土壤污染下的改造型生态工业区布局研究

杨秋侠，柴 攀（西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055）

土壤污染下的改造型生态工业区布局研究

杨秋侠，柴 攀
（西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055）

工业产业聚集已成为工业化发展的趋势，传统工业正逐步向生态工业转换，这种转换势必会带来土地布局的变更，传统工业生产已对区域土地造成较大程度的污染。因而从生态工业区的理念出发，有必要将现有土地污染状况作为改造型生态工业布局规划的基础，该研究以工业区内各取样点的污染物浓度为依托，建立了传统工业区不同功能分区的土壤污染评价、污染物分布特征和传播规律等基础模型，并以此划分出生态工业区不同设施的限制布局分级，来实现传统工业区向生态工业区转换过程中二次污染的最小化，为生态工业区规划布局提供新的思路。

区域环境学；生态工业区；土壤污染；转换；布局

工业化进程带来了严重的环境问题，坚持可持续发展、加速产业集聚和工业化改造与创新，减少工业污染已成为当今的社会热点问题。生态工业区作为可持续发展思想的具体表现形式已经成为减少工业污染的新方向，中国编制了《生态工业园区建设规划编制指南》（HJ／T 409—2007）[1]对生态工业的规划建设进行指导，并要求现有传统工业区应逐步实现向生态工业区的转换。

然而在转换过程中面临着一系列的问题。为了消纳传统工业产生的废弃物，并在园区各个成员之间形成能量转换和物质循环，以实现资源的高效利用，就需要建立新的企业成员，同时也需要在有限的用地空间内布局新成员的位置并调整原有成员的位置，这就意味着土地规模、用途及布局的改变。原有工业生产、运输、储存等都会对土壤造成较大程度的污染，主要以重金属污染为主，在改造前期忽略原有的土壤污染状况，易形成大气、水体等的次生污染，这将背离生态工业区的主导思想，因而有必要在新的规划与改造中将土壤污染作为规划与改造的前提，进行环境质量评价，以减少原有土壤污染的传播对改造后的工业园区造成的二次污染。

1　改造型生态工业区规划的现状

中国在生态工业区规划方面的研究较多，杨培峰[2]、赵林梅[3]、陈彬等[4]和周欣华等[5]均对生态工业区的概念、指导思想、理论基础及规划方法等进行了定性的研究。

大体来说生态工业区的布局规划主要有“基于自然生态评价的布局”、“基于物质循环、能量优化的布局”及“基于园区功能结构的布局”[6]，最终的方案应该将以上3方面综合起来考虑，形成一套较为系统的规划布局思路。

生态工业区从本质上说是将可持续发展的思想融入到工业发展中，减少污染排放，实现资源循环利用。但目前的研究大多从生态工业园区本身考虑，来实现社会、环境及经济效益的最优，很少有研究将传统工业区的现有污染及其向生态工业区转换过程的污染作为着手点。目前所研究的“基于生态评价的布局”也仅仅是将对地形、自然植被、水体等的环境保护作为布局评价的标准。在生态工业区改造规划布局前期，并未从生态的角度分析不同功能区场地的污染现状，及该场地在改造型工业区规划布局时的使用功能。

目前，对土壤污染状况的研究较为深入，主要集中在土壤污染评价方法研究[7－10]、土壤污染成因与危害研究[11－14]等，很少有研究将土壤污染状况与城市规划设计结合考虑。作为土壤污染最为严重的传统工业区，其原有的生产及运输过程已对该区域的土地产生较大的影响，如在改造前期忽略原有的土壤污染状况，则易形成大气、水体等的次生污染，这将背离生态工业区的主导思想[15－16]。

因而本文从生态工业区的理念出发，将现有的工业区土地污染状况作为生态工业区的规划基础，分析不同功能分区的土壤重金属污染状况及在这种污染状况下适宜布置的生态工业设施类型，为生态工业区规划布局提供新的思路。

2　模型建立

原有工业区对土地的污染主要是对土壤表层的污染，并主要以重金属污染为主，因而在进行生态工业区规划布局前期，应在原有工业区各个功能分区内选取部分点位进行土壤采样，并检测重金属污染类型及其含量，进而对该区域土壤重金属污染状况进行综合评价，找出主要污染物的分布特征，划分污染程度分区，得到规划布局限制区域分级，最后依据工业区各功能分区各类设施对环境条件的需求来进一步布置。

2.1工业区土壤重金属污染综合评价模型

依据现有国内对重金属污染的研究，评价模型采取污染物负荷指数法和潜在生态危害指数法相结合的方式，可以将现阶段的和潜在的危害程度结合起来进行综合评价，克服了彼此的缺点，所选择的评价标准均以无工业生产的自然区域作为背景值。

