞颖1,牛浩博2*,罗朝晖1,陈 坚2,刘伟江3

(1.中国地质大学(武汉)环境学院;2.生态环境部环境规划院3.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心,)

《安全与环境工程》 2022年第1期


摘 要:目前我国的污染场地地下水环境污染风险分级评价方法不能完全适合环境管理的要求。从污染源负荷、污染物释放可能性、受体特征三个方面,运用层次分析法和灵敏度分析法对污染场地地下水环境污染风险分级评价指标进行筛选和权重计算,构建了污染场地地下水环境污染风险分级评价方法,将污染场地地下水环境污染风险划分为高、中、低三级,并运用所构建的评价方法对两个典型污染场地地下水环境污染风险进行分级评价与验证。结果表明:采用该评价方法得到的污染场地地下水环境污染风险评价结果与现有评价方法的评价结果基本一致,并且可极大地减少评价指标筛选及权重确定的主观性,适合于不同特征污染物场地地下水环境污染的风险评价,验证了所构建的评价方法具有合理性和可靠性。该评价结果可为国家层面的污染场地分级管理提供科学依据。


关键词:污染场地;地下水环境污染;风险分级;层次分析法;灵敏度分析法

20世纪80年代以来,欧美发达国家逐步将污染场地问题纳入国家环境管理体系中,并形成了完整、成熟的污染场地环境污染风险分级管理体系。目前,我国污染场地环境污染风险管理相关的法律法规、相应的评价方法和管理体系已经逐渐建立起来,但在污染场地环境污染风险分级分类管理方面还处于起步阶段[1-2]。2017年,为了支撑全国土壤环境污染状况详查工作,建立了优先管控名录,对重点行业出台了《关闭搬迁企业地块风险筛查与风险分级技术规定(试行)》。该规定中对污染场地环境污染风险等级评估主要基于初步采样调查结果,采用“源—途径—受体”风险三要素的评价方法。与发达国家污染场地环境污染风险分级管理体系相比,该评价方法考虑的因素较少,评价指标赋分方法主观性较强。另外,污染场地环境污染风险分级分类系统仅仅是一个筛查工具,是否需要采取修复行动还依赖于大量因素[3]。美国环境保护署(EPA)于1995年8月设立了一个由项目专家组成的国家风险优先小组,对污染场地环境污染风险分级评估的方法除了考虑对人体健康和环境风险有关的指标外,还考虑了创新技术、成本延迟、环境正义等指标,该机构利用这些指标评估为超级基金项目中所有新的清洁建设项目确定资金的优先使用次序[4]。由此可见,对于确定污染场地修复的优先顺序需要考虑的因素是多途径、多方面的,我国目前的污染场地环境污染风险分级评价方法仍需进一步改进。


污染场地地下水环境污染风险分级评价的方法主要有迭置指数法、过程模拟法和统计分析法。其中,迭置指数法是通过构建表征污染场地地下水环境污染风险的评价指标体系,按照特定的评分原则得到分级对象的风险指数,并根据风险指数评价污染场地地下水环境污染风险的大小[5-7],如美国污染场地危害等级打分系统(HRS)、加拿大污染场地国家分级系统


(NCSCS)等,该方法考虑指标全面、计算简单方便,但在确定评价指标权重时存在较强的主观性,且对污染形成的机理描述得不够全面[8-9];过程模拟法通常是基于水流和溶质运移模型,模拟污染物在介质中迁移转化的时空变化规律[10-11],如RBCA、3MRA、HERA等模型,该方法对污染物在环境介质中的迁移转化过程进行了定量化描述,主观性低,但过程模拟法需要收集大量的参数,操作性较差,对于全国性的污染场地地下水环境污染风险分级分类管理而言不易推广[12];统计分析法是基于污染场地地下水监测数据及资料,运用统计学方法(如聚类分析、主成分分析等方法)筛选出地下水环境污染的主要影响因素,并通过回归方程给出其适当的权重值,该方法避免了专家评判的主观性,但需要大量的实际数据,其应用受到限制[13-14]。目前污染场地地下水环境污染风险的分级评价方法多采用迭置指数法,但该方法主观性较强[8-9,15]。为了保证污染场地地下水环境污染风险分级评价过程的易操作性,降低评价指标筛选及权重确定过程中的主观性,使评价结果更加客观合理,本文基于迭置指数法并结合层次分析法和灵敏度分析法,构建了污染场地地下水环境污染风险分级评价方法,以期为后续制定综合、全面的污染场地地下水环境污染风险分级管理方法提供借鉴。

