基于DESYRE模型的污染場地修復決策研究

張海博，張林波，李岱青*，陳揚，PIZZOL Lisa，CRITTO Andrea，MARCOMINI Antonio

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

2.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，北京 100012

3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049

4.威尼斯研究聯(lián)合會，意大利 威尼斯 I-30175

5.威尼斯大學環(huán)境科學學院，意大利威尼斯 I-30123

基于DESYRE模型的污染場地修復決策研究

張海博1，2，張林波1，2，李岱青1，2*，陳揚3，PIZZOL Lisa4，5，CRITTO Andrea5，MARCOMINI Antonio5

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

2.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，北京 100012

3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049

4.威尼斯研究聯(lián)合會，意大利 威尼斯 I-30175

5.威尼斯大學環(huán)境科學學院，意大利威尼斯 I-30123

利用DESYRE模型對中國北方某污染場地的修復問題進行研究，在綜合分析場地的污染物分布狀況、污染物毒理性質(zhì)和暴露途徑的基礎上，確定了污染物在不同土地使用方式下的風險等級分布;利用已有的修復技術數(shù)據(jù)庫，篩選出較好的修復技術，并對修復效果進行模擬，提供修復技術選擇和場地使用方案制定的依據(jù)。結(jié)果表明，該場地的最佳用地方式為居住用地或娛樂用地，清挖/處理技術與土壤固化/穩(wěn)定技術(異位)配合應用修復效果較好。DESYRE模型應用結(jié)果較為理想，可以對該模型做進一步改進，使之更符合中國的實際情況。

污染場地;DESYRE;修復技術;決策支持;土地使用

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，特別是礦山開采、大型重工業(yè)基地建設與搬遷發(fā)展產(chǎn)生了大量的污染場地，如不加以處置，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成極大的威脅。中國土地的緊缺性要求在短時間內(nèi)完成有效修復，但是場地修復需要根據(jù)場地未來的土地利用方式及具體的環(huán)境條件來量身制定每個特定場地的修復目標，選擇適宜的修復技術，制定相應的修復工作方案［1-6］。修復決策支持系統(tǒng)是利用專家評判、軟件計算模擬為利益相關者和決策者提供決策幫助的綜合系統(tǒng)，不僅能使污染場地特征數(shù)據(jù)可視化，對污染風險水平進行分析，還能提供修復方案的選擇、分析、優(yōu)化與模擬，綜合比較經(jīng)濟成本與公眾可接受度，為決策者做出科學決策提供支持［7-14］。

1 DESYRE模型的污染場地修復決策支持系統(tǒng)

污染場地修復決策支持系統(tǒng)(decision support system for the rehabilitation of contaminated sites，DESYRE)軟件是由意大利威尼斯研究聯(lián)合會(Consorzio Venezia Ricerche，CVR)開發(fā)的基于 GIS的決策支持系統(tǒng)，主要用于對污染場地進行綜合管理和修復決策。該軟件綜合考慮了土地二次開發(fā)利用方式、基于風險的人體健康與環(huán)境影響、污染物的空間分布與毒理學特性、水文地質(zhì)信息、修復技術特性、修復成本和社會經(jīng)濟狀況等因素，為對較大范圍污染場地進行修復決策提供了一個用于管理多源、海量信息的綜合平臺，協(xié)助特定污染場地修復方案和戰(zhàn)略的制定，為決策者提供決策分析與建議［15-18］。DESYRE 模型框架如圖1 所示。

圖1 DESYRE模型框架Fig.1 The frame of DESYRE model

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概況

以北方某金屬冶煉廠為研究對象，該廠廠區(qū)總面積約3.6×105m2，主要產(chǎn)品有銅、鉛、鋅等20多種，年總產(chǎn)量為20萬t。主要生產(chǎn)原料有銅精礦、銅灰及廢銅料、鉛精礦、金鉛礦、鋅熔燒粉等，土壤受鎘、銅、汞、鉛、鋅、鉻、鎳等重金屬污染嚴重。根據(jù)城市發(fā)展需要，原廠2000年停止運營并搬離城市中心區(qū)，遺留場地需要進行污染修復，再經(jīng)二次開發(fā)轉(zhuǎn)為民用，未來可選擇的土地利用方式包括工業(yè)用地、商業(yè)用地、居住用地、娛樂用地。

