金属矿区／冶炼场地环境风险扩散途径及其关键因子识别研究①

安亚男， 万 勇， 郭朝晖， 曹 杰， 徐 锐， 何 晓

（1.中南大学冶金与环境学院，湖南 长沙 410083； 2.湖南省环境保护科学研究院，湖南 长沙 410014）

我国重金属污染物排放总量处于高位水平，重金属污染防治形势依然严峻[1］。 金属矿产采选冶炼过程中造成的土壤重金属污染严重，给周边环境及居民健康带来极大威胁[2-3］。 金属采选冶炼等活动将重金属释放到周边环境中，然后通过大气沉降途径使重金属污染物沉积在土壤中[4］。 土壤有机质含量（SOM）、酸碱度（pH 值）、阳离子交换量（CEC）、土壤质地和矿物类型等对土壤中重金属的迁移扩散具有显著影响[5］。 在尾矿库，重金属以淋滤、风蚀等方式扩散，雨水淋滤是主要污染扩散途径，因此，地表硬覆盖情况及地下防渗措施至关重要[6-7］。 掌握影响重金属迁移途径的主要影响因子，有助于快速切断污染物的传播途径，对于重金属污染防治具有重大意义。 因此，研究识别重金属污染场地环境风险扩散途径关键环境因子非常重要。

科学的评估方法是金属矿区／冶炼场地环境风险识别的前提条件。 层次分析法是一种能较好满足这一需求的方法之一[8］，其基本原理是将区域划分系统有关方案的各个要素分解为目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析[9］。 层次分析法被广泛应用于多种情景下的风险评估[10-13］。 本文将层次分析法应用于金属矿区／冶炼场地重金属污染环境风险扩散途径及其关键因子识别，利用层次分析法半定量评估22 个环境因子对重金属污染环境风险扩散途径的影响程度， 建立金属矿区／冶炼场地重金属污染环境风险扩散途径因子指标体系并识别影响重金属迁移途径的关键环境因子，为金属矿区／冶炼行业场地重金属污染风险防控提供科学管理依据。

1 研究方法

1.1 研究对象及数据来源

为建立污染途径环境因子指标体系，通过Web of Science， Elsevier Science Direct 和中国知网（CNKI）等数据库，利用“重点行业”“矿山”“冶炼场地（地块）”“重金属污染”“迁移扩散”等关键词获取文献，对重金属迁移途径信息（扩散方式、影响因子等）进行综合分析。

以文献为基础，以科学性、系统性为原则，建立金属矿区／冶炼场地重金属污染环境风险扩散途径环境因子指标体系。 将目标层设为场地重金属污染环境风险；准则层为途径指标，包括大气沉降、地表径流、土壤渗透和胶体负载；指标层为因素指标，包括影响大气沉降扩散的PM10、风速、主风向、距污染源距离，影响地表径流扩散的地形、坡度、距地表水距离、年降水量，影响土壤渗透扩散的地表硬覆盖情况、地下防渗措施、土壤质地、土壤容重、土壤颗粒密度、土壤孔隙度、地下水埋深、地下水流速，影响胶体负载扩散的SOM、土壤含水率、pH 值、CEC、土壤矿物类型和微生物群落组成等22 个指标。

1.2 分析方法

采用多层次权重分析法（AHP 法）[14］，基于建立的指标层次结构，采用1 ～9 标度法构造判断矩阵，对同一层次指标进行两两比较。 假设A层中的元素B与下一层次中的元素B1，B2，…，Bn有关系，若要分析B层次各元素间对B而言的相对重要性，可以构造如表1 所示的判断矩阵B。

表1 两两比较判断矩阵B

表2 随机一致性指标RI 值

然后，采取层次分析法计算指标的权重，并对其进行一致性检验，具体计算方法如下：

1） 计算判断矩阵中每一行元素的乘积Mi：

2） 计算Mi的n次方根Wi：

4） 计算判断矩阵的最大特征值：

式中B为判断矩阵；W为权重列向量；Wi为权重向量的第i个分量；n为矩阵阶数。

5） 进行一致性检验，要求一致性检验指标CI≤0.1，CI计算公式为：

当n≥3 时，为消除CI所受阶数的影响，还需引入判断矩阵的平均随机一致性指标RI，取CR＝CI／RI，对所构造的判断矩阵进行一致性检验，一般认为CR＜0.1时，判断矩阵有可接受的一致性，否则需对判断矩阵进行修正。

