典型电镀场地重金属污染程度综合评价分析

王春林，蒋卫国，宋颉，耿治鹏

1.遥感科学国家重点实验室, 北京师范大学地理科学学部

2.北京市测绘设计研究院

随着我国经济高质量发展、产业转型升级以及城市绿色发展理念的深入，众多工矿企业从城市区域搬迁或关停，遗留数目众多的污染场地，给周边土壤造成较大的污染威胁[1-2]。重金属污染是主要土壤污染类型，且具有毒性较大、降解性低与富集性强的特点[3]。电镀行业由于工艺流程的特殊性与复杂性，其所用原材料及加工过程与重金属联系较为密切[4]。本文通过构建场地综合评价空间模型对不同地区典型电镀场地土壤重金属污染程度进行研究，将为场地修复与未来开发利用工作提供参考依据[5]。

国内外学者[6-8]在研究污染场地重金属污染程度时多采用统计分析法与指数评价法。其中统计分析法通过重金属元素浓度的统计指标值，如平均值、最小值、最大值、变异系数等对重金属元素的污染情况进行评价；指数评价法主要包括单因子指数评价法、内梅罗综合污染指数法[9]、地累积指数法[10]、潜在生态危害指数法[11]等。如郭平等[12]利用潜在生态危害指数法分析了长春市的土壤重金属污染分布，并对土壤生态状况进行了评价；谢龙涛等[13]采用2 种污染指数法对土壤重金属的污染程度进行评价，并对其污染来源进行了分析；Wang 等[14]使用污染指数与趋势分析法评价江苏海岸带土壤重金属污染的空间分布程度；Negahban 等[15]综合使用地累积指数法与潜在生态危害指数法分析伊朗蛇岛地层土壤重金属污染程度以及其潜在的生态危害。Thomas等[16]则是开发一套GIS 系统框架，综合这些污染指数开展场地综合评价；陈文轩等[17]利用克里金插值法、土壤污染评价的综合指数法对中国农田土壤的重金属空间分布与污染程度进行分析；宋静宜等[18]在研究澜沧江水系的底沙重金属含量时采用单因子指数法与潜在生态危害指数法开展综合分析，并研究了污染物的空间分布；何甜等[19]利用ArcGIS 的空间分析模块并结合空间插值、内梅罗综合污染指数法进行城市群重金属的污染空间分布评价。由此可见，指数评价法在国内外学者研究重金属污染程度时应用广泛并得到认可[20-24]。但目前重金属污染评价研究多集中于单一指数的应用，评价内容简单且各指数的侧重研究点不一致，因此需要综合多种指数研究场地土壤重金属的污染程度情况。

笔者基于国内外学者通用的指数评价法，在京津冀、长三角及珠三角地区分别选取典型电镀场地作为研究对象，综合内梅罗综合污染指数、地累积指数与潜在生态危害指数，构建场地综合评价空间模型，对土壤重金属污染程度进行空间评价与分析，以期为场地土壤修复与再利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

从《污染场地管控修复名录》中挑选3 个典型电镀场地作为研究对象（图1），场地分别位于京津冀、长三角与珠三角地区，均属重点监管场地，并命名为场地1#、场地2#和场地3#。

图1 污染场地研究区概况Fig.1 Overview of the study area of the contaminated sites

场地1#位于京津冀某市境内，建成于20 世纪50年代，主要用于产品的生产与储存，主要产品为小型零件和大型电镀锌制品，该厂利用电解锌技术，从事锌制品的生产活动， 目前该场地处于废弃状态，场地与市区邻近，周边存在较多敏感目标。

场地2#位于长三角某市境内，规模较大，靠近运河区。该工厂成立于1983年，主营镀锌、镀铬等电镀业务，其中镀铬生产工艺需经过抛光以及在热碱液中清洗除油，再经过酸洗去除工件表面氧化层，再进行镀铜、镀铬、镀镍。该场地目前已废弃，未来规划为生态绿地区，该场地的修复与再利用极具研究意义。