2.1.1 污染物分布特征

2.1.1.1 采樣方法

在原廠區(qū)布設40 m×40 m的采樣單元，每個單元設1個采樣點，去除不具備采樣條件的19個單元，共獲得168個采樣單元。在每個采樣單元的縱向采集三層土樣，由上至下依次為:回填層2～3 m;原土層0～0.5 m;原土層0.5～1.0 m。每個采樣點采集均勻分布的9個樣品等量混合，制成1個混合樣品。對每個土壤混合樣品分析 Cd、Cu、Hg、Pb、Zn、Cr、Ni濃度和 pH 共8個指標。

2.1.1.2 污染物分布特征

通過反距離加權內(nèi)插法對每個采樣點每種化合物的最大濃度值進行平均后得到污染物濃度空間分布(圖2)。由圖 2 可見，Zn、Hg、Pb、Cu、Cd 整體污染較重，高濃度污染分布較廣;Ni和Cr污染較輕，但部分地區(qū)濃度較高。

2.1.2 污染物的物理化學及毒理參數(shù)

污染物的物理化學和毒理學參數(shù)主要用來估算環(huán)境暴露影響，通過比較污染物的劑量和現(xiàn)有的毒理學資料，以確定暴露于某些污染物是否會對健康帶來不利影響。參考RAIS(http://rais.ornl.gov/)，IRIS(www.epa.gov/iris/)和APAT(www.apat.it)等風險評估信息庫［19-21］中相關污染物毒理信息和數(shù)據(jù)，確定對7種污染物的12個特性參數(shù)進行評估(表1)。

圖2 土壤污染物濃度空間分布Fig.2 Soil contaminants spatial distribution maps

表1 7種污染物物理化學和毒理特性Table 1 The toxicity character of contaminants

2.1.3 水文地質(zhì)狀況

研究區(qū)土壤主要包括四層，由上至下依次為回填土(平均厚度2.5 m)、黃泥(平均厚度2.5 m)、中砂含泥(平均厚度為3 m)、中砂含礫(平均厚度50 m)。水文模型中用于風險評估的參數(shù)包括液壓度、周圍空氣混合區(qū)高度、與地下水流向平行的源區(qū)寬度、與風向平行的源區(qū)寬度、地下水層厚度、毛細管邊緣厚度、土層深度、地下水液壓傳導性、有效滲透、地下水Darcy速度、風速、毛細管土空氣容量、滲流區(qū)空氣容量、毛細管周邊水容量、毛細管土水容量、有效孔隙度、土壤孔隙度、土壤有機碳含量、土壤密度、地下水平均有效速度等。

2.1.4 最優(yōu)土地利用方式選擇

根據(jù)研究區(qū)規(guī)劃，研究區(qū)未來土地利用方式共有四種:工業(yè)用地、商業(yè)用地、居住用地、娛樂用地。采用模糊邏輯系統(tǒng)［22］從四個方面對場地及周邊社會經(jīng)濟狀況進行分析，分別為:擬采用土地利用方式的社會經(jīng)濟吸引力，相同土地利用方式下替代場地的吸引力，對特殊土地利用方式的需求以及擬采用土地利用方式與周圍環(huán)境的一致性。主要評判參數(shù):替代場地吸引力、可利用娛樂休閑場地面積、交通影響(汽車增加量)、能在30 min內(nèi)到達場地的工人數(shù)、25～40歲的人口數(shù)、工廠數(shù)量、已有商業(yè)用地面積、城市常住人口數(shù)、區(qū)域常住人口數(shù)、當?shù)匚Α⒕嘀饕煌üぞ呔嚯x總和(機場，車站，高速公路)、距高速公路距離、場地修復后經(jīng)濟價值等相關參數(shù)。分析結(jié)果見表2。由于場地修復后商業(yè)用地與居住用地的價值較高，二者的場地本身吸引力指數(shù)較高;交通增加量較多導致工業(yè)用地和商業(yè)用地與周圍環(huán)境的一致性分值較低;娛樂用地與居住用地的社會經(jīng)濟需求均很高。綜合比較，居住與娛樂兩種土地利用方式具有較高的社會經(jīng)濟吸引力。選取這兩種土地利用方式作為模擬方式來確定修復技術方案。