1）污染物负荷指数法

a）某一点的污染物负荷指数：式中：Fij为i点元素j的最高污染系数；Cij为i点元素j的实测浓度（μg／g）；CB为元素i的评价标准，即背景值；IPL为这一点的污染负荷指数；n为所评价点的重金属污染元素的个数。

b）某一功能区的污染物负荷指数：式中：Iq为某一个功能分区内重金属污染物负荷指数；m为该功能分区采样点的个数。

通过该法对不同功能分区和整个工业区各个点位的不同重金属污染物进行了定量评价，若IPL＜1，则污染等级为0，属于轻微污染；若1≤IPL＜2，则污染等级为一级，属于中等污染；若2≤IPL＜3，则污染等级为二级，属于强污染；若IPL≥3则污染等级为三级，属于极强污染[7]。

2）潜在生态危害指数法

a）单个污染元素潜在生态危害指数的确定：式中：Wj为污染元素j的危害指数；Tj为重金属元素j的毒性响应系数；Ej为污染元素j的潜在生态危害指数。

b）多种重金属潜在生态危害指数（RI）：式中：n为所评价点位的重金属污染元素的个数。

潜在生态危害指数法综合考虑了不同重金属的毒性、重金属区域背景值的差异等，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标。Ei＜40，RI＜150为轻微污染；40≤Ei＜80，150≤RI＜300为中等污染；80≤Ei＜160，300≤RI＜600为强污染；Ei≥160，RI≥600为极强污染[7－9]。

2.2工业区污染物分布特征和传播规律研究

1）根据所采集点位的污染物浓度数据，依据上述模型可以判断出每一个不同功能分区及整个工业区总体富集系数较大的几个重金属元素，并依据已有数据模拟出该元素的空间分布图。

2）根据一些重金属污染的常见特征（例如Pb主要来源于汽车燃料的燃烧；Zn来源于汽车轮胎老化磨损、车体磨损；Cu和Cr来自电子、冶金工业以及工业废料等）来大致判断污染形成的原因和污染源的类型。

3）计算每一个功能分区的重金属污染物与该工业区总体重金属污染物之间的相关系数矩阵，进一步判断污染物是否存在同源性和伴生性。

4）确定富集系数较大元素的高污染的采样点位，然后利用某一点的污染物负荷指数公式（见式（1）和式（2））以及该功能区各种污染物之间的相关系数来判断哪一点最接近实际中的污染源。

由于污染物在区域内的分布情况各不相同，每个功能区的污染物分布必定会受到与其邻近的污染源的影响，并会随着风力、大气等因素进行传播，因而需要系统分析计算污染负荷指数和多种重金属潜在生态危害指数：式中：I为整个区域的重金属污染物负荷指数；q为工业区功能分区的个数；w为该功能区的权重系数。

依据各个功能分区整体污染负荷情况、元素富集程度、污染源大致位置及模拟的元素分布规律可以得到该分区污染较严重的范围，进而以此为依据来进行生态工业区布局。

2.3土壤重金属污染下的改造型生态工业区布局规划研究

改造型生态工业区布局应该建立在该工业区原有的土地重金属污染的基础上，依据上述评价分析模型，一方面可以得到该区域整体污染状况及各个重金属元素的危害程度大小，另一方面可得到每一个功能分区的污染负荷指数和潜在生态危害指数，依据计算结果，可以绘制出该工业区现有每一个功能分区污染程度图，进而可以得到改造型工业区布局规划的限制区域分级，可以分为“适宜规划区域”、“控制规划区域”、“限制规划区域”与“改造后限制规划区域”，如表1所示。

表1　污染程度与规划布局限制区域分级关系Tab.1 Relationship between pollution degree and planning distribution area

由于不同的用地标准和用地类型对土壤环境有不同的要求，如在严重污染的土壤上开发居住区，土壤中污染物的挥发和传播会对人体造成很大的危害[10]。因而本文依据不同行业规范中所规定的不同设施类型对土地环境的要求和环境敏感程度来合理规划工业功能分区的各类设施类型。新增成员如工业居住区、办公区、净水厂、变电所等对土地环境要求较高，因而建议其布置在污染较少的“适宜规划区域”；堆场、仓库等可布置在“控制规划区域”；生产车间在生产中会产生部分污染，因而可布置在“限制规划区域”；废料场、污水厂、锅炉房等由于本身会产生较大的污染，因而可在“改造后限制规划区域”进行布置。

3　实例分析

某工业区改造前功能分区包括主要生产区、仓储区、辅助生产区、动力设备区、生活区等5个区域，在各个功能分区内部以一定间隔进行采样，经过分析，采样点浓度相对较大的元素主要包含As，Cd，Cr，Cu，Hg，Pb，Zn 7种元素。

3.1该工业区重金属污染综合评价

首先依据层次分析法计算各个功能分区的污染权重，进而计算各功能分区的I值，依据重金属污染负荷指数与污染程度之间的关系及重金属污染潜在生态危害指数与分级关系可以得出污染危害程度，计算结果如表2和表3所示。

