污染场地地下水污染风险分级技术方法研究

杨昱，廉新颖，马志飞，徐翔健，姜永海，彭星，席北斗

中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012



污染场地地下水污染风险分级技术方法研究

杨昱，廉新颖，马志飞，徐翔健，姜永海*，彭星，席北斗

中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012

借鉴国内外地下水污染风险分级方法，综合分析污染场地对地下水产生风险的关键环节，采用层次分析法，从场地本身存在的风险、场地区域地下水固有脆弱性和场地周边地下水的保护目标特征3个方面，建立了由17个指标构成的污染场地地下水污染风险分级指标体系。在此基础上，以典型污染场地实地调研结果和159种典型地下水污染物理化特性为数据基础，对各指标进行了风险水平的划分，基于聚类分析法，采用各指标风险指数相乘的风险表征方法计算总风险指数，构建了污染场地地下水污染风险分级技术方法。该方法可有效避免指标权重计算的主观性，并且能够直观地反映出导致风险的主要因素。结果表明：利用建立的风险分级技术方法可将我国典型污染场地地下水污染风险划分为3级，风险小于5为一级，风险在5～15为二级，风险大于15为三级。实际应用于某危险废物填埋场的结果表明，该危险废物填埋场地下水污染风险为三级，同时得出场地本身存在的风险，特别是场地特征污染物，是造成该危险废物填埋场地下水污染风险的主要因素。

污染场地；地下水；指标体系；风险分级

工业化的发展使废物的排放量不断增大，进而使地下水的污染日益加重，如废水的排放、工业废渣和城市垃圾填埋场的渗漏、石油和化工原料传输管线和储存罐的破损、农业灌溉等都有可能造成地下水的污染[1-2]。由于我国人力、物力及财力的限制，不可能同时对所有的污染场地进行统一的修复，因此，亟需建立科学、合理的污染场地地下水污染风险分级方法，确保具有重大地下水污染风险的污染场地得到优先管理与控制。

目前，国内外关于地下水污染风险的分级方法包括风险指数法、过程模拟法和统计分析法：风险指数法是通过构建表征风险的指标体系，按照特定的评分原则得到分级对象的风险指数[3-8]，如加拿大国家污染场地分级系统(NCSCS)，该系统考虑污染物特征、污染物迁移能力和暴露途径3个方面，建立全面系统的风险评价指标体系，根据特定的风险值计算方法对污染场地地下水污染风险进行评价[9]，这种方法虽然操作简单，但在风险值的获取过程中主观性较强；过程模拟是在掌握场地基本信息的基础上，利用成熟的污染物迁移模型和风险评价模型对污染物运移规律进行模拟并对其风险进行评价[10-14]，RBCA和3MRA风险评价模型是目前利用过程模拟法来评价污染场地地下水污染风险的典型模型[15]，该方法科学、客观，但其计算过程繁琐并且需要大量模型参数[16]；统计分析法主要是利用聚类分析法把数据分成若干个类别，使类别内部的差异尽可能小，类别间的差异尽量大[17]，聚类分析广泛地应用于许多行业和领域的风险评价工作中[18-21]，虽然该方法同样需要大量基础数据，但其操作较过程模拟法简便，同时由于运用了科学的数值分析方法，从而降低了风险评价过程中的主观性。

笔者综合了风险指数法和聚类分析法，在保持风险评价过程易操作的前提下，基于大量的基础数据，采用聚类分析的数值分析方法对风险级别及其相应限值进行划定，建立了适用于我国污染场地地下水污染风险分级技术体系，以期为我国污染场地地下水污染风险管理提供参考。

1 指标体系建立

建立污染场地地下水污染风险分级指标体系是污染场地地下水污染风险进行分级的基础，遵循科学性、相对独立性及定量化的原则，在分析影响污染场地对地下水造成污染风险关键因素的基础上，确定污染场地地下水污染风险分级指标体系，包括场地本身存在的风险、场地区域地下水固有脆弱性和场地周边地下水的保护目标特征3个方面(表1)。

