基于综合环境风险的砷污染场地优控筛选方法

2019-02-20 07:47熊燕娜滕彦国蒋进元李君超
中国环境监测 2019年6期
关键词:脆弱性污染源敏感性

李 娇,熊燕娜,滕彦国,蒋进元,李君超,谭 伟

1.中国环境科学研究院,北京 100012 2.生态环境部固体废物与化学品管理技术中心,北京 100125 3.北京师范大学水科学研究院,北京 100875

随着国家相关环保政策的实施,中国大量重污染工业企业陆续搬迁和关闭,其遗留的污染场地对人体健康和生态环境造成严重威胁。鉴于污染场地污染物浓度和毒性水平差异、受体敏感性、场地用途和修复成本等多种因素的影响,污染场地的修复工程目前还不可能全面开展。因此,筛选优控污染场地,有针对性地开展污染场地修复,是实现污染场地科学管理和绿色可持续修复的关键[1-4]。

美国、加拿大、荷兰和新西兰等国家在资金、人力、物力和机构设置等条件受限的实际情况下,提出了基于环境风险筛选分级分类方法来构建本国的污染场地分类分级管理体系,有效推进了污染场地风险管理工作的发展[5-8]。20世纪80年代,美国提出了超级基金和国家优先控制名录(NPL)制度,在1986年的《超级基金修正与重新授权法》中规定NPL名录产生的主要方法为指定危害分级系统(HRS),经过40多年的发展,美国已形成了较为成熟的污染场地分级分类机制。加拿大污染场地分类管理基于国家分类系统(NCS),NCS评分系统包括污染场地中污染物特征、污染途径和受体敏感性三大要素,在对污染场地进行详细调查的基础上,利用NCS实现场地的分类排序和再分类。新西兰和荷兰分别制定了风险筛选系统和Sanscrit系统将污染场地进行风险分级。

据不完全统计,中国共有超过65万m2的污染场地需要被识别和修复[3,9]。场地污染问题已引起国家高度重视,2011年国家启动了重金属污染防治专项行动,于2016年发布了《土壤污染防治行动计划》,提出要加强污染场地管理技术方面的研究。另外,根据中国污染场地治理战略,各省(区、市)均应制定一份基于风险的优控污染场地清单[10]。目前中国的污染场地分类分级管理研究已取得一定成果,主要体现在现状、进展、问题探讨等方面,初步构建了污染场地分类体系框架。国内相关学者[11-12]根据污染物的物理化学性质、赋存状态、迁移性、含量水平和周围是否有敏感目标等因素,构建了基于不同危害级别和管理级别的场地危害分级管理方法,在总结发达国家污染场地分类评估指标和评估方法的基础上,选取污染物特征、污染途径和受体三大类场地评价因子构建国家污染场地管理分类体系框架。然而,中国关于如何筛选优控污染场地以更好地实现污染场地分类分级管理的相关研究仍然较少,实际污染场地的应用案例研究欠缺[13]。

20世纪90年代末,砷及其化合物产品市场逐步被替代,加之砒霜生产环境污染严重,砒霜生产企业全部关闭,形成了大量的砷渣污染场地[14]。由于缺乏科学的管理及有效的防控措施,砷渣污染场地中仍有遗留废渣裸露在外,对周边环境造成严重威胁[15]。笔者以中国西南部某市15个砷渣污染场地为研究对象,以污染场地初步调查数据为基础,综合考虑污染源强、污染途径脆弱性和受体敏感性3个方面的环境风险[16],并结合敏感性分析筛选出优控砷渣污染场地名单。

