环境背景管理及其在场地环境评价中的作用

唐艳冬，贺信，周惠艳，张超艳，颜增光，周友亚*，李发生

1.环境保护部环境保护对外合作中心，北京 100035 2.国家应用软件产品质量监督检验中心，北京 100139 3.中国环境科学研究院土壤污染与控制研究室，北京 100012

环境背景管理及其在场地环境评价中的作用

唐艳冬1，贺信1，周惠艳2，张超艳3，颜增光3，周友亚3*，李发生3

1.环境保护部环境保护对外合作中心，北京 100035 2.国家应用软件产品质量监督检验中心，北京 100139 3.中国环境科学研究院土壤污染与控制研究室，北京 100012

对场地进行环境背景管理是确定区域污染状况、评价环境质量、进行污染预报、制定环境标准的基础。与背景管理相关的问题对于正确解释潜在污染场地的评估数据以及正确区别人为输入及背景贡献至关重要。缺乏对背景浓度的正确定义或错误理解背景浓度概念可导致错误鉴别潜在污染场地，或过高估计污染土壤的体积。因此，背景管理策略是场地环境评估不可分割的部分。介绍了环境背景值的制定方法及环境背景评估在场地环境评价中的作用，概述了欧洲不同国家(意大利、荷兰)、美国及加拿大有关背景管理的基本情况及相关国际标准惯例。

环境质量；环境背景管理；场地环境评价；国际标准惯例

环境背景值这一概念最先由Connor等提出[1]，是指未受污染的情况下，环境各组成要素的基本化学成分或化学元素的含量。它代表了这些环境要素在其发生和发展过程中形成的化学组成特征，是确定区域污染状况、评价环境质量、进行污染预报、制定环境标准不可缺少的基础资料。

背景值的研究具有重要的理论和实践意义，一直以来都是国内外环境科学领域关注的对象，许多国家先后进行了背景值的研究工作[2-6]。土壤环境背景值的确定，可以为合理制定土壤环境质量标准提供科学依据，为评价城市固体废物土地利用、农业化学品投入等人类活动对土壤环境质量的影响提供参考依据，有助于研究和评价不同环境、地质、地理条件下土壤的污染程度，有助于确定土壤污染物的来源以制定管理对策。同时它也是指导环境污染监测、环境评价以及修复治理工作的基础，是制定土壤环境质量标准的重要依据。因此，系统、完善而准确的背景值研究工作尤为必要。

场地环境评估程序主要包括以下内容：1)通过资料收集及现场踏勘对场地进行初步污染识别，对于疑似污染场地做进一步调查；2)对场地进行采样分析，确定污染状况，对确认存在污染的场地进行进一步分析；3)加密采样分析确定污染范围及污染程度，基于分析结果对场地进行风险评估，确定修复范围，提出治理方案。在对场地进行环境评估的过程中，场地采样调查的检测浓度如果低于国家或地方的阈值浓度或筛选值(threshold level concentrations，TLCs)，该场地被认为“没有受到污染”，不需进一步调查，可再开发利用；相反，则该场地被认为“可能受到污染”。然而，对于环境背景浓度较高的地区，可能会出现由于TLCs比环境背景值低而错误定义潜在污染场地的情况，因此，环境背景管理对“污染场地的确认”具有重要意义。

然而，即便是在欧洲、美国、加拿大等发达国家，场地环境评价程序内的背景管理策略也没有完全标准化，但从国家到地区，或环境部门或研究机构颁发了不同的技术指南或协议，为实际解决场地评价研究中化学数据的收集和评估问题提供了参考依据和技术框架。

1 环境背景的定义

根据美国国家环境保护局(US EPA)2002年的定义，背景(background)是指不受场地排放影响的物质的浓度水平，通常分为自然背景(natural background)和人为背景(anthropogenic background)[7]。自然背景值是指环境中天然存在的、未受人类活动影响的物质浓度；人为背景值是指环境中因人类活动而存在，但与受调查的潜在污染场地没有特别联系(即不取决于现场点源)的天然物质和或人造物质的浓度。现场测得的浓度可能是场地相关活动和“环境背景”(ambient background，或统称为背景)共同作用的结果，场地环境背景为场地周围区域具有代表性的天然源和可能散布的人为源的总和，如图1所示。

图1 与场地相关的背景浓度组成(US EPA，1995)[8]Fig.1 Site-related versus background concentrations components(US EPA，1995)

2 土壤环境背景值的制定方法

国际标准化组织(ISO)发布了ISO 19258:2005土壤质量标准——背景值制定指南[9]。该标准提供了确定土壤(不包括地下水与沉淀物)中无机物和有机物背景值的原理和主要方法。按照ISO 19258:2005的规定，一般土壤环境背景值的制定过程包括：1)土壤样品采集，包括制定土样采集方案及土样采集步骤；2)土壤样品分析，包括土壤样品的前处理，萃取及检测；3)数据的收集、分析和处理。此外，ISO 19258:2005也提到了评估现有数据以及从采样阶段至数据处理和数据评估阶段收集新数据的方法和策略。