表1 我国典型污染场地地下水污染风险分级指标体系

场地本身存在的风险主要指由于污染场地自身的条件和性质而导致地下水受到污染的风险，包括场地基本情况(场地面积、污染时间和污染源防渗措施)和场地特征污染物的情况(污染物浓度、分配系数、溶解度、半衰期和半致死剂量)。

场地区域地下水固有脆弱性主要反映的是污染物通过土壤-包气带介质进入含水层的难易程度，其由众多因素决定，包括地下水埋深、地形坡度、土壤-包气带-含水层介质类别、水力传导系数及降水入渗补给量。

场地周边地下水的保护目标主要是指位于地下水流向下游的潜在暴露受体，其类型包括饮用水源地、居民区、河流湖泊、农田等。场地周边地下水的保护目标特征包括保护目标的类型以及保护目标与污染场地之间的距离。

2 技术体系构建

借鉴风险指数法的思想，利用聚类分析法确定风险分级界限，结合建立的污染场地地下水污染风险分级指标体系，建立污染场地地下水污染风险分级技术方法。

2.1 地下水污染风险初筛

对于进行地下水污染风险分级的污染场地，首先进行风险初筛，筛选条件：1)对污染场地地下水进行监测，监测指标应包含所有特征污染物，按照GB 14848—93《地下水质量标准》[22]中的水质综合评价方法计算得到的水质综合评分(F)大于7.20；2)污染场地对人体健康或生态环境造成不良影响，风险水平超过可接受风险水平(10-6)。若满足其中1项，则直接将其地下水污染风险划分为一级，即为风险等级最高的级别，进行重点监管；否则进行下一步分级程序。

2.2 污染场地地下水污染风险分级指标量化

通过基础资料收集和现场调研对污染场地的各项指标进行量化。污染场地本身风险指标，包括：占地面积，m2；运行时间，a；防渗膜(HDPE)厚度，mm；污染物浓度，mgL；分配系数(lgKoc)；溶解度，mgL(20 ℃)；半衰期，h；半致死剂量(LD50)，mgkg。场地区域地下水固有脆弱性指标，包括：地下水埋深，m；降水入渗补给量，mm；含水层介质类别；土壤介质类别；地形坡度，%；包气带介质类别；水力传导系数，md。场地周边保护目标指标，包括：保护目标的类型；保护目标与污染场地之间的距离，m。

2.3 污染场地地下水污染风险指数表征

基于收集的基础资料，利用聚类分析法对各指标进行分析，根据每个指标的数值与风险的关系，对其造成的风险进行分级并计算相应限值。在此基础上利用风险相乘的方法对污染场地地下水污染风险进行综合评价。

2.3.1 场地本身存在的风险

(1)场地基本情况

我国37个污染场地的场地面积、污染时间以及污染源防渗措施的基础数据见表2。采用聚类分析的数学方法，利用SPSS软件对其进行分析，根据聚类分析结果以及场地面积、污染时间以及污染源防渗措施与其造成的地下水污染风险之间的关系将其分为3级(表3)。

表2 污染场地基本情况统计

表3 场地面积、污染时间以及污染源防渗措施的风险分级结果

场地基本情况的风险采用各指标风险相乘的方法表示。

这种风险表征方法既可以避免指标权重计算的主观性，又可以通过计算得到影响风险的关键因素。将所有可能的风险进行聚类，得到场地基本情况风险分级结果，见表4。

表4 场地基本情况风险分级结果

(2)场地特征污染物

采用EPI suite对159种地下水常规污染物和新型污染物的分配系数、溶解度、半衰期和半致死剂量进行数据收集(表5)，采用聚类分析法，并结合各指标与地下水污染风险之间的关系对污染物物化特征进行风险分级，结果见表6。

表5 地下水常规污染物物化特性数据

(续表5)

