污染場地地下水環境污染風險分級評價方法研究

徐瑞穎，牛浩博，羅朝暉，陳 堅，劉偉江

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430078；2.生態環境部環境規劃院，北京 100012；3.生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心，北京 100012)

20世紀80年代以來，歐美發達國家逐步將污染場地問題納入國家環境管理體系中，并形成了完整、成熟的污染場地環境污染風險分級管理體系。目前，我國污染場地環境污染風險管理相關的法律法規、相應的評價方法和管理體系已經逐漸建立起來，但在污染場地環境污染風險分級分類管理方面還處于起步階段[1-2]。2017年，為了支撐全國土壤環境污染狀況詳查工作，建立了優先管控名錄，對重點行業出臺了《關閉搬遷企業地塊風險篩查與風險分級技術規定(試行)》。該規定中對污染場地環境污染風險等級評估主要基于初步采樣調查結果，采用“源—途徑—受體”風險三要素的評價方法。與發達國家污染場地環境污染風險分級管理體系相比，該評價方法考慮的因素較少，評價指標賦分方法主觀性較強。另外，污染場地環境污染風險分級分類系統僅僅是一個篩查工具，是否需要采取修復行動還依賴于大量因素[3]。美國環境保護署(EPA)于1995年8月設立了一個由項目專家組成的國家風險優先小組，對污染場地環境污染風險分級評估的方法除了考慮對人體健康和環境風險有關的指標外，還考慮了創新技術、成本延遲、環境正義等指標，該機構利用這些指標評估為超級基金項目中所有新的清潔建設項目確定資金的優先使用次序[4]。由此可見，對于確定污染場地修復的優先順序需要考慮的因素是多途徑、多方面的，我國目前的污染場地環境污染風險分級評價方法仍需進一步改進。

污染場地地下水環境污染風險分級評價的方法主要有迭置指數法、過程模擬法和統計分析法。其中，迭置指數法是通過構建表征污染場地地下水環境污染風險的評價指標體系，按照特定的評分原則得到分級對象的風險指數，并根據風險指數評價污染場地地下水環境污染風險的大小[5-7]，如美國污染場地危害等級打分系統(HRS)、加拿大污染場地國家分級系統(NCSCS)等，該方法考慮指標全面、計算簡單方便，但在確定評價指標權重時存在較強的主觀性，且對污染形成的機理描述得不夠全面[8-9]；過程模擬法通常是基于水流和溶質運移模型，模擬污染物在介質中遷移轉化的時空變化規律[10-11]，如RBCA、3MRA、HERA等模型，該方法對污染物在環境介質中的遷移轉化過程進行了定量化描述，主觀性低，但過程模擬法需要收集大量的參數，操作性較差，對于全國性的污染場地地下水環境污染風險分級分類管理而言不易推廣[12]；統計分析法是基于污染場地地下水監測數據及資料，運用統計學方法(如聚類分析、主成分分析等方法)篩選出地下水環境污染的主要影響因素，并通過回歸方程給出其適當的權重值，該方法避免了專家評判的主觀性，但需要大量的實際數據，其應用受到限制[13-14]。目前污染場地地下水環境污染風險的分級評價方法多采用迭置指數法，但該方法主觀性較強[8-9,15]。為了保證污染場地地下水環境污染風險分級評價過程的易操作性，降低評價指標篩選及權重確定過程中的主觀性，使評價結果更加客觀合理，本文基于迭置指數法并結合層次分析法和靈敏度分析法，構建了污染場地地下水環境污染風險分級評價方法，以期為后續制定綜合、全面的污染場地地下水環境污染風險分級管理方法提供借鑒。