表2 不同土地利用方式社會經(jīng)濟吸引力評價結(jié)果Table 2 Estimated socio-economic indicators for different land uses

2.1.5 暴露途徑與暴露參數(shù)

分析風險暴露過程并確定污染源、傳播機制、暴露途徑和受體。居住用地與娛樂用地的風險暴露如圖3所示。

圖3 污染物風險傳播暴露Fig.3 Exposure diagrams defined for the residential land use and recreational land use

由于娛樂用地為室外活動并假設不使用地下水，因此，二者暴露途徑的區(qū)別主要是室內(nèi)蒸氣吸入與攝食地下水。

根據(jù)預防性原則，表3列出成人和兒童在居住用地與娛樂用地暴露參數(shù)［19-21］。

2.2 風險前評估

通過ASTM風險評估方法［23］分別確定在兩種土地利用方式中每種污染物通過不同傳播途徑的可接受濃度，結(jié)果見表4。只有Hg具有揮發(fā)性，其他金屬污染物均不考慮易揮發(fā)物質(zhì)攝入方式。在居住用地的方案下，除Cd與Hg之外，其他污染物的可接受濃度最小的傳播途徑是土壤浸出污染地下水攝入;娛樂用地方案下，除Cr外其他6種污染物的可接受濃度最小的傳播途徑是皮膚接觸土壤。兩種土地利用方式對比可見，居住用地的7種污染物土壤攝入的可接受濃度均較娛樂用地大;除Cr外其余污染物的皮膚接觸土壤可接受濃度也是居住用地的大，這與居住用地中成人為敏感受體，而在娛樂用地中兒童作為主要敏感受體有關。土壤(全部)可接受濃度，居住用地總體較娛樂用地低。

表3 居住用地與娛樂用地人體健康暴露參數(shù)Table 3 Exposure indicators of people in residential and recreation land use

表4 7種污染物在居住用地與娛樂用地中的可接受濃度Table 4 The risk-based acceptable concentrations in soil for residential scenario and recreation scenario mg/kg(以干重計)

將污染物可接受濃度輸入DESYRE空間風險評估工具中，得到居住用地與娛樂用地單一污染物風險因子空間分布(圖4)。由圖4可知，在兩種土地利用方式下Ni與Zn風險等級較低;Pb的風險等級較高;娛樂用地的風險等級較居住用地低。

利用空間風險評估程序［24］確定污染物的風險因子空間分布以及風險大小，風險因子即污染環(huán)境介質(zhì)中的污染物監(jiān)測濃度與可接受濃度之比，風險因子等級(RF)可分為5級:1級，RF≤1;2級，1＜RF≤3;3級，3＜RF≤10;4級，10＜RF≤100;5級，RF＞100。

圖4 污染物風險因子空間分布Fig.4 Soil contaminants risk factor spatial distribution maps

為了表明全部污染物所造成風險的整體效應，用DESYRE運算生成全部污染物的最大風險因子的空間分布(圖5)。由圖5可見，居住用地只有4級和5級兩個風險等級;娛樂用地多數(shù)區(qū)域風險等級是3級和4級，風險較居住用地低，這是由于居住用地的可接受濃度較娛樂用地低。因此，如果用作居住用地則所有區(qū)域均需要修復，如果用作娛樂用地需要根據(jù)風險等級分配修復技術。

圖5 污染物最大風險因子空間分布Fig.5 Maps of the spatial distribution of the RFmaxclasses for the inorganic category

圖6 為引起最大風險因子的污染物分布。由圖6可見，在兩種土地利用方式下Pb都是引起最大風險最多的污染物;居住用地中Cr次之，娛樂用地中Hg次之;居住用地中其他污染物產(chǎn)生的影響較小，娛樂用地中Cr和Cd同樣產(chǎn)生很大的影響。

圖6 引起最大風險因子的污染物分布Fig.6 Maps of the contaminants which cause the maximum risk factor in soil