注：溶解度为物质在20 ℃时的溶解度；半致死剂量为大鼠经口的数值。半衰期列“—”表示该物质不降解；半致死剂量列“—”表示该物质无毒性。

表6 污染物物化特性风险分级结果

注：污染物浓度执行GB 14848—93《地下水质量标准》各类标准限值。

场地特征污染物的风险采用各指标风险相乘表示。得到场地特征污染物风险分级结果见表7。

表7 场地特征污染物风险分级结果

场地本身存在的风险(ra)则由场地基本情况与场地特征污染物风险相乘，得到场地本身存在的风险分级结果见表8。

表8 场地本身存在的风险分级结果

2.3.2 场地区域地下水固有脆弱性

采用美国国家环境保护局提出的DRASTIC模型对区域地下水进行评价[23-25]，模型中考虑的7个指标为地下水埋深、降水入渗补给量、含水层介质、土壤介质、地形坡度、包气带介质、水力传导系数，各指标的评分范围见表9。

表9 区域地下水脆弱性各指标评分

DRASTIC模型易污性指标对应于7项水文地质参数评价指标评分的加权值，对每个DRASTIC参数给定一个相对权重值，为1～5，以反映各参数的相对重要程度。对地下水污染最具影响的参数权重为5，影响程度最小的参数权重为1。地下水易污性指标(DRASTIC)由下式确定。

DRASTIC=5×D+4×R+3×A+2×S+

1×T+5×I+3×C

式中：D为地下水埋深，m；R为降水入渗补给量，mm；A为含水层介质；S为土壤介质；T为地形坡度，%；I为包气带介质；C为水力传导系数，md。

根据文献报道[22-23]和课题组前期研究成果，区域地下水脆弱性风险(rb)分级结果见表10。

表10 区域地下水脆弱性风险分级结果

2.3.3 场地周边地下水的保护目标特征

(1)保护目标类型

通过对我国37个典型污染场地的现场调研和资料收集可知，污染场地周边地下水的保护目标主要包括居民区(村庄)、饮用水源、河流湖库、农田等，根据保护目标潜在受体特征将保护目标类型风险分为3级(表11)。

表11 污染场地周边保护目标类型分级结果

(2)保护目标与污染场地之间的距离

以我国37个典型污染场地的保护目标与污染场地之间的距离为数据基础(表12)，采用聚类分析法，利用SPSS软件对其进行分析，按照保护目标与污染场地之间的距离与地下水污染风险之间的关系将其分为3级(表13)。

表12 保护目标与污染场地之间的距离

表13 保护目标与污染场地之间的距离分级结果

场地周边地下水的保护目标特征风险由保护目标类型与保护目标与污染场地之间的距离风险相乘表示。得到场地周边地下水的保护目标特征风险(rc)分级结果(表14)。

表14 场地周边地下水的保护目标特征风险分级结果

2.3.4 污染场地地下水污染风险表征

污染场地地下水污染风险表示为：

r总=ra×rb×rc

2.4 污染场地地下水污染风险分级

根据2.3.4节公式计算得到r总，利用聚类分析法对污染场地地下水污染风险综合评分进行分析，得到污染场地地下水污染风险分级结果(表15)。

表15 污染场地地下水污染风险分级结果

由表15可知，一级代表污染场地地下水污染风险级别较高，定义为对地下水具有重度污染风险的污染场地；二级代表污染场地地下水污染风险级别中等，定义为对地下水具有中度污染风险的污染场地；三级代表污染场地地下水污染风险级别较低，定义为对地下水具有轻度污染风险的污染场地。

3 案例分析

以我国某危险废物填埋场基础资料与现场调研获得的数据为基础，利用建立的风险分级方法和筛选出的风险分级指标，对其地下水污染风险进行分级。

3.1 地下水污染风险初筛

对该建成运行的危险废物填埋场进行现场调研，对其地下水进行取样监测，按照GB 14848—93[22]中的水质综合评价方法计算得到F为4.27(<7.20)，且无相关前期研究表明该场地对人体健康或生态环境造成了不良影响，因此，进入下一步分级程序。

3.2 污染场地地下水污染风险分级指标量化

该危险废物填埋场场地面积为161 277 m2；污染时间为20 a；防渗膜厚度为4 mm。地下水中特征污染物为硝酸盐，浓度为15 mgL；分配系数(lgKoc)为0.18；溶解度为9.09×104mgL(20 ℃)；半衰期(LD50)为356.5 h；半致死剂量大于5 000 mgkg。填埋场地下水埋深为20 m；降水入渗补给量为213.2 mm；土壤介质为黏土质亚黏土，包气带介质为粉砂黏土，含水层介质为粉细砂；水力传导系数为8 md；地形坡度为2%。该场地保护目标为农田，距离填埋场2 km。

