污染场地概念模型研究进展

林 康 李 颖 王占生 詹先波 姬 竟 王江力

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司;2.长江大学;3.中石油煤层气有限责任公司韩城采气管理区;4.长庆油田分公司第十二采油厂)

0 引 言

随着我国城镇化进程不断加快,部分经济迅速发展的地区工业企业搬迁或停产呈现普遍趋势,并遗留了数量超过50万块的复杂污染场地[1-3]。污染场地通过堆积、储存、处理、处置等方式产生有害物质,对人体健康和周边环境构成超出可接受水平的潜在风险[4-5]。为贯彻《污染地块土壤环境管理办法(试行)》《关于保障工业企业场地再开发利用环境安全的通知》《关于加强工业企业关停、搬迁及原址场地再开发利用过程中污染防治工作的通知》等相关文件要求,保障国民健康和环境安全,污染场地在进行土地流转和开发再利用之前须进行健康风险评估[6-9]。

其中,概念模型是健康风险评估的重要组成部分。在健康风险评估过程中,需要建立不同暴露途径下的污染概念模型以描述污染物的暴露过程[10],概念模型以直观方式表征污染场地实际情况,向利益相关者传递场地相关信息,并指导风险评估工作人员后续管理决策,尤其在弥补场地数据缺口、降低不确定性等方面都起到关键性作用[11-12]。因此,建立具有科学依据的概念模型的相关研究对场地再利用具有重要的现实意义。本文通过查阅国内外相关文献对概念模型的构建和应用进行梳理和探讨。

1 概 述

1.1 污染场地概念模型的定义

在污染场地的健康风险评价中,建立客观、准确的污染场地概念模型尤为重要,一般构建于调查初期,是健康风险评估的基础。污染场地概念模型是指在充分整合场地信息的基础上,以文字、图表等方式,对场地污染源释放的有毒有害物质通过环境介质(土壤、空气、地表水、地下水等)进入人体并对场地周边的居民和工作人群产生潜在健康影响的概化描述[13-14]。因此,场地概念模型包含了污染源、污染物的迁移途径、人体接触污染的介质和接触方式等方面,体现了“污染源-暴露途径-风险受体(源-径-汇)”的过程,其常见构建形式如图1所示。

图1 常见污染场地概念模型

1.2 构建概念模型的目的及原则

构建概念模型的目的包括[15-16]:1)帮助风险评估相关工作人员从整体上把握和分析污染场地的风险;2)作为项目团队和利益相关方人员的沟通工具,概念模型直观简洁的表达形式有助于明确评估对象的“源-径-汇”关系;3)为风险评估的组织和实施工作提供理论依据,即风险评估的定量模型应建立在概念模型的基础上。

概念模型的构建须满足三个模型概化原则[17-18]:1)实用性。概念模型的建立应与现有的科学技术相适应,已达到解决污染场地模拟和管理的目的;2)完整性。为了概念模型能够尽量真实全面地反映污染场地的实际情况,需要相关人员对现场进行详细调查并收集各种信息,相对而言,前期调查越精细,则有利于后期场地的风险管控和污染修复精准把握,也有助于降低相应成本,因此,为保证概念模型的完整性,应精准定位污染源,并详细刻画地块污染区域水文地质条件、污染范围及污染迁移分布特征;3)处理好概化与精度的矛盾:概化的准确程度决定了概念模型与实际污染场地的差异程度,在概化过程中,须充分协调好模型简化和精确性的平衡关系,避免出现追求简单而产生不确定性或追求精度而使模型复杂化的情况。

