场地重金属污染与风险评价方法研究进展*

李子阳 李恒凯

(江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

随着我国经济发展、社会进步和人民生存环境要求提高，我国加快了城市化、工业化进程，同时也意味着我国对于矿物资源和水资源的需求等也在急剧增加，加之重金属有着容易富集、难以降解的特点[1]，造成了我国场地重金属污染问题。场地重金属污染是世界性问题，早已成为关注重点[2]。随着我国供给侧结构性改革等政策的实施，产业结构调整，产生了大量的因工业企业搬迁而留下的重金属污染场地[3]。我国污染场地(即非农业污染土壤)的数量在10万～100万个[4]，可见场地重金属污染的治理已是迫在眉睫。

场地污染治理的好坏关系着人们的身体健康以及生态环境的保护，具有重大意义。而为了取得更好的污染场地治理效果，对其进行科学有效的污染风险评价是关键一步。目前生态风险评价的方法主要有内梅罗综合指数法、潜在生态风险指数法和地累积指数法[5]，而对人体健康风险评价由于我国目前还没有成熟的评价方法，主要是采用欧美国家的评价方法，如RBCA、CLEA和HHER等模型方法。目前场地重金属污染主要是来源于人为因素，如交通尾气污染、垃圾污水污染和工业矿业污染等[6]。本文对场地重金属污染来源进行梳理，并从生态风险评价和健康风险评价两个角度，对当前的风险评价方法进行了分析，同时结合当前更为丰富的数据采集手段和大数据分析技术，提出了在污染大数据支持下的场地污染空间量化评价方法，为后续场地污染治理的方案制定提供依据。

1 场地重金属污染来源

1.1 交通污染

交通污染中常见的重金属污染元素有铜、锌、镉、锑、钡、镍、铅、钡、钼和锰等。由于机动车辆中的尾气、车体轮胎与机械的磨损和大气沉降等原因，重金属进入土壤后对其周围生态环境以及人类身体健康产生危害[7-8]。

1.2 工业矿业污染

由工业生产活动所产生的重金属废渣不经过处理便随意堆放或是埋入土壤中，经过长时间雨水侵蚀发生化学反应，对土壤造成严重的污染危害。矿业开采活动排放的废气中的重金属附着在烟尘中，然后经过沉降进入土壤[9-11]。

1.3 垃圾污水污染

当下日常生活中的垃圾和污水也越来越多，如不经过处理便随意将垃圾堆放、埋入土中，或进行污水随地排放，也会导致垃圾污水中以及烟尘中的重金属元素向周围扩散进而释放到土壤中[12-13]。

2 重金属污染评价方法

2.1 生态风险评价

2.1.1 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数是一种兼顾极值的计权型多因子环境质量指数。在公式中使用了重金属污染值的最大值和平均值，该方法运算简单、易懂、意义清晰。可以全面显示各种污染物对土壤的影响，凸显高浓度污染物对环境质量的影响[14]。

2.1.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是一种可以反映单个重金属污染物的污染水平，也可以反映多个重金属污染物的联合效应的相对快速、简便和标准的方法[15]，是目前土壤、沉积物重金属生态风险评价中应用广泛的评价方法。

2.1.3 地累积指数法

地累积指数法起源于20世纪60年代末，能用于定量评价沉积物和其他物质重金属污染程度[16-17]。

2.1.4 生态风险评价方法对比

将3种生态风险评价方法两两比较，可以发现：内梅罗综合指数法的评价过程是基于重金属含量水平，而潜在生态风险指数法是基于区域表层土壤背景值，前者没有考虑到重金属特性对土壤环境影响程度的不同，后者重点体现生物毒性相对较高的重金属对区域表层土壤环境的影响[18]；地累积指数法可体现重金属的自然变化特征，还可判别人为活动对环境的影响，但未考虑不同重金属毒性效应的差异，而潜在生态风险指数法考虑了重金属的生态、环境和毒理效应[19-20]；地累积指数法考虑到自然成岩作用对背景值的影响，可以直观地得出单因子重金属污染状况，而内梅罗综合指数法评价多种重金属污染的土壤时，可以得出研究区域的整体污染状况[21-22]。3种生态风险评价方法的适用范围及优缺点见表1。

表1 3种生态风险评价方法对比

2.2 人体健康风险评价

2.2.1 RBCA模型

RBCA模型不但可以分析污染场地的风险，而且还可以进行基于风险的土壤筛选值和修复目标值制定[29-31]。土壤中重金属主要由以下方式进入人体：摄食、呼吸、表皮接触。通过不同方式进入人体的重金属元素，可根据其风险类型进行非致癌和致癌风险评价[32]。