3.3 危险废物填埋场风险指数确定

(1)场地本身存在的风险。根据计算得到场地基本情况风险为6，为二级风险；场地特征污染物风险为12，为一级风险；ra为2，为一级风险。

(2)场地区域地下水固有脆弱性。根据计算得到DRASTIC为91，为三级风险。

(3)场地周边地下水的保护目标特征风险。根据计算得到场地周边地下水的保护目标特征风险为6，为三级风险。

根据计算得到r总为9，为三级风险。结果表明，该危险废物填埋场属于对地下水具有轻度污染风险的污染场地。场地本身存在的风险，特别是场地特征污染物，是造成该危险废物填埋场地下水污染风险的主要风险因子。

4 结论

(1)采用层次分析法，从场地本身存在的风险、场地区域地下水固有脆弱性和场地周边地下水的保护目标特征风险3个方面，建立了由场地面积、污染时间、污染源防渗措施、污染物浓度、分配系数、溶解度、半衰期、半致死剂量、地下水埋深、降水入渗补给量、含水层介质类别、土壤介质类别、地形坡度、包气带介质类别、水力传导系数、保护目标的类型和保护目标与污染场地之间的距离17个指标构成的污染场地地下水污染风险分级指标体系。

(2)基于聚类分析法，构建了污染场地地下水污染风险分级技术方法，将我国污染场地地下水污染风险划分为3级，一级为风险小于5，二级为5～15，三级为大于15。

(3)建立的风险分级技术方法，能够探明造成污染场地地下水污染风险的主要因素，可在一定程度上为环境管理部门提供理论依据和技术支撑。

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Risk ranking technology method on groundwater pollution of contaminated sites

YANG Yu, LIAN Xinying, MA Zhifei, XU Xiangjian, JIANG Yonghai, PENG Xing, XI Beidou

State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Referring to the risk ranking methodology of groundwater contamination both at home and abroad and based on the comprehensive analysis on the key points of the groundwater pollution risk in the contaminated sites, the analytic hierarchy process was applied to establish the risk ranking index system on groundwater pollution of contaminated sites from three aspects, i.e. the contaminated sites properties, the groundwater inherent vulnerability in the contaminated sites region and the characteristics of the groundwater protection target. The risk ranking index system consists of 17 indicators. Based on the survey on contaminated sites and the physical and chemical properties of 159 typical pollutants, the risk level for each indicator was ranked. The total risk index was calculated by multiplying the individual risk indicators, and the method of groundwater pollution of contaminated sites was established by applying the clustering analysis. The method can effectively avoid the subjectivity of index weight calculation, and identify the main factors that lead to the risk. The results showed that the risk of groundwater pollution of contaminated sites could be divided into 3 levels, i.e. the risk value less than 5 (Level 1), between 5 and 15 (Level 2) and greater than 15 (Level 3). By applying the risk assessment system in a hazardous waste landfill, it was shown that the landfill had a potential risk of Level 3, and the properties of the contaminated sites, especially the characteristic pollutant was the main factors that caused the groundwater environmental risk.

contaminated sites; groundwater; index system; risk ranking

2016-07-12

2016年全国地下水基础环境状况调查评估(144130012110302)

杨昱(1983—)，女，助理研究员，硕士，主要从事地下水污染风险分级管理研究，yangyugirl@126.com

*责任作者：姜永海(1975—)，男，研究员，博士，主要从事地下水污染控制技术与管理研究，jyhai203@126.com

X523

1674-991X(2017)03-0323-09

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.046

杨昱，廉新颖，马志飞，等.污染场地地下水污染风险分级技术方法研究 [J].环境工程技术学报,2017,7(3):323-331.

YANG Y, LIAN X Y, MA Z F, et al.Risk ranking technology method on groundwater pollution of contaminated sites[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):323-331.