1 研究方法

1.1 评价指标选取方法

土壤中的污染物经淋滤作用进入包气带和含水层,可在包气带介质和含水层介质中发生各种稀释衰减作用[11-17]。稀释衰减模型可对污染物在包气带和含水层中释放的可能性进行定量化描述,如早期用于评估农业区农药污染地下水脆弱性的衰减因子指数模型——AF、PRZM模型,模型结果的取值范围为0~1。当模型结果取值为1时,表明土壤中所有污染物都有可能渗入地下水;而当模型结果取值为0时,表明土壤中所有污染物不会渗入地下水[18-19]。姚文锋[20]采用包气带的氮淋溶系数即衰减因子对研究区地下水水质脆弱性进行了评价,结果表明:包气带氮淋溶系数越小,则地下水水质脆弱性越低;相反,如果包气带氮淋溶系数越大,表明包气带中氮素的损失量越少,则地下水水质脆弱性越高。本文选取模拟污染物在土壤中迁移运输过程的稀释衰减模型,对土壤中污染物释放的可能性进行评价。稀释衰减模型的计算公式如下:

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(1)

式中:LF为土壤稀释衰减因子(g/cm3);SAM为土壤衰减因子(无量纲),计算式见公式(2);LDF为土壤淋滤因子(无量纲),计算式见公式(3);Ksw为总土壤-水分配系数(cm3/g),计算式见公式(4);BDF为生物衰减因子(无量纲),计算式见公式(5);TAF为时间平均因子(无量纲),计算式见公式(6)。具体计算公式如下:

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(2)

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(3)

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(4)

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(5)

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(6)

式中:L1为污染土层厚度(m);L2为土壤包气带厚度(m);I为土壤水入渗速率(m/a);v为地下水流速(m/d),计算式见公式(7);δ为地下水混合区厚度(m);W为污染源宽度(m);θws为土壤包气带孔隙水体积比(无量纲);Kd为土壤-水分配系数(cm3/g),计算式见公式(8);ρb为土壤干容重(g/cm3);H′为环境温度下的亨利常数;θas为土壤包气带孔隙空气体积比(无量纲);λ为一阶衰减常数(d-1);Bw为自由水分配系数(无量纲),计算式见公式(9);ED为暴露周期(a)。具体计算公式如下:

v=K×i

(7)

Kd=Koc×foc

(8)

Bw=θws+Kdρb+Hθas

(9)

上式中:K为含水层水力传导系数(m/d);i为水力梯度(无量纲);Koc为有机碳-水分配系数(cm3/g);foc为土壤有机碳含量(g/g);H为亨利常数(无量纲)。

模型参数灵敏度分析是描述模型输入的变化对模型输出响应的影响程度,在决策分析、风险评估、模型简化及优化等多个方面得到了广泛应用[21-24]。由于稀释衰减模型所含的参数较多且计算过程繁琐,故本文采用灵敏度分析方法对稀释衰减模型参数进行分析,识别出主要的影响参数并将其作为污染物释放可能性评价指标,以此降低指标筛选的主观性。但由于稀释衰减模型模拟污染物在环境介质中的迁移转化过程时对污染源负荷和受体特征等相关要素的考虑不足,故本文通过查阅相关文献资料并结合已有的研究成果还选取了污染源负荷和受体特征评价指标,最终将污染源负荷、污染物释放可能性和受体特征三个方面的评价指标加权叠加构建了污染场地地下水环境污染风险分级评价方法,具体思路流程图见图1。

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图1 污染场地地下水环境污染风险分级评价方法构建流程图

Fig.1 Flow chart of groundwater pollution risk classification evaluation method for contaminated sites

1.2 评价指标权重的确定方法

评价指标权重的确定方法主要有专家打分法、层次分析法等[25-26]。其中,专家打分法具有较强的主观随意性,客观性差;层次分析法将相关评价指标按支配关系分成若干层次,对同一层次各评价指标进行两两比较,以获得各评价指标间的相对重要性,但在确定指标相对重要性时仍具有一定的主观性[27-28]。因此,本文将模型参数的灵敏度分析结果与层次分析法相结合,对灵敏度较高的参数赋予更高的权重,以此来降低评价指标权重确定过程中的主观性。

1.3 评价指标分级评分方法

各评价指标内部分级值参考相关文献,优先参考已有评价模型中的评价指标分级,若国内外参考文献中未有说明,可查阅国内外相关污染因子分级标准,并根据各评价指标实际风险大小且结合专家对评价指标的评分情况进行分级评价,评分值范围为1~10[25-26,29]。

1.4 总分计算方法

污染场地地下水环境污染风险评价综合指数的总分计算采用评价指标加权求和法,其计算公式如下:

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(10)