场地3#位于珠三角某市境内，目前该场地处于闲置状态。该工业园区建成于1994年，分布多家小型电镀企业，以镀锌、镀镍、镀铬为主，同时销售各种电镀与五金产品，其中镀镍工艺类型较多。该地块未来规划为环保工业园，地理位置位于城市中心，周边存在大量敏感目标，该场地对城市污染场地综合分析与探究有重要意义。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 土壤采样点布设

依据场地调查报告中的均匀布点原则，并根据各功能区域类型与规模，在可采样地区布设土壤采样点：场地1#有13 个土壤采样点，其中由于废弃裸地区面积较大，布设6 个采样点，其他区域布设7 个采样点；场地2#有17 个土壤采样点，主要分布在沿运河地区；场地3#有40 个土壤采样点，均匀分布在各功能区。检测的重金属元素包括铬（Cr）、镍（Ni）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）、砷（As）、汞（Hg），浓度单位为mg/kg。

1.2.2 基础地理信息数据

本研究的基础地理信息数据包括污染场地调查报告数据、场地矢量边界数据以及场地遥感影像数据，均由生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心提供。调查报告属于文本类数据，从中提取重金属浓度样本数据、场地污染评估标准数据等；矢量边界数据用于确定场地空间位置；遥感影像数据为高分二号卫星数据，用于对场地功能区分类。场地1#划分为废弃裸地区、植被覆盖区、污水处理区以及电镀车间区；场地2#划分为固废堆积区、废弃裸地区、植被覆盖区；场地3#划分为厂房建筑区、废弃裸地区、排污管线区、污水处理区以及电镀车间区。由于各场地建成年代、废弃时间以及土壤采样时间等存在较大差异，因此本研究主要评价各典型电镀污染场地的综合污染程度。

1.3 研究方法

本研究中电镀场地重金属污染程度分析基于污染指数评价法，并构建污染程度综合评价空间模型[25-26]。本研究使用的污染指数为单因子污染指数、内梅罗综合污染指数、地累积指数以及潜在生态危害指数。

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数是评价单个污染物要素造成土壤污染的程度[27]。各场地所在地区的土壤重金属标准值如表1 所示[28-30]。

表1 场地所在地区土壤重金属标准值Table 1 Soil heavy metal reference values for the area the site locatedmg/kg

单因子污染指数法是采用重金属元素浓度与标准值之比进行评价，即：

式中：Pi为重金属元素单因子污染指数；Ci为重金属元素浓度，mg/kg；Si为重金属元素标准值，mg/kg。若Pi＞1，表示场地中受到重金属元素i污染，且随污染指数的增大，污染越严重；若Pi≤1，则表示未受到重金属污染，具体等级划分如表2 所示[31]。

表2 单因子污染指数等级划分Table 2 Classification of single factor pollution index

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数是污染场地中多种污染物的单因子污染指数的反映[32]，其计算公式为：

式中：P综为内梅罗综合污染指数；Pmax为土壤采样点中单因子污染指数的最大值；Pave为土壤采样点中单因子污染指数的平均值。内梅罗综合污染指数具体等级划分如表3 所示[33]。

表3 内梅罗综合污染指数等级划分Table 3 Classification of Nemerow comprehensive pollution index

1.3.3 地累积指数法

地累积指数法是由德国科学家Muller 于1969年提出[10]。它综合考虑由自然活动造成的土壤背景值和土壤污染之间的关系，反映了重金属元素在土壤中的累积程度。近年来，许多学者用这种指数评价重金属对土壤造成的危害。其计算公式如下：

式中：Ci为重金属元素浓度，mg/kg；k为背景值系数，一般取值为1.5。Bi为地球化学背景值，mg/kg，但由于不同的地理环境存在较大差异，为使评价结果更精准，选取不同地区的当地土壤背景值[34,28-30]。地累积指数等级划分如表4 所示[35]。

表4 地累积指数划分等级Table 4 Classification of geo-accumulation pollution index

1.3.4 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数是Hakanson 在1980年提出[11]，该指数用于评估重金属对土壤潜在的生态危害幅度，它不仅反映某一种重金属元素的生态危害，还可体现多种重金属综合影响，且划分不同的潜在生态危害等级水平。其计算公式如下：