2.3 修復技術選擇及殘余風險分析

基于污染物最大風險因子風險分布圖(圖5)，利用修復技術模塊進行修復技術識別與選擇，對修復技術空間分布進行規(guī)劃，主要包括三個步驟:修復技術初選、技術比較、技術方案設置［25-26］。

2.3.1 技術篩選

DESYRE數(shù)據(jù)庫中包含有60余種污染處理技術，研究人員可以根據(jù)修復技術針對污染物類型、研究區(qū)水文地質(zhì)條件、土壤結(jié)構(gòu)、修復治理費用、修復技術適用條件、商業(yè)適用性和異位或原位修復等條件開展技術初選(表5)。包括兩級篩選程序:1)初選。通過比較場地現(xiàn)存污染物與修復技術目標污染物來選擇，共從修復技術數(shù)據(jù)庫中選出14種修復技術。2)再選。主要根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件選擇合適的修復技術，最終選出9種修復技術。

2.3.2 技術比較

參考圖4～圖6，在表5中選擇最適合的技術，通過多標準決策支持系統(tǒng)［27］，根據(jù)六項評判標準對這些技術進行評估比較分級(圖7)，六項標準及其被賦予的權重分別為:效率(0.475);費用(0.241);危險性(0.147);可靠性(0.064);制約條件(0.043);公眾可接受性及影響(0.029)。由專家打分劃分五個等級(非常好、相當好、滿意、好、不錯)，并采用層次分析法(AHP)對待選技術進行分級。專家認為效率標準的評判對技術排名影響很大，效率決定了清理時間與清理效率，所以賦予效率標準0.475的權重。9種修復技術排名見表6。結(jié)果顯示，土壤淋洗技術排名靠前，其次是電動分離和固化/穩(wěn)定技術。

圖7 修復技術專家打分圖Fig.7 Expert judgment software interface

表6 修復技術排名Table 6 Ranking of the selected technologies for the soil remediation

2.3.3 技術方案設置

基于污染物風險因子分布(圖4)與修復技術排名(表6)，由專家根據(jù)場地實際情況選擇適合場地的修復技術方案，確定修復技術的空間配置與修復的時間順序，通過Monte-Carlo分析法，在軟件中模擬不同污染物在每種修復技術下的修復效果并將其可視化，最終輸出修復技術方案空間配置圖與污染物殘余風險分布圖。

筆者最終選定了兩套技術方案分別用于兩種土地利用方式:方案1為清挖/處理技術與土壤淋洗技術;方案2為清挖/處理技術與土壤固化/穩(wěn)定技術(異位)。

居住用地與娛樂用地實施技術方案1的空間分布如圖8所示。對圖5中的紅色高風險區(qū)域采用清挖/處理技術，圖5中黃色中等風險區(qū)域采用土壤淋洗技術。

圖8 方案1的空間配置Fig.8 Application of technological set 1 for soil contamination

綜合分析技術應用的區(qū)域和技術效率等因素，利用DESYRE的殘余風險分析模塊計算出采用技術方案1后污染物殘余風險并生成殘余風險因子(圖9)。由圖9可見，居住用地僅余一個采樣單元仍有較高風險，娛樂用地有2個采樣單元仍有較高風險，其他高風險區(qū)域都可轉(zhuǎn)化為低風險區(qū)。

圖9 方案1的污染物殘余風險分布Fig.9 The residual risk factor classes maps for soil contamination after the application of technological set 1

居住用地與娛樂用地實施技術方案2的空間分布如圖10所示。對圖5中的高風險(紅色)區(qū)域采用清挖/處理技術，中等風險(黃色)區(qū)域采用固化/穩(wěn)定技術。

圖10 方案2的空間配置Fig.10 Application of technological set 2 for soil contamination

采用技術方案2后污染物殘余風險因子如圖11所示。居住用地殘余風險等級均為可接受低風險。娛樂用地接受風險修復區(qū)域也達到修復要求。

圖11 方案2的污染物殘余風險分布Fig.11 The residual risk factor classes maps for soil contamination after application of technological set 2

通過殘余風險比較兩套方案的效果，可見固化/穩(wěn)定技術對污染物的去除效率較土壤淋洗技術高，在方案2中，轉(zhuǎn)為低風險區(qū)域的高風險區(qū)域較方案1多，因此方案2的處理效果較方案1好。