2.1 背景评估数据的获得

在场地评估过程中进行背景评估的第一步是收集场地周围环境基体中可用的地球化学信息。可使用以前的数据，也可通过在“参考场地”(reference site，RS)上同时进行采样活动获得。参考场地一般位于目标场地之外，是在背景管理研究中进行对比分析的场地，一般具有以下特点：未受现场化学品释放的影响；与目标场地在地貌、地层结构和岩性特征方面尽可能有可比性；位于目标场地上游并与目标场地处于同一流域位置。参考场地与目标场地应采用相似的采样和分析方法。在对比目标场地与参考场地的浓度数据时，应将主要土壤层或岩层性质考虑在内。尽管在参考场地采集的样本数少于目标场地，但应足够开展场地特定数据的“统计比较”。

2.2 统计数据分析与场地特定阈值选择

可采用单变量、双变量和多变量统计方法，来表达场地地球化学数据集的统计特性，以确定浓度“自然变化上限”。在背景管理研究中，原则上可采用不同的图形工具〔如箱须图、概率图、分位数-分位数(Q-Q)图、相关图等〕、不同的数据统计方法(方差分析、T检验等)或显示变量间显著相关〔主成分分析(PCA)、因素分析(FA)、相关系数矩阵〕的统计验证。但每种统计工具均有其适用性，这取决于可用数据的信息和类型。因此，分析场地特定数据集的最佳方法必须因案例而异。

2.2.1 场地特定频数分布分析

地球化学数据集可通过概率图进行处理。概率图是一种在探索性数据分析[10-11]中广泛采用的工具，可用于定义背景浓度范围和确定浓度阈值[12]。Statistica 8.0 (StatSoft Inc.)和Grapher 6.0 (Golden Software)等是获取图形或支持分析步骤的常用软件。

查看概率图的形状可快速识别场地特定数据集与高斯(Gaussian)分布或对数正态分布的符合性(在相应的概率图中描绘成直线)。概率图在分析宽数据集上有实际优势，因为：1)通过整个曲线中的形状中断或拐点可轻易识别多众数分布(即由不同的正态或对数正态群体组成的数据集，可能有不同程度的重叠)以及通过分区程序分离组成群体；2)无论是否有足够的数据均可推断出形成整个数据集的单个群体的统计参数；3)确定背景群体和异常值(异常点或分离统计群体)之间合适的临界点，并据此得出场地特定参考极限。

从统计数据分析中选择一个环境背景变化上限(UBC，通常与+2σ或频数分布的第95百分位点相一致)，以便区分由现场源造成的潜在污染和环境背景贡献。选择UBC参考值时，应将背景群体和异常群体的重叠程度考虑在内。数据统计分析的结果必须与研究区域现有地质地球化学信息相结合，以便为各分区的数据组分配一个物理含义(即单个群体和或异常值)。其他基础图形工具与概率图分析同样也可用于数据分析。

2.2.2 场地特定数据集与背景频数分布比较

对比法是一种识别由现场源引起的人为贡献，并将它们从背景值中区分出来的最有价值的方法，该方法以场地特定数据与参考场地背景数据的完整频数分布统计对比为依据。

通过目标场地与参考场地之间相关参数频数分布关系图可以区分背景值与人为源，参考场地分布和目标场地特定分布出现“系统漂移”表明可能与目标场地出现的扩散污染有关，而不是集中在热点区域。定量这些中心趋势参数(平均值与中值)中的漂移值可使用统计检验，如正态分布变量的Student T检验或非参数Wilcoxon秩和检验。当仅出现非系统漂移时，表明在这两个分布之间出现了局部偏差，Q-Q图(四分位检验)可用来比较一个已知元素的两个分布场地(目标场地与参考场地)的四分位以及能突出出现过显著漂移的频率标度的部分。

在环境评估研究中，通常会发现缺少实际选中的参考场地的数据。在这种情况下，可以参考目标场地周围区域的大量地球化学活动，这些信息提供了相应区域中环境基质(如基岩样本、水系沉积物)的元素浓度的大量参考数据，从而再试着对这些场地数据进行解释。这些从研究项目或从其他公布数据中获得的广域信息可用来进行背景评估。例如，一个主要露出煤岩类型的组成特性的已知流域的Ni-Cr在蛇纹岩或超镁铁岩中正向相关可用于解释土壤的痕量元素分析中所观察到的地球化学关系，并最终通过与这些主趋势的偏离来区分人为贡献。