2 国外研究现状

国际上针对概念模型的构建较为重视,陆续制定一系列标准和技术导则。1995年美国材料与试验协会(US-ASTM)首次颁布了《建立污染场地概念模型的标准指南》[19](Standard Guide for Developing Conceptual Site Models for Contaminated Sites),该标准几经修订,先后颁布了ASTM E1689-95、ASTM E1689-95(2003)e1、ASTM E1689-95(2008)、ASTM E1689-20多个版本,给出了通用概念模型的主要组成部分,提供概念模型构建的大纲。指南将污染场地的概念模型定义为:污染物由源头通过环境介质传输到环境受体的一系列物理、化学和生物过程的文字或图形的表达,即对污染物释放、污染物迁移和环境受体暴露过程的整合和描述。指南ASTM E1689将概念模型构建工作概化为6步(具体见表1)。美国新泽西州环境保护局为帮助污染场地修复工作人员了解确定污染场地关注污染物的影响范围及其对受体造成的危害,于2019年颁布了《编制和提交场地概念模型的技术导则》[20](Technical Guidance for Preparation and Submission of a Conceptual Site Model),该导则认为概念模型的目标是描述污染场地特征及地表和地下状况的一种迭代更新工具,在项目整个周期中,应随所获场地信息的不断丰富而进一步完善。初期概念模型通常基于不完整的信息构建,通过定期评估概念模型的完整性,可以更容易地确定并处理数据缺口,以确保相关工作人员对污染物影响的了解完整贴合实际。通过此迭代过程开发概念性场地模型,可以做出补救决策,以有效解决和保护受影响的潜在受体。明确识别与概念现场模型相关的不确定性,以便努力将这些不确定性降低至可接受水平。2019年英国标准学会(BSI)颁布了《潜在污染场地的概念模型》[21](Conceptual Site Models for Potentially Contaminated Sites),该标准指出污染场地概念模型是所有场地相关信息的综合,可用于场地规划调查、场地风险评估以及场地修复工作,同时该标准也给出了不同的概念模型构建步骤,具体见表1。

表1 概念模型国外文献对比

从表1可看出,对比国外各个标准或导则文件,对于污染场地概念模型构建呈现明确的工作思路,主要是以“源-径-汇”为主线,借助可获得的场地信息,形成从确认污染源、环境介质和潜在受体、迁移途径到整合完整描述暴露途径的概念模型构建框架,使得概念模型每一步做到详细可靠,以便于支持场地风险评估和修复的科学决策。

3 国内研究现状

相较于国外成熟的标准体系,国内对于概念模型的研究甚少。安海金等[22]以山西某停产焦化企业为研究对象,主要通过资料收集、现场踏勘等方式识别关注污染物种类及特征、污染物迁移途径、潜在受体、暴露途径等信息,经整合概化后以“源-径-汇”为依据构建了焦化厂初步污染概念模型,并指出概念模型是场地调查和场地风险评估过程中建立和完善的。钟茂生等[23]以北京某有机污染场地为例,结合场地未来利用规划,构建特定概念模型并推导风险值计算公式,与现行评估技术导则基于通用概念模型的风险值计算结果相比存在差异,因此指出污染场地风险评估过程中不应盲目套用技术导则的概念模型,而应当根据场地实际未来建筑结构特征做出调整和修正。李培中等[24]在对场地环境精准调查的研究中指出,国内目前场地概念模型的构建主要基于危害识别,在对场地进行初步调查和详细调查后并未及时迭代更新概念模型,从而造成后期工作的诸多问题。因此,李采用逐阶段优化的全周期场地概念模型,包括三个阶段。1)初步概念模型:通过汇总场地已有信息初步确定污染场地潜在污染区域、污染源、污染迁移途径、受体等基本情况,有利于后续场地调查采样与分析工作的开展。2)基础概念模型:主要形成于场地初步采样调查后,根据获得的污染物类型和特征、水文地质条件,初步确认污染分布和污染区域边界后,对初步概念模型进行适度调整。3)污染表征概念模型:主要形成于场地详细调查后,以高精度调查的方式获得准确数据进行综合分析,并选择合适三维表征工具进一步完善概念模型。姜登登等[25]为探究地下水埋深高于地下建筑物底板情景下污染物蒸气入侵的过程,构建了特定情景概念模型,并将考虑孔隙、裂隙入渗情况下计算得到的地下水暴露量及室内空气中VOCs浓度与直接套用现行文件HJ 25.3—2019《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(以下简称“《技术导则》”)的计算所得结果进行对比,发现《技术导则》中概念模型相较于特定情景概念模型,对场地实际存在一定程度简化,使得基于概念模型的数学计算结果过于保守、缺乏准确性,从而增加污染场地管理和修复成本。