1 研究方法

1.1 評價指標選取方法

土壤中的污染物經淋濾作用進入包氣帶和含水層，可在包氣帶介質和含水層介質中發生各種稀釋衰減作用[11-17]。稀釋衰減模型可對污染物在包氣帶和含水層中釋放的可能性進行定量化描述，如早期用于評估農業區農藥污染地下水脆弱性的衰減因子指數模型——AF、PRZM模型，模型結果的取值范圍為0～1。當模型結果取值為1時，表明土壤中所有污染物都有可能滲入地下水；而當模型結果取值為0時，表明土壤中所有污染物不會滲入地下水[18-19]。姚文鋒[20]采用包氣帶的氮淋溶系數即衰減因子對研究區地下水水質脆弱性進行了評價，結果表明：包氣帶氮淋溶系數越小，則地下水水質脆弱性越低；相反，如果包氣帶氮淋溶系數越大，表明包氣帶中氮素的損失量越少，則地下水水質脆弱性越高。本文選取模擬污染物在土壤中遷移運輸過程的稀釋衰減模型，對土壤中污染物釋放的可能性進行評價。稀釋衰減模型的計算公式如下：

(1)

式中：LF為土壤稀釋衰減因子(g/cm3)；SAM為土壤衰減因子(無量綱)，計算式見公式(2)；LDF為土壤淋濾因子(無量綱)，計算式見公式(3)；Ksw為總土壤-水分配系數(cm3/g)，計算式見公式(4)；BDF為生物衰減因子(無量綱)，計算式見公式(5)；TAF為時間平均因子(無量綱)，計算式見公式(6)。具體計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：L1為污染土層厚度(m)；L2為土壤包氣帶厚度(m)；I為土壤水入滲速率(m/a)；v為地下水流速(m/d)，計算式見公式(7)；δ為地下水混合區厚度(m)；W為污染源寬度(m)；θws為土壤包氣帶孔隙水體積比(無量綱)；Kd為土壤-水分配系數(cm3/g)，計算式見公式(8)；ρb為土壤干容重(g/cm3)；H′為環境溫度下的亨利常數；θas為土壤包氣帶孔隙空氣體積比(無量綱)；λ為一階衰減常數(d-1)；Bw為自由水分配系數(無量綱)，計算式見公式(9)；ED為暴露周期(a)。具體計算公式如下：

v=K×i

(7)

Kd=Koc×foc

(8)

Bw=θws+Kdρb+Hθas

(9)

上式中：K為含水層水力傳導系數(m/d)；i為水力梯度(無量綱)；Koc為有機碳-水分配系數(cm3/g)；foc為土壤有機碳含量(g/g)；H為亨利常數(無量綱)。

模型參數靈敏度分析是描述模型輸入的變化對模型輸出響應的影響程度，在決策分析、風險評估、模型簡化及優化等多個方面得到了廣泛應用[21-24]。由于稀釋衰減模型所含的參數較多且計算過程繁瑣，故本文采用靈敏度分析方法對稀釋衰減模型參數進行分析，識別出主要的影響參數并將其作為污染物釋放可能性評價指標，以此降低指標篩選的主觀性。但由于稀釋衰減模型模擬污染物在環境介質中的遷移轉化過程時對污染源負荷和受體特征等相關要素的考慮不足，故本文通過查閱相關文獻資料并結合已有的研究成果還選取了污染源負荷和受體特征評價指標，最終將污染源負荷、污染物釋放可能性和受體特征三個方面的評價指標加權疊加構建了污染場地地下水環境污染風險分級評價方法，具體思路流程圖見圖1。

1.2 評價指標權重的確定方法

評價指標權重的確定方法主要有專家打分法、層次分析法等[25-26]。其中，專家打分法具有較強的主觀隨意性，客觀性差；層次分析法將相關評價指標按支配關系分成若干層次，對同一層次各評價指標進行兩兩比較，以獲得各評價指標間的相對重要性，但在確定指標相對重要性時仍具有一定的主觀性[27-28]。因此，本文將模型參數的靈敏度分析結果與層次分析法相結合，對靈敏度較高的參數賦予更高的權重，以此