2.3 浓度值深度分布

在背景分析中必须涉及到评估与深度有关的浓度变化。场地调查一般都包含了表土(0～1 m)和次表土(gt;1 m)，风化与土壤的形成过程会导致化学物质浓度的自然差异。

从统计数据分析中得出，在没有人为影响时，化学物质浓度在深度剖面内变化较小。实际上，现场源决定了污染峰值大部分集中在浅层或低渗透或不渗透层的黏土层上方或黏土层内。相反，沿着土壤的剖面化学物质浓度显著的变化可能与自然富集或者土壤形成的过程中出现的过渡层有关，也可能与叠加的人为输入有关。因此，与参考场地的深度剖面进行比较对于确定自然变化的贡献至关重要。

3 背景评估在场地环境评估中的作用

对一个潜在污染场地逐步进行环境评估(environmental site assessment，ESA)时(图2)，如果第一阶段场地评估(不包括取样活动)表明该场地可能存在污染源，则需要对该场地进行初步调查(第二阶段第一步场地评估)，初步调查的检测浓度水平如果低于国家或地方的阈值浓度或筛选值(TLCs)，则该场地将被认为没有受到污染，不需进一步调查，可被再开发利用；相反，如果检测到的浓度值超出了所采用的TLCs，则该场地被认为“可能受到污染”，将会开展详细调查(第二阶段第二步场地评估)以及进行风险评估(第三阶段)。

图2 背景管理与ESA过程Fig.2 Background management and the ESA process

TLCs是一个基于风险的标准，与土地利用类型有关，有时结果会比较低，对于天然浓度较高的化学物质而言，TLCs通常会根据具体情况调高至成为场地化学物质背景值。因此，不管关注污染物(contaminants of concerns，COCs)的浓度是否超出TLCs，都必须根据本地背景值进行评估，才能将一个场地定义为“可能受到污染”。

在环境研究中，通常所说的背景参考浓度为广义平均值，将一个广义的平均背景值用作TLCs与场地特定浓度进行逐点对比常常是解决问题的首选方法，但也可能导致错误地定义潜在污染场地。确定背景浓度变化范围及相应的置信区间，获得充足的场地土壤中化学物质浓度自然变化数据将有助于区分基础数据与异常数据，避免在定义潜在污染场地时出现错误。

4 国外背景管理监管方法与技术指南简介

一般来说，国家环境部门或相关机构会通过指导性文件或技术草案，尤其是一些现行的环境风险评估导则和法规，对土壤和地下水中的无机物和一些人造有机物(如有机农药、增塑剂、合成纤维中化学物质等)的环境背景参考值做出规定。

在大多数情况下，背景值的具体研究与场地评估程序同时进行，在具体案例中可以将基于毒性的筛选值(TLCs)提高到元素背景值上限。

4.1 欧洲国家

《欧盟水框架指令》〔EU Water Framework Directive (WFD) 200060EC〕[13]介绍了欧洲国家确定地下水自然背景的方法，它采用了基于流域的方法，为成员国制定了一个水资源管理方面的通用框架。WFD强调需要定义地下水中溶解成分的自然背景浓度，以便作为参考识别可能的人为输入。

欧洲化学品管理局在《信息要求与化学安全评估指南》附录R.7.13-2 金属与金属化合物环境风险评估[15]中介绍了在环境风险评估中确定金属和金属化合物背景浓度的各种方法和各自的优缺点。

4.1.1 意大利

在国家层面上，意大利环境保护与领土局(Agenzia per la Protezione dell’Ambiente e del Territorio，APAT)，环境保护与环境研究院(Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale，ISPRA)和国家卫生研究院(Istituto Superiore di Sanità，ISS)联合发布了一些确定与国家利益相关的场地土壤和地下水背景值的技术草案。如APAT-ISS《确定国家利益相关场地土壤中金属非金属自然背景值的操作草案》(Protocollo Operativo per la Determinazione dei Valori di Fondo Naturale di MetalliMetalloidi nei Suoli dei Siti di interesse Nazionale)[16]；ISPRA《定义地下水中无机物质背景值草案》(Protocollo per la Definizione dei Valori di Fondo per le Sostanze Inorganiche nelle Acque Sotterranee)[17]。

在国家指南文件的基础上，意大利地区环境保护署(Agenzie Regionali per la Protezione Ambientale，ARPA)可基于精密采样网格，在区域级或省级开展具体环境基质的自然背景评估。到目前为止，马尔凯区环境保护署(ARPAM)、威尼托区环境保护署(ARPAV)、皮埃蒙特区环境保护署(APRAP)等一些地区环境保护署已经制定了区域尺度的土壤背景值。污染场地清理中自然背景值的制定指南也在省级尺度上予以颁布，如2003年米兰省颁布的《污染场地清理中自然背景值的制定指南》(Linee guida per la determinazione dei valori del fondo naturale nell’ambito della bonifica dei siti contaminati)[18]。