式中:m为评价指标的个数(个);xi为评价指标i的评分值(分);wi为评价指标i的总权重;R为污染场地地下水环境污染风险评价综合指数的总分值。

评价结果R取值范围为1~10分,根据污染场地得分值(R值)将污染场地地下水环境污染风险等间距划分为以下3个等级:当R值为1~4分时,为低污染风险场地;当R值为4~7分时,为中污染风险场地;当R值为7~10分时,为高污染风险场地。

2 评价指标筛选与风险分级评价方法的构建

2.1 评价指标筛选

2.1.1 污染源负荷和受体特征评价指标选取

污染源负荷指标主要描述污染场地环境污染的严重程度,参考国内外污染场地环境污染风险等级评价系统中的指标,选取土壤污染物超标倍数、土壤污染物超标范围作为污染源负荷评价指标;受体特征指标主要反映受体的易损性,主要参考国内《关闭搬迁企业风险筛查与风险分级技术规定(试行)》中的指标,选取地下水及邻近地表水利用类型、场地及周边500 m内人口数量、重点区域离最近敏感点距离作为受体特征指标。土壤污染物超标范围按最大污染土壤方量计;土壤污染物超标总倍数按下式计算:

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(11)

式中:P为土壤污染物超标总倍数(倍);Ci为土壤中第i个污染物浓度的实测值,取所有土壤样品测试数据中的最高值(mg/kg);Coi为土壤中第i个污染物浓度的标准值(mg/kg),参考《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中的筛选值;n为土壤中污染物个数(个)。

2.1.2 污染物释放可能性评价指标选取

局部灵敏度分析方法中参数灵敏度会随参数初始值位置的变化有较大的波动,从而导致参数灵敏度排序不稳定[30-31],因此本研究选取区域灵敏度分析方法。根据区域灵敏度分析原理[32-33],采用蒙特卡洛抽样方法在各参数区间内(见表1)随机采样,计算每组参数对应的输出结果,即土壤稀释衰减因子,并取输出结果的前5%所对应的参数作为可接受参数,利用K-S检验分析可接受参数分布与原始参数分布的差异,两者之间差异越大表明参数的灵敏度越高。若参数的显著性水平小于0.05[26],则认为参数的灵敏度显著。各参数区域灵敏度分析结果,见表2。

表1 稀释衰减模型参数的取值范围[34-36]

Table 1 Range of dulition attenuation model parameters[34-36]

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表2 稀释衰减模型参数K-S检验的统计量和显著性水平

Table 2 K-S statisic of dulition attenuation model parameters

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通过对比各参数的显著性水平,可得出灵敏度显著的参数有污染物分配系数(lgKoc)、土壤水入渗速率(I)、一阶衰减常数(λ)、未污染土壤厚度(D)、土壤有机碳含量(foc)。

2.2 评价指标权重的确定

首先,通过层次分析法建立污染场地地下水环境污染风险评价的递阶层次结构,共分为三个层次,即目标层、准则层和指标层;然后,结合污染物释放可能性评价指标的灵敏度分析结果,采用1~9标度法构造判断矩阵,以判断矩阵为基础计算判断矩阵的特征值及其对应的特征向量,并将特征向量经归一化处理后,即可得到相应的层次单元排序的相对重要性权重;最后,使用最大特征值和权重向量进行一致性检验,由此计算出的各评价指标的权重值,见表3。

表3 污染场地地下水环境污染风险评价指标的权重值

Table 3 Weight value of each risk evaluation index of groundwater pollution in contaminated site

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2.3 评价指标分级与评分

污染源负荷评价指标主要参考美国、加拿大等国家污染场地环境污染风险分级分类系统中的指标分级;受体特征评价指标主要参考我国《关闭搬迁企业地块风险筛查与风险分级技术规定(试行)》中的指标分级;污染物释放可能性指标主要参考DRASTIC及相关文献[5,12]中的指标分级。污染场地地下水环境污染风险各评价指标的分级与评分情况,见表4和表5。

表4 污染场地污染源负荷和受体特征评价指标分级与赋分表

Table 4 Classification and scores of source load indexes and acceptor charateristic indexes in contaminated site

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表5 污染场地污染物释放可能性评价指标分级与赋分表

Table 5 Classification and scores of pollutant release potential indexes in contaminated site

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3 案例应用与分析

3.1 污染场地概述与评分

1)建筑物竖向布置:H1/H=34.5/98.4=0.35>0.2;B1/B=17.5/39.5=0.0.44<0.75。超限程度:(0.75-0.44)/0.75×100%=41.3%。其中,H1为1~9层裙房高度;H为建筑物总高度;B1为标准层宽度;B为裙房宽度。