1 研究方法

1.1 场地调查

1.2 综合环境风险指数法

基于综合环境风险指数的污染场地排序法综合考虑了污染场地污染物的强度和污染场地对于污染物在环境介质迁移过程中的影响,以及受体对于污染物危害的敏感程度。因此,污染场地综合环境风险可用污染源强、污染途径脆弱性和受体敏感性3个指标(一级指标)表征[17]。其中,污染源强受污染物赋存介质类型、污染物毒性和含量水平等影响,污染途径脆弱性受污染物随地下水、地表水、土壤和底泥迁移的可能性等影响,受体敏感性受污染场地是否存在敏感受体等影响,这些影响因素均可作为子(二级)指标[10]。由此,可推导出污染源强、污染途径脆弱性和受体敏感性指数计算公式:

ST=Ssqs+Stqt+Srqr

(1)

(2)

式中:ST、Ss、St和Sr分别代表污染场地环境风险指数、污染源强指数、污染途径脆弱性指数和受体敏感性指数,qs、qt和qr对应各一级指标的权重,Ssi、Sti和Sri分别代表污染源强、污染途径脆弱性和受体敏感性各子指标得分。

2 结果与讨论

2.1 砷渣污染场地基本特征

2.1.1 砷渣污染场地概况

某市15个典型砷渣污染场地基本信息调查结果(表1)表明,此次调查的污染场地使用年限为3~37年不等,平均使用年限为18.7年。其中,大多数污染场地使用年限较长(不低于20年),仅有4处污染场地使用年限低于5年。现有砷渣堆存量为8~30 000 t,平均为3 576 t,其中H7砷渣堆存量远高于其他污染场地。砷渣堆体占地面积相差较大,为550~45 000 m2,平均为8 771 m2。15个砷渣污染场地地下水和土壤污染程度均相差较大,变化范围分别为1.1~64 μg/L和1 198.44~13 959.59 mg/kg,平均值分别为11.17μg/L和5 528.6 mg/kg。变异系数代表数据分布的均匀性和离散度,堆存量、砷堆占地面积和地下水污染浓度的变异系数均大于1,属于极度变异,表明这3个指标在各污染场地差异极大。

表1 砷渣污染场地基本特征Table 1 Basic characteristics of arsenic contaminated sites

2.1.2 砷渣污染场地水文地质特征

水文地质条件直接关系到污染物的迁移性质。调查发现,此次研究的污染场地所在区域大多为山地,坡度适中,且周边均为乡村。所在区域土壤有7处为壤土,5处为粘土,3处为砂土。含水层介质类型主要为裂隙水和岩溶水,含水层岩性主要为砂卵石和中(粗)砂,少数为粉细砂和粉土。

也就是说,如果孩子在做一件他非常渴望的事,自控力比较不容易损耗。相反,如果他只是被迫做一件事,自控力就会不堪一击。

2.1.3 砷渣污染场地周边环境敏感源分布特征

污染场地周边环境敏感源分析主要是基于人体健康和生态环境考虑。通过野外调研和国内外文献查询,确定砷渣污染场地周边环境敏感源分布研究主要为以下4方面:砷渣污染场地周边人口分布、地表水系分布、饮用水源分布和农田分布。表2是15个污染场地受体敏感性指标的描述性统计结果。

表2 受体敏感性指标统计分析结果Table 2 Statistical analysis results of receptor sensitivity indicators

由表2可知,污染场地距最近的农场、河流和社区距离分别为110~3 506、216~3 918、168~3 070 m,平均为819.7、3 244.8、698.3 m。附近敏感受体人数为400~95 000人,平均为13 679人。社区数量为1~6个,平均每个污染场地附近社区数量为2个。由变异系数分析可知,距最近河流距离的变异系数较小(0.23),表明各污染场地距最近河流的距离差异较小。附近敏感受体人数变异系数高达1.65,属于极度变异,表明各污染场地附近分布人口具有较大差异。

2.2 综合环境风险分析与评价

2.2.1 污染源强分析

根据污染场地初步调查数据和国内外污染源强分析指标[11,18]的调查分析,研究选择的污染源强指标为土壤污染浓度、地下水污染浓度、堆体占地面积、堆存量和服务年限。这5项指标即为综合环境风险的二级指标,其分级赋值标准见表3。污染场地残留的重金属通常为污染物质,研究中土壤和地下水中砷的污染物浓度直接反映了污染场地特征污染物的污染水平,同时也是强烈的二次污染源。占地面积和堆存量是最直接的污染源标准指标,服务年限代表污染扩散范围,服务年限越久代表扩散范围越大,潜在的二次污染源也就越多。