除上述文献对概念模型的研究较为深入,目前检索到的概念模型相关文献主要在场地健康风险评估危害识别和暴露评估环节中应用[26-35],仅以一段话或一张图的形式简单带过,无法完整细致地展现污染场地的全貌。可见,概念模型在实际运用中不够系统,容易在风险评估过程中被忽视。

4 目前存在的不足

尽管目前概念模型在风险评估中的重要作用得到相关研究人员的广泛认可,但针对污染场地概念模型的研究尚存在以下方面的不足。

1)相较于国外,国内概念模型的构建流程尚未形成规范体系。迄今为止,国外已制定并颁布了有关污染场地概念模型的技术导则和标椎,但国内还未出台具体、明确的污染场地概念模型的标准化文件。生态环境部颁布的HJ 682—2019《建设用地土壤污染风险管控和修复术语》[13]虽给出了概念模型的基本定义:用文字、图、表等方式来综合描述污染源、污染物迁移途径、人体或生态受体接触污染介质的过程和接触方式等,但对于概念模型的包含内容、适用范围和构建方法并未明确规定。《技术导则》是国内目前最为成熟和权威的建设用地土壤污染风险评估技术文件,该导则规定了五个方面的场地风险评估工作程序,包括危害识别、暴露评估、毒性评估、风险表征及风险控制值计算。其中危害识别、暴露评估工作程序,涵盖了构建场地概念模型的主要工作,却也未提及构建场地概念模型的要求和工作程序。但在实际的场地风险评估工作中,大多数评估报告都涉及了对地块概念模型的构建,而构建的方法和结果呈现缺乏规范文件的理论指导,只能依赖评估人员的经验和技术水平,最终影响评估结果的准确性。

2)目前,概念模型对实际污染场地描述不够全面、准确。在所获场地信息不够全面的情况下构建的概念模型,可能存在过度概化污染物赋存空间位置、污染物迁移途径和环境受体暴露过程的问题,从而导致构建的概念模型与实际污染场地的差异较大。此外,照搬国外概念模型的问题也将导致模型描述失真。首先,在建筑结构中,国外一般以低于2层独栋别墅为主,而中国则以高层住宅为主,基于独栋别墅的模型假设不能用于描述高层建筑的实际情况也就不适用于我国高层住宅的风险评估。其次,在地下结构中,国内导则中通用污染概念模型采用的Johnson-Ettinger模型,模型假设未来建筑位于污染地下水垂直正上方,地下建筑物底板要高于地下水水位线,两者之间存在包气带,污染物通过底板裂缝进入建筑内部,未考虑污染地下水直接接触入渗地下建筑物造成人体暴露的情景。城市建设地下建筑物以混凝土结构为主,地下水埋深高于地下建筑底板的情景较为常见,因此对于地下水位较高的地区(如长三角地区、珠三角地区等沿海地带)开展风险评估时,需考虑地下水直接入渗地下室的情况,直接套用现有导则中的通用污染概念模型来计算室内污染物浓度偏离客观事实,无法为污染风险评估和后续风险管控提供科学支撑。

5 展 望

污染场地开发再利用是解决我国土地利用资源日益短缺的重要手段,在污染场地管理过程中的构建概念模型起到了精炼场地信息、帮助相关人员了解场地“源-径-汇”的关键作用,然而在概念模型相关研究中仍然存在一些问题。针对本文提到的问题,建议在未来风险评估工作中:

1)有关组织和部门发布概念模型开发和应用的权威性文件,以指导和规范污染场地概念模型的构建流程,帮助相关工作人员充分了解场地污染情况,从而有效提高污染场地的风险评估效率和准确度。

2)在实际概念模型的构建工作中,应避免简单套用国外概念模型,要在充分了解我国建筑类型特点、场地地下水位等相关信息的基础上,结合污染场地不同风险评估阶段,持续更新迭代污染场地的概念模型,使概念模型在不同阶段的完善过程中逐渐贴和场地的真实情况,为后续场地污染的管理决策提供科学指导。