2.2.2 HHER模型

HHER模型起初用于评估城市规划中土地利用带来的土壤重金属风险。该模型能反映潜在污染源对人体的接触影响，它采用的是“污染来源-路径-受体”污染框架[33]。

2.2.3 CLEA模型

CLEA模型将污染物对人体或是动物的健康产生的危害效应划分为阈值效应和非阈值效应，两者总称为健康标准值(HCV)。根据日平均暴露量(CDI)与HCV的比值进行污染物危害程度的评价。

2.2.4 健康风险评价方法比较

RBCA模型、HHER模型和CLEA模型在原理和算法上有许多相同点，如均需计算CDI，输入的参数基本相同(包括场地参数、污染物的毒理学参数和暴露参数等)[34]。但在设计上有一定区别，如RBCA模型是将重金属污染物分为致癌与非致癌两类，HHER模型和CLEA模型是对重金属污染物进行分类；RBCA模型和CLEA模型主要分析土壤重金属污染物对人体健康的影响，而HHRE模型主要分析土地利用对人体健康的影响[35]。3种健康风险评价方法的适用范围及优缺点见表2。

表2 3种健康风险评价方法对比

3 风险评价方法展望

场地污染是三维空间问题，需要借助三维立体有关方法提高采集数据的精度，改进数据分析方法，从而对场地重金属污染进行科学合理的综合性评价[38-39]，对污染大数据进行有效管理[40-41]。由此，污染大数据未来应向着信息化、规范化和拓宽适应性的方向发展，场地污染大数据三维可视化管理和与之结合的空间量化评价方法将是未来发展趋势[42-43]。

从传统的二维层面转换到三维实体的层面，将采集的多源地质数据、污染数据和采样点数据存储至数据库中，进行信息化管理，然后根据不同的场地污染数据特征选择不同的插值方法(克里格法、反距离权重法等)。陶欢等[44]利用克里格法对苯并(a)芘进行三维空间插值及污染评价。周廷等[45]利用简单克里格法对砷的污染分布特征进行研究。

根据数据库中的污染数据和采样点数据进行三维插值，构建地质三维污染模型及三维可视化表达，然后结合风险评估方法及国家有关标准进行污染场地的风险评估，最后制定有针对性的治理方案。这大大提高污染治理的方案制定效率，节约时间和费用。

应根据研究区域、插值数据选择合适的空间插值方法，空间插值方法的不同特征是由方法的假设条件和数学函数的差异(如总体/局部、确定性/随机性、单变量/多变量、精确性/非精确性)导致的[46]。场地重金属污染常用空间插值方法(克里格法、反距离权重法)的重要特征[47]见表3。

表3 场地常用空间插值方法比较

相比之下，克里格法具有显著优势。包括：

(1) 精度高。与其他三维插值模型相比，在场地重金属污染元素的三维分布预测中克里格法预测的精度更高[48]，有利于提高后续的污染场地危害评估的精度。

(2) 效率高。该方法通过将采集的污染大数据以及评价大数据存储到数据库中，对数据进行信息化管理，能利用数据库对数据的调用以及增删改查方面的独特优势。而且在对不同的数据进行分析时，可以快速、高效分析出对应的结果，为后续的场地污染治理方案节省时间。

(3) 可视性强。该方法通过将采集的钻孔数据经过处理后生成二维或是三维图层，还可以根据污染浓度的不同对图层进行不同颜色渲染，可以进行多种维度查看，提高了数据的可视性[49]。

4 结 语

当下我国的场地重金属污染非常严重，治理任务繁重。而在治理过程中污染评价是重要一环，所以对场地重金属污染的评价方法进行探讨具有重要意义。目前国内外研究学者对场地重金属污染主要从生态和人体健康两种评价角度进行风险评价，而且每种风险评价都包含多种评价方法，例如生态风险评价中的内梅罗综合指数法、潜在生态风险指数法和地累积指数法，健康风险评价中的RBCA模型、CLEA模型和HHER模型等。但这些方法除了自身存在缺陷之外，还存在从二维空间量化分析三维污染状况的问题，导致量化评价的精度和适用性不强。所以对场地重金属污染量化评价需要结合三维空间的克里格插值和反距离权重插值等方法。还应将采集的各种数据存入数据库中进行有效管理，然后针对相关数据进行插值计算提高数据精度，构造地质三维模型提高可视化程度，再结合生态风险或是健康风险评价方法进行量化评估，有效提高评价结果精度。因此，三维可视化数据管理和与之结合的空间量化评价方法可能是未来的发展趋势。