表3 污染源强指标分级标准Table 3 Clssification criteria for pollution source intensity indicators

根据收集到的砷渣污染场地基础信息资料和采样调查结果,分别对污染源强指标进行赋值,并根据公式(2)计算,得到污染源强指标评分结果(图1)。可以看出,各污染场地源强得分为11~24分不等,其中得分较高的前4名为H15、H9、H6和H8,分别为24、20、18、18分。

图1 砷渣污染场地污染源强指标评分结果Fig.1 Score results of the pollution source intensity indicators for arsenic contaminated sites

2.2.2 污染途径脆弱性分析

污染途径是污染物从源强到受体的过程,不同类型污染途径对污染物在环境介质中的迁移转化具有重要影响。研究根据污染场地初步调查数据和对国内外污染途径脆弱性分析指标[11,18]的调查分析,选择污染途径脆弱性指标为重点区域地表覆盖情况、工程防渗或隔离设施情况、包气带土壤渗透性、土壤污染物挥发性、土壤污染物迁移性和年降水量,这6项指标即为综合环境风险的二级指标。

通常来说,污染场地堆场的覆盖情况和工程防渗或隔离设施情况属人为手段,且能够有效防止固废对周边环境的迁移,因此覆盖或隔离的越彻底,对污染物阻隔的效果越好;包气带土壤渗透性越弱越容易阻隔地表污染物往地下水迁移,而污染物在土壤和地下水中的迁移不仅与土壤和地下水介质有关,还与污染物本身物理化学性质有关,污染物迁移能力越强,越容易对土壤和地下水产生污染;而降雨量是污染物在土壤和地下水中迁移的外界条件,通常来说,降雨量越大,污染物迁移能力越强,越容易随地表径流污染周围环境。表4为污染途径脆弱性指标的分级赋值标准。

表4 土壤污染迁移途径脆弱性分级标准Table 4 Clssification criteria for soil pollution migration pathway vulnerability

污染途径脆弱性指数统计结果(图2)表明,各污染场地污染途径脆弱性得分范围为15~34分,其中得分较高的前4名为H15、H12、H11和H2,分值分别为34、29、24、23分。通过对比分析各指标得分占比可以发现,污染物挥发性和覆盖情况在污染途径脆弱性评价中占有重要地位。

图2 土壤污染途径脆弱性指标评分结果Fig.2 Score results of the soil pollution migration pathway vulnerability indicators

2.2.3 受体敏感性分析

受体敏感性是受体对污染物危害接受的敏感程度。研究根据污染场地初步调查数据和对国内外受体敏感性分析指标[11,18]的调查分析,选择受体敏感性指标为距最近耕地(农场)距离、距最近社区距离、距最近河流距离、社区(居民活动区)数量和人口数量,这5项指标即为综合环境风险的二级指标。通常来说,污染场地的受体主要指人或人群,而受体的敏感性主要指人或人群的活动特征。受体受到污染场地危害的敏感性不仅与人类活动和污染场地的距离有关,也与人群的数量有关。人类活动与污染场地距离越近,受到危害的可能性越大,即越敏感,而人群的数量越多,受到危害的可能性越大,即越敏感。表5展示了受体敏感性指标的分级赋值标准。

表5 受体敏感性分级标准Table 5 Clssification criteria for receptor sensitivity

受体敏感性得分结果表明(图3),15个污染场地受体敏感性得分为8~18分,平均值为14.4分。其中,H2、H12、H5得分相等且最高。对比分析各指标得分占比可以发现,农场、河流、社区距离得分在受体敏感性指标统计中比重较大。根据敏感性分布调查结果可知,砷渣污染场地为农田,周边人口较少,距离河流较远,因此农场距离成为影响敏感性分析的主要因素。