表2　5个功能分区污染物负荷指数Tab.2 Pollution loading index of the five function division

3.2该工业区污染物分布特征和传播规律研究

依据不同功能分区采样点位的数据，分别计算整个工业区内不同元素的潜在生态危害指数，可得到不同元素的风险程度（如表4所示）。进而对不同元素的空间分布情况进行研究，即利用Matlab模拟出各个元素在工业区的空间分布图。7种元素的空间分布如图1－图7所示。

表4　整个区域单个污染物潜在生态危害指数Tab.4 Potential ecological risk index of the single pollution elementsin in dustry

图1　As元素的空间分布图Fig.1 Spatial variation of element As

图2　Cd元素的空间分布图Fig.2 Spatial variation of element Cd

图3　Cr元素的空间分布图Fig.3 Spatial variation of element Cr

图4　Cu元素的空间分布图Fig.4 Spatial variation of element Cu

图5　Hg元素的空间分布图Fig.5 Spatial variation of element Hg

图6　Pb元素的空间分布图Fig.6 Spatial variation of element Pb

图7　Zn元素的空间分布图Fig.7 Spatial variation of element Zn

对各功能分区污染物富集情况进行分析后可知，生产区的Cu和Hg的富集系数较大，工业活动所排放的重金属呈气态或气溶胶态，进入大气后经干、湿沉降进入土壤。此外，工业活动所产生的废渣是重金属的重要载体，尤其是一些金属冶炼厂，废渣中的重金属含量极高[11]，无处理堆弃或直接混入土壤，也会造成土壤的重金属富集。储存区富集有Pb，Cd，Cu，Zn等，来源极有可能为运输过程中汽车尾气排放、轮胎及车辆镀金部分磨损或润滑油燃烧等。这些富集系数较大的污染物有2种来源，一为各区域本身的污染源所产生，二为各区域之间的污染物相互传播所产生。

3.3土壤重金属污染下的改造型生态工业区布局规划研究

依据该区域整体污染状况及各个重金属元素的危害程度大小，以及所得到的每一个功能分区的污染负荷指数和潜在生态危害指数，绘制出该工业区现有各功能分区的污染程度图，如表5和图8所示，新增加的工业成员应该依据其对土地环境的要求，综合多方面因素来进行规划布置。

表5　该工业区不同功能分区总体污染与改造布局限制区域情况Tab.5 Proposed relationship between pollution degree of each function division and planning distribution area

图8　土壤污染下改造型生态工业区规划区域状况Fig.8 Proposed planning of transforming eco－industrial parks under existing soil pollution

4　结 语

从生态工业区的理念出发，以原有工业对土地资源污染的程度为基础对改造阶段生态工业区进行规划布局，实现了传统工业区向生态工业区转换过程中二次污染的最小化，并使规划方案增加了对该工业区原有生态环境的考虑，为规划提供新的思路。

此外，本研究还有进一步改善的空间，由于所选取采样点位数量少，某种程度上不能代表整个工业区土壤的重金属污染状况，因而未能提供更为准确的污染程度分布图，在后续的研究中可以通过收集更加详实的数据来确定工业区不同功能分区的土地污染程度，进一步细化规划设施类型。另外，后续对生态工业区规划布局的研究还可从物流合理性等方面入手，以减少运输过程对土壤、大气等的污染。

／References：

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Planning of transforming eco－industrial parks under existing soil pollution conditions

YANG Qiuxia，CHAI Pan
（School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an，Shaanxi 710055，China）

With the transformation of traditional industries to eco－industrial parks，industry aggregation has become the trend of future development，which will lead to the change of land use.Traditional industries have caused heavy pollution to lands，so considering the nature of eco－industrial parks，it is necessary to plan the transformed eco－industrial parks under the existing soil pollution conditions.Based on the pollutant concentration in different area，foundation models are established，including evaluation model of soil pollution in different function division of traditional industries，and the distribution model and propagation model of pollutants.Then the planning area of eco－industrial parks are classified to optimize the position of facilities with different functions，which will minimum the pollution in the process of transformation of traditional industries to eco－industrial parks，and provides a new way for the planning of eco－industrial parks.

regional environmental science；eco－industrial park；soil pollution；transformation；planning

1008－1534（2016）01－0046－06

X323

A

10.7535／hbgykj.2016yx01009

2015－09－06；

2015－12－03；责任编辑：王海云

国家自然科学基金（E080510）

杨秋侠（1970—），女，陕西高陵人，副教授，博士，主要从事工业运输与总图布置方面的研究。

E－mail：xjdyqx＠163.com

杨秋侠，柴 攀.土壤污染下的改造型生态工业区布局研究[J].河北工业科技，2016，33（1）：46－51.

YANG Qiuxia，CHAI Pan.Planning of transformed eco－industrial parks under existing soil pollution conditions[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（1）：46－51.