2.4 決策分析

利用DESYRE綜合分析不同情景下兩套修復技術方案的環(huán)境影響、費用、時間、風險程度等多種因素［28-33］，居住用地與娛樂用地的兩套修復技術方案的決策評判指數(shù)結(jié)果見表7。

表7 修復方案的決策指標分析結(jié)果Table 7 Estimated decision indexes for the defined remediation scenarios

由表7可見，社會經(jīng)濟指數(shù)顯示居住用地具有高的優(yōu)越性;技術設置質(zhì)量指數(shù)顯示在兩種土地利用方式下方案1最佳;兩種土地利用方式兩套方案的邏輯設置質(zhì)量指數(shù)相同，無明顯差別;殘余風險擴展指數(shù)、殘余風險量指數(shù)、風險擴展減量指數(shù)、風險減量指數(shù)等四種表示風險降低的指數(shù)均顯示在風險減少方面，方案2比方案1好，居住用地比娛樂用地好，這是由于方案2的修復效率較高，殘余風險小;環(huán)境影響指數(shù)是評判專家在充分考慮修復技術應用后產(chǎn)生的影響以及公眾可接受性，兩種土地利用方式下都顯示方案2具有更高的社會優(yōu)越性。兩套修復技術方案具有相同的修復時間;由于居住用地需要修復的面積較娛樂用地大，修復費用也高。決策者可以根據(jù)場地修復目標和經(jīng)濟條件通過評判指數(shù)最終確定修復后的土地利用方式與修復技術方案。

3 結(jié)論與展望

應用結(jié)果表明，該場地以 Pb、Cr、Cd、Hg的污染風險最大，通過比較不同土地利用方式下的社會經(jīng)濟條件，并進一步模擬不同情景下清挖/處理技術與土壤淋洗技術配合應用與清挖/處理技術與土壤固化/穩(wěn)定技術(異位)配合應用兩套修復技術方案的效果表明，從社會經(jīng)濟吸引力來看，居住用地能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益，但是修復成本較娛樂用地高;從減少風險以及環(huán)境影響方面來看，兩套修復技術方案都顯示了較好的優(yōu)越性。

DESYRE模型可以為多領域的專家及決策人員在污染場地修復方面開展相關的科研和決策提供支持，對中國在污染場地管理與科學決策方面有很大的參考價值，未來應致力于將模型內(nèi)部參數(shù)與指標中國化，使之更適用于中國的實際狀況。

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Research of Decision for Contaminated Site Remediation Based on DESYRE Model

ZHANG Hai-bo1，2，ZHANG Lin-bo1，2，LI Dai-qing1，2，CHEN Yang3，PIZZOL Lisa4，5，CRITTO Andrea5，MARCOMINI Antonio5
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.State Environment Protection key Laboratory of Regional Eco-process and Function Assessment，Beijing 100012，China
3.Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
4.Consorzio Venezia Ricerche，Venice I-30175，Italy
5.Department of Environmental Sciences，University Ca'Foscari of Venice，Venice I-30123，Italy

The DESYRE model developed by CVR，Italy was applied to investigate the remediation of a contaminated site in North China.After a comprehensive analysis of the status of pollutant distribution，pollutant toxicity and exposure pathways，the risk level distribution under different land use scenarios were determined.Several good remediation technologies were screened from existing remediation technologies database and the remediation effects were simulated to provide scientific basis for selecting remediation technologies and formulating land use scenario.The results showed that for the site was most suitable for residential and recreation land uses，and the combination of excavation treatment and solidification/stabilization ex-situ technologies was the better for remediation.The DESYRE model could be suitable for sustainable management of contaminated sites in China，although it needs some modifications to adapt to the actual management context in China.

contaminated sites;DESYRE;remediation technology;decision support;land use

X53

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2012.04.053

1674-991X(2012)04-0339-10

2012-04-23

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(200809084);中意環(huán)保合作項目(C/II/S/07/212)

張海博(1986—)，女，碩士，主要從事生態(tài)風險評估研究，fengleshui@126.com

*責任作者:李岱青(1970—)，女，副研究員，主要從事生態(tài)風險評估研究，lidq@craes.org.cn