4.1.2 荷兰

荷兰国家公共卫生与环境保护研究院制定了一种在标准制修订中考虑背景值的实用方法，其在制订国家环境标准时，通过所谓的“荷兰额外风险法(DARA)”将金属的背景浓度考虑在内。在假定基本金属元素的自然存在水平并不会导致风险增加的前提下，以环境风险限值加平均背景值作为环境标准值。该策略的进一步发展方向是要区分不同的自然背景值，避免采用单一的平均背景值，同时适当考虑金属的(生物)有效性。

在荷兰，这些背景参考值的取值是根据从农村地区未受到任何污染的场地中采集到的样品的测定值来确定的。对于金属的土壤背景值，是通过采用回归模型建立的所谓“参照线”来确定的，该方法将金属浓度与含有一定比例的有机质和黏土的典型原始土壤关联起来。水溶性物质在水体中的自然背景值则通过地球化学模拟方法来建立，而沉积物的背景浓度值则通过采用分配系数法，从计算得到的水环境背景值推算而来(RIVM报告，1997)[19]。

4.2 美国

在美国，背景值按区域来确定，并由环境保护部门定期更新。俄亥俄州[20]、新罕布什尔州[21]和佛罗里达州[22]已在其全州范围内开展了背景值研究，并提供了采用统计学方法确立的土壤金属背景浓度参考值。这些值可作为通用参考值，当这些在区域尺度上获得的背景值不适用于目标场地的情形时，应用当地确定的背景值来代替。

在美国，对土壤中化学品的背景值和浓度值进行比较的操作指南由US EPA、US EPA各地方机构、美国各州(如肯塔基州)以及海军设施工程司令部[23-25]提供。

4.3 加拿大

加拿大环境部长委员会(CCME)颁发的土壤质量指南中规定，土壤筛选参考值为国家自然背景值(低值)加上与最小致癌风险相关的其他污染浓度值(高于背景值)。由于需要说明背景值定义的规模效应，加拿大确定了以州为单位制定相应的区域参考背景值，如安大略省环境和能源部“OMEE，1997 - 表F：安大略省典型土壤浓度范围”；不列颠哥伦比亚水、土地与空气保护部“BC MWLAP，未标明日期 - 表 1：无机物质地区背景土壤质量估计值”。BC MWLAP在发布的与土地修复相关的技术程序与政策“草案4-确定土壤质量背景”中提到其目的在于：在区域层面上总结几个无机物的土壤背景质量可用数据；提供用于确定场地特定土壤背景值的程序指南。

5 结论

尽管国际上可参考的标准框架相当分散，但国家到地区各级环保部门或研究机构颁发的大量指南和技术文件仍提供了在场地环境评估过程中开展背景管理的实用策略与途径。对场地进行环境背景管理有利于正确区别场地人为输入与背景贡献，有利于正确解释潜在污染场地的评估数据。缺乏本地COCs参考背景浓度数据或错误的理解本地COCs参考背景浓度可导致错误的定义潜在污染场地，因此环境背景管理策略应作为场地环境评估研究不可分割的一部分。

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AmbientBackgroundManagementandItsImplicationsforEnvironmentalSiteAssessment

TANG Yan-dong1， HE Xin1， ZHOU Hui-yan2， ZHANG Chao-yan3， YAN Zeng-guang3，ZHOU You-ya3， LI Fa-sheng3

1.Foreign Economic Cooperation Office, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100035, China 2.National Application Software Product Quality Supervision and Testing Center, Beijing 100139, China 3.Department of Soil Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Ambient background management was the basis for the determination of region-scale pollution status, assessment of environmental quality, forecasting of pollution and development of environmental standards. Issues related to background management were of critical importance to correctly interpret assessment data at potentially contaminated sites and properly discriminate possible anthropogenic inputs from background contributions. A lack of definition or a wrong knowledge of local reference background concentration for contaminants of concern may cause misleading conclusions on the classification of a site as potentially contaminated or overestimation of the contaminated volumes, and the background management strategy was therefore absolutely necessary for environmental site assessment procedures at potentially contaminated sites. A brief introduction to the methodology for determination of background values were made, and the influence of environment background assessment in environmental site assessment were briefed. The related basic information of background management and current international regulatory approaches and standard practices in Europe (Italy and Holland), USA and Canada were outlined.

environmental quality; ambient background management; environmental site assessment; international standard practices

1674-991X(2013)02-0163-06

2012-06-11

中意合作-石油化工类污染场地修复和技术支持项目(CIIS10045)

唐艳冬(1974—)，女，工程师，从事环境管理工作，tang.yandong@mepfeco.org.cn

*责任作者:周友亚(1969—)，女，副研究员，博士，主要从事环境分析化学研究工作，zhouyy@craes.org.cn

X53

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.026