1.3 典型案例场地调查与数据分析

以湖南省某大型退役铅锌矿为研究区域，分别选取其中1 个矿区和1 个冶炼场地为污染源调查研究对象，按距污染源距离0、500、1000、2000 m 环形采集土壤样品，每个距离采集4 个土壤样品，每个土壤样品由5 个蛇形取样的0 ～50 cm 表层土壤样品混合而来，共采集32 个样品，采样点如图1 所示。 土壤样品用HNO3-HCl-HF 混合酸（5 ∶3 ∶2）进行消解。 通过电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，NexION 2000，PerkinElmer，美国）检测Cd、Cu、Pb、Zn 总含量。 采用原子荧光光谱仪（AFS-2202E，中国）测定As 总含量。 参照《土壤农业化学分析方法》[15］测定SOM、pH 值和其他理化性质。 采用PM2.5测试仪—3016IAQ 测定PM10。 其余环境因子指标通过现场调查及查阅所在区域文献、年报等资料获取。

图1 研究区域及采样点

采用内梅罗污染指数法对场地土壤重金属污染状况进行综合评价[16］，将得到的土壤综合污染指数（NIPI）与识别出的场地环境风险扩散途径关键因子的指标测定值进行相关性分析。 本文参考国家重点行业企业用地调查风险筛查与风险分级技术规定确定的评价指标和评分标准[17］，将地表硬覆盖情况指标进行量化处理，存在未硬化地面取值0.6，硬化地面有裂缝、破损取值1.8，硬化地面完好取值3.0，无防渗措施取值0.6，有一定防渗措施取值1.8，有全面、完好的防渗措施取值3.0。

2 结果与讨论

2.1 评价指标权重确值

根据文献检索结果，确定重要途径为准则层指标、重要因素为指标层指标。 邀请土壤修复专家和相关专业人员填写调查问卷，用1～9 的标度法确定各指标的相对重要性，建立两两对比的判断矩阵（见表3）。 因素指标共计22 项，分别属于大气沉降、径流扩散、土壤渗透和胶体负载4 个途径，类比上述步骤进行权重分配。 然后计算最大特征向量，检验各个判断矩阵的一致性，检验结果显示各个判断矩阵取值合理，通过一致性检验（见表4）。 最终得到目标层、准则层和指标层各因子权重见表5。

表3 场地重金属污染环境风险途径指标判断矩阵

表4 判断矩阵一致性检验

结果表明，对场地重金属污染环境风险影响最大的途径要素是土壤渗透，其次是大气沉降，胶体负载和径流扩散贡献率较低。 土壤渗透贡献率最高可能是考虑到重金属迁移对地下水的影响[18］，研究显示，工业企业场地主要环境污染途径为污染物进入土壤和地下水[19］。

对大气沉降途径具有显著影响的因素是距污染源距离以及PM10，权重分别为39.48%和36.78%。 重金属在大气中主要通过吸附在颗粒物表面进行迁移[20］，距污染源距离远近对重金属迁移能力具有直接影响。对径流扩散途径具有主要影响的是距地表水距离和年降水量，权重分别为39.76%和29.29%。 由于部分企业污水排放以及降雨冲刷等原因，场地距地表水的距离可能直接影响重金属含量[21］。 对土壤渗透途径具有显著影响的是地表硬覆盖情况和地下防渗措施，权重分别为31.36%和26.05%，其他土壤渗透性指标及地下水埋深、地下水流速等因素贡献率相当。 这可能是因为重金属在土壤及地下水中的迁移过程较为复杂[22］。 对胶体负载途径具有主要影响的是土壤pH值和SOM。 文献[23］通过实验室土柱实验阐明了天然胶体对重金属迁移的限制作用。 文献[24］通过对大量沉积物样品的分析，也证实了土壤pH 值对重金属形态转化的作用。 总的来说，综合权重大于0.05 的指标有地表硬覆盖情况、距污染源距离、PM10、地下防渗措施、距地表水距离、SOM 和pH 值，为场地环境风险扩散途径的主要因素指标。

2.2 基于典型场地的环境风险扩散途径关键因子识别

基于筛选得到的主要因素指标，选取2 个典型场地，以湖南省土壤背景值为评价标准，主要评价As、Cd、Pb、Zn、Cu 这5 种具有代表性的重金属元素含量及关键环境因子数据，运用内梅罗综合指数法计算其NIPI值，结果如表6 所示。 将筛选出来的关键因子实测值与典型场地NIPI 值进行相关性分析，结果如表7 所示。