案例一的某铬盐厂主要生产重铬酸钠和铬酸酐等铬系列产品,该污染场地土壤中主要特征污染物为六价铬(Cr6+),由《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)可知,第二类用地土壤中Cr6+的筛选值为5.7 mg/kg,土壤中Cr6+最大浓度值为811.57 mg/kg,按照公式(11)计算该污染场地污染物Cr6+的超标倍数为142.38倍,污染场地污染物Cr6+的超标范围为2.98×104 m3;污染物释放可能性各评价指标根据该污染场地实际调查报告取值,包括污染物分配系数、未污染土壤厚度、土壤水入渗速率、一阶衰减常数和土壤有机碳含量;该污染场地地下水利用类型为居民饮用水,场地及周边500 m内人口数量约为1 500人,场地最近敏感点为地表水,距场地距离为50 m。按照表4和表5中各评价指标的分级标准对该污染场地各评价指标进行评分,得到该污染场地地下水环境污染风险各评价指标的取值及评分结果,见表6。

表6 案例一污染场地地下水环境污染风险评价指标评分结果

Table 6 Groundwater contamination risk score of case 1

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案例二的某化学原料和化学制品厂主要生产色酚AS、间苯二酚、涤纶树脂等产品,污染主要来源于加工过程中原料、半成品、成品的污染,该污染场地土壤中主要特征污染物为苯、甲苯,土地利用类型为商业用地,由《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)可知,第二类用地土壤中苯、甲苯的筛选值分别为4 mg/kg、1 200 mg/kg,按照公式(11)计算该污染场地污染物的超标倍数为6 659倍,污染场地污染物的超标范围为1.35×104 m3;污染物释放可能性评价指标取值情况见表7;该污染场地地下水利用类型为不开发,场地及周边500 m内人口数量较少,约为300人,最近敏感点为居民区,距场地距离为400 m。按照表4和表5中各评价指标的分级标准对该污染场地各评价指标进行评分,得到该污染场地地下水环境污染风险各评价指标的取值及评分结果,见表7。

表7 案例二污染场地地下水环境污染风险评价指标评分结果

Table 7 Groundwater contamination risk score of case 2

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3.2 评价结果与分析

根据表6和表7中污染场地各评价指标的评分结果,按照公式(10)计算得到两个案例污染场地地下水环境污染风险评价综合指数总分值分别为9.08分、6.35分。此外,采用《关闭搬迁企业地块风险筛查与风险分级技术规定(试行)》中的评价方法对其进行评价,计算得到两个案例污染场地地下水环境污染风险评价总分值分别为84.4分、68.9分。结果表明:采用本文评价方法得到案例一污染场地为高污染风险场地,案例二污染场地为中污染风险场地。分析认为:案例一污染场地生产活动时间较长,多年粗放的生产方式导致场地土壤污染严重,污染源负荷评价指标的评分值较高,且污染场地距离居民生活区较近,将会对周围地下水和周边人群健康造成很大的影响;案例二污染场地土壤污染虽然较为严重,但土壤中污染物迁移能力较弱,地下水为不利用,敏感目标较少,故该污染场地地下水环境污染的风险较小。该评价结果与采用《关闭搬迁企业地块风险筛查与风险分级技术规定(试行)》中评价方法的评价结果基本一致。另外,本文评介方法所选取的评价指标包括污染物本身属性的指标如污染物分配系数、一阶衰减常数等,适用于不同特征污染物场地地下水环境污染的风险评价,并且可有效地减少评价过程中的主观性,从而验证了本文所构建的污染场地地下水环境污染风险分析评价方法具有合理性和可靠性。

4 结论与建议

(1) 本文综合考虑污染源负荷、污染物释放可能性、受体特征三个方面的因素,采用层次分析法和灵敏度分析法构建了污染场地地下水环境污染风险分级评价方法,有效降低了建立评价指标体系时的主观性,可为环境管理部门提供理论依据及技术支撑。


(2) 运用本文所构建的污染场地地下水环境污染风险分级评价方法对两个典型案例污染场地地下水环境污染风险进行了分级评价与验证,结果表明:案例一污染场地为高污染风险场地,案例二污染场地为中污染风险场地,该评价结果与现有评价方法的评价结果基本一致,且本文构建的评价方法更适用于不同特征污染物场地的地下水环境污染风险分级评价,从而验证了本文所构建的评价方法具有合理性和可靠性。


(3) 污染场地环境污染风险的分级评价可以根据污染场地环境危害的轻重缓急进行优先区分,以便对不同风险等级的污染场地进行分类管理。国家层面的污染场地环境污染风险分级分类评价体系的构建是一项长期而复杂的系统工程,建议借鉴国外发达国家已有的污染场地环境污染风险分级分类评价体系,采用多种评价方法,并从多途径、多受体、多方面构建综合、全面、系统的污染场地环境污染风险分级管理体系。


来源:土行者

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