表5 潜在生态危害指数等级划分Table 5 Classification of potential ecological hazard index

1.3.5 污染程度综合评价空间模型

综合3 种污染指数进行污染程度评价，以解决单一指数无法反映场地真实污染程度的问题。首先利用层次分析法（AHP）分析各污染指数的重要性，其中潜在生态危害指数最能反映出污染物的影响，内梅罗综合污染指数次之，地累积指数最弱，为指标赋权重并通过一致性检验[36]。然后累加计算污染场地中各土壤采样点综合评价值。计算公式为：

式中：Rtotal为污染程度综合评价值；Ri为某种污染指数值；Wi为对应指数值的权重。指数的标准化处理按照正向指标处理，计算公式为：

式中：Zi为指数标准化后的数值；Xi为指标原始数据值；Ximin为指标在研究区内的最小值；Ximax为指标在研究区内的最大值。

在ArcGIS Model Builder 模块中建立重金属污染程度综合评价的空间模型（图2），该模型以场地土壤采样点的重金属浓度数据为基础，分别计算3 种污染指数并与权重相结合，分析场地污染程度的空间分布与空间统计，其中各指数空间分布图采用反距离插值法（IDW）生成[37]。

图2 污染程度综合评价空间模型示意Fig.2 Schematic diagram of spatial model for comprehensive evaluation of pollution level

2 结果与讨论

2.1 电镀场地重金属总量描述性统计分析

场地1#统计结果（表6）显示，Cr、Ni、Zn 等元素与标准值相比较，存在污染超标情况，其中Ni 的超标倍数最大，Cr 的样本超标率最高。在变异系数中，Ni 的变异系数最大，且Cr、Cu、Zn 的变异系数也均大于1，表明这些元素浓度受人类活动影响较大。

表6 场地1#重金属描述性统计Table 6 Descriptive statistical results of heavy metals in Site 1#

场地2#统计结果（表7）显示，Cr、Ni 元素与标准值比有污染超标情况，以Cr 的超标倍数最大，但超标率不高。在变异系数中，Cr 的变异系数最大，且Ni、Cu、Zn 的变异系数也较大，均大于2，表明这些元素含量受外源输入的影响很大。

表7 场地2#重金属描述性统计Table 7 Descriptive statistical results of heavy metals in Site 2#

场地3#统计结果（表8）显示，Cr、Ni、Zn、Cu 元素与标准值相比有污染超标情况，其中Zn 的超标倍数最大，Ni 的超标率最高。在变异系数中，Zn 的变异系数最大，且Cr、Ni、Cd、Cu 的变异系数也较大，均大于1，表明这些元素含量受外源输入的影响较大。

表8 场地3#重金属描述性统计Table 8 Descriptive statistical results of heavy metals in Site 3#

各场地重金属元素描述性统计结果显示，Cr、Ni、Zn、Cu 浓度较高，均存在超标情况，其中Zn 浓度最高，同时变异系数较大，表明受到外源输入（人为活动）的影响较明显。其他元素浓度较低，不存在污染超标现象。

2.2 电镀场地重金属污染指数结果分析

各场地内梅罗综合污染指数空间分布结果显示（图3），场地1#的指数高值区主要分布在场地西部的污水处理区；场地2#的指数高值区主要分布在运河区周边以及西北部的植被覆盖区与固废堆积区交界附近；场地3#的指数高值区主要分布在电镀车间区与排污管线区。其中场地3#指数平均值最高，为2.31；场地1#次之，为2.16；场地2#平均值最小，为0.3。场地3#与场地1#污染程度较为严重，场地2#污染情况较轻。

图3 污染场地内梅罗综合污染指数空间分布Fig.3 Spatial distribution map of Nemerow comprehensive pollution index in the contaminated sites