图3 污染场地受体敏感性指标评分结果Fig.3 Score results of the receptor sensitivity indicators

2.2.4 综合环境风险评价

根据污染场地综合环境风险评估结果特征,以及污染场地等分管理原则,设置综合环境风险指数分级标准,将15个污染场地分为三大类:总分大于18分为高风险等级,15~18分为中风险等级,低于15分为低风险等级。将污染场地综合环境风险的总分与分级标准进行比较,即可得到在产企业地块的风险等级。

参照国内外3项指标权重经验值[16]以及某市砷渣污染场地环境影响特征,将权重值分别设置为0.4、0.3和0.3,得到污染场地综合环境风险指数(表6)。从表6可以看出,综合环境风险指数排序靠前的污染场地主要有H15和H12,可以初步确定其为优控污染场地。

表6 砷渣污染场地综合环境风险指数和风险等级Table 6 Comprehensive environmental risk index and risk level of arsenic contaminated sites

2.3 敏感性分析

污染源强、污染途径脆弱性和受体敏感性指数对综合环境风险指数的贡献具有不确定性,因此通过设置不同权重情景进行敏感性分析。权重情景模型分2种:文氏图模型,即3种要素权重相等;靶心模型,即3种要素权重不等[19]。研究依据文氏图模型和靶心模型设置9种权重情景进行敏感性分析,权重情景设置和高综合环境风险等级统计见表7。

由表7可以看出不同权重情景对各污染场地风险等级的影响差异较大,H15和H12在9种情景下均处于高危险水平,H2在6种情景下均处于高风险等级,其他污染场地至多在2种情景下存在高风险等级。另外,污染源强、污染途径和敏感受体的权重比例为0.25、0.5、0.25和0.2、0.6、0.2,即污染途径权重较高时,高风险等级污染场地个数相对较多,说明污染途径脆弱性情况对污染场地综合环境风险影响较大。

表7 不同权重情景下高综合环境风险等级污染场地统计Table 7 Statistics of contaminated sites with high comprehensive environmental risk levels under different weight scenarios

不同权重情景下中高风险等级污染场地排序结果见图4。可以看出,在不同权重情景下,H12和H15场地的排序稳定且排名靠前,其他高风险等级的排序则随着权重的变化而变化,因此确定H12和H15为优控污染场地。H2在多数情景下综合环境风险等级较高,确定为备选优控污染场地。

图4 不同权重情景下污染场地综合环境风险Fig.4 Comprehensive environmental risk ranking of contaminated sites under different weight scenarios

2.4 不确定性分析

在优控污染场地筛选的指标分级问题上,仍存在不确定性和不足之处。在优控污染场地筛选时是根据实际污染场地调查数据选取的指标,而指标的分级标准是在国内外文献调研的基础上综合确定的,存在一定的不确定性。虽然参考国内外主流污染场地指标的分级标准,有利于优控污染场地筛选研究之间的对比分析,但污染场地的特征千差万别,具体到每一个区域的污染场地需要具体分析。

3 结论

基于污染源强、污染途径脆弱性和受体敏感性等主要筛选因素,建立了基于综合环境风险的优控重金属砷污染场地筛选方法,初步确定了西南部某市砷渣优控污染场地。得到以下主要结论:

基于综合环境风险指数法对污染源强、污染途径脆弱性和受体敏感性进行加权计算,其结果受权重分配影响较大。对于H15和H12场地来说,不同权重情景对其排序影响较小,而对H2、H4、H6、H8等污染场地来说,不同权重情景下,其排序结果变化较大。

优控砷渣污染场地为H12和H15,备选优控砷渣污染场地为H2。

今后,在优控污染场地筛选的指标分级问题上,应结合国内外调研和具体区域的污染场地特征综合确定指标分级标准,降低指标分级对优控污染场地筛选结果的影响。

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