表6 典型场地NIPI 值及基本情况

表7 NIPI 值与关键因子指标测定值相关性分析（n＝32）

由表6 可以看出，不论污染源来自冶炼场地还是矿区，NIPI 值均随距污染源距离增加显著下降，说明距污染源距离对重金属空间分布具有显著影响。 然而，冶炼场地NIPI 值高于矿区场地，这可能是因为冶炼场地重金属含量较高、迁移性较强。 结合主要评价指标及其场地污染实际情况，在距污染源距离相同的情况下，有防渗措施的场地NIPI 低于未做防渗措施的场地；地表硬化完好的地块NIPI 值低于未硬化地面的地块；PM10随着距污染源距离增加呈下降趋势，与场地NIPI 值正相关。 矿区距污染源距离0 m 的4 个采样点能够很好地展示土壤pH 值对场地NIPI 值变化的影响，土壤pH 值越高，污染风险越大，进一步表明土壤pH 值与土壤重金属迁移性之间存在显著的负相关关系[25］。

由表7 可知，pH 值、SOM、PM10等因子与NIPI 呈正相关关系，距污染源距离、地表硬覆盖情况、地下防渗措施与NIPI 呈负相关关系，相关性显著；距地表水距离与NIPI 相关性不显著。 这与前人的研究结果大致相符[25］。

综上所述，距污染源距离、PM10、地表硬覆盖情况、地下防渗措施、pH 值和SOM 等因子会显著影响场地土壤重金属污染环境风险，是场地环境风险扩散途径的关键因子。

2.3 关键因子相对权重与相关系数拟合验证

为了进一步验证场地环境风险扩散途径关键因子的合理性，用Pearson 相关性结果与获得的权重值进行归一化处理，得到关键因子与场地NIPI 值的相关系数和相对权重值，距污染源距离、PM10、地表硬覆盖情况、地下防渗措施、pH 值和SOM 的相关系数分别为0.214、0.178、0.169、0.158、0.147 和0.132，相对权重分别为0.203、0.189、0.213、0.177、0.118 和0.100，将二者进行拟合以验证筛选得到的指标的科学性，结果如图2所示。

图2 相关系数与因子权重拟合结果

由图2 可知，关键因子与场地NIPI 值的相关系数与因子权重拟合效果较好（R2＝0.63），说明基于层次分析法筛选得到的关键环境因子具有一定的代表性，对于类似污染场地环境风险防控具有一定的参考意义，但其权重值可能会随场地参数的变化而改变，还需进行更多案例场地的验证。

2.4 场地重金属污染环境风险防控对策

金属采选冶炼行业污染场地环境风险较高，影响范围较大，对场地进行风险防控十分必要。 基于筛选出的关键因子，对金属矿区／冶炼场地的风险防控提出如下管控对策与建议。

1） 明确污染风险管控范围。 研究结果显示，距污染源500、1000、2000 m 的场地NIPI 值均显著降低，可以结合场地使用功能属性选择管控范围，一般可以选择管控半径500 ～1000 m，对周边存在其他敏感用地的，则应适当增加管控措施，确保环境敏感受体不受污染影响。

2） 加强场地污染源头风险管控。 对于在产企业地块，对潜在的污染排放源进行提标改造，对无组织排放源进行密闭或负压操作改为有组织收集，从源头削减污染发生的概率和强度。 同时，开展场地土壤污染隐患排查，完善地块地表硬化程度和地下防渗措施等，及时有效管控场地污染的潜在环境风险。 对于关闭搬迁企业遗留场地，摸清场地污染基本情况，通过污染溯源，明晰场地主要潜在污染源，贯彻“谁污染，谁治理”理念，有序开展污染地块治理修复或风险管控工作。

3） 建立长效环境监测机制，加大执法监管力度。对于在产企业气型污染和水型污染，建立完善自动监测系统，对土壤和地下水采用定期人工监测，及时识别污染发生并有效管控污染风险。 对暂未开发的遗留场地，在管控好场地污染源的前提下，明确监管和监测责任主体，定期开展场地土壤重金属含量及污染风险监测工作，最大限度避免污染风险事件的发生。

3 结论

基于文献爬取和案例场地调查，系统梳理了场地重金属污染环境风险扩散途径及其关键因子，最终确定了22 个关键因子指标用以建立层次模型。 层次分析法研究结果表明，大气沉降和土壤渗透为重金属污染环境风险的主要扩散途径，距污染源距离、PM10、地表硬覆盖情况、地下防渗措施、土壤pH 值和SOM 为迁移途径关键因子。 在此基础上，选取2 个典型场地计算其NIPI 值，对关键因子和NIPI 值进行相关性分析，因子权重与相关系数拟合效果较好（R2＝0.63），表明筛选出的场地重金属污染环境风险扩散途径及其关键因子具有较好的代表性。 最后，提出了基于场地环境风险扩散途径及其关键因子的预警方案，为金属矿区／冶炼场地环境风险防控提供理论支撑。