各场地内地累积指数空间分布结果显示（图4），场地1#地累积指数高值区主要分布在场地西部的植被覆盖区与污水处理区；场地2#地累积指数高值区主要分布在场地北部的固废堆积区、植被覆盖区大部和废弃裸地区的小部分地区；场地3#地累积指数高值区主要分布在电镀车间区、排污管线区与废弃裸地区。其中场地1#与场地2#的指数值均低于0，处于无污染状态（即不存在污染物在土壤累积情况），场地3#最大值4.79，平均值为0.75，处于轻到中度污染程度，污染物累积较为严重。

各场地内潜在生态危害指数空间分布结果显示（图5），场地1#指数高值区在场地西部；场地2#的指数高值区则分布在场地西北部；场地3#的指数高值区呈现2 个高峰区，分别在场地北部边界区与内部电镀车间区；各场地的潜在生态危害指数分布与综合污染指数、地累积指数的空间分布特征整体是一致的，但也存在差异。从数值大小来看，场地3#的平均值相较于其他2 个场地最高，为284.95，处于中等生态危害等级；场地2#次之，平均值为66.65，处于轻微生态危害等级。场地1#最小，平均值为48.59，处于轻微生态危害等级；场地3#的生态危害程度最为严重。

图5 污染场地潜在生态危害指数空间分布Fig.5 Spatial distribution map of potential ecological hazard index in the contaminated sites

通过各污染指数在不同场地中的空间分布情况可直观地确定场地污染范围并分析其污染特征，但由于不同污染指数侧重不一致，评价结果存在差异，因此需对场地开展污染程度综合评价。

2.3 电镀场地重金属污染程度综合评价分析

基于构建的污染程度综合评价空间模型对3 个场地的污染程度进行分析，场地综合评价值的空间分布如图6 所示。场地1#污染程度综合评价的高值区主要分布在场地西侧区域，各功能区平均值大小依次为污水处理区＞废弃裸地区＞电镀车间区＞植被覆盖区。该场地整体污染并不严重，存在区域污染的情况。场地2#的污染程度综合评价的高值区主要分布在场地西北部地区，与场地1#相比偏低，平均值为0.11。该场地中各功能区平均值大小依次为废弃裸地区＞固废堆积区＞植被覆盖区，整体污染程度较弱。场地3#污染程度综合评价值的高值区主要分布在场地北部边界区以及场地中部地区，平均值为0.43。该场地的综合评价值明显高于其他场地，各功能区平均值大小依次为电镀车间区＞废弃裸地区＞排污管线区＞污水处理区＞厂房建筑区，整体污染程度较为严重。

图6 场地污染综合评价值空间分布Fig.6 Spatial distribution map of comprehensive assessment value of site pollution

本研究从场地土壤重金属浓度描述性统计、污染指数与污染程度综合评价空间分析等方面进行研究，但还存在不足之处，如污染物的空间分布的插值精度相对较低，未对地下多层深度污染特征以及成因进行讨论，未来将结合更多来源数据开展全面评价与成因分析。

3 结论

（1）电镀污染场地重金属以Cr、Ni、Zn、Cu 的浓度值较高，与电镀行业的工艺流程以及工业活动有关，且变异系数较大，受人类活动影响较明显，需重点关注这些重金属元素。其他元素与电镀行业关联较小，变异系数较低，受到人类活动影响较小。

（2）内梅罗综合污染指数、地累积指数与潜在生态风险指数分别从元素浓度高低、地质累积程度以及生态毒性危害方面进行评价，结果显示各场地中不同污染指数的空间分布特征基本一致，但存在差异性。另外，单一指数反映内容片面，不能综合反映场地污染程度。

（3）污染程度综合评价空间模型有效综合3 种污染指数特征，结果显示场地3#整体综合评价值明显高于其他场地，其中以电镀车间区综合评价值最高，污染程度严重。场地1#与场地2#污染程度整体值相对较小。从功能区分布来看，以污水处理区和电镀车间区的污染程度综合值较高，反映出电镀场地重金属污染的主要分布特征。该模型的构建可在空间层面为场地修复与再利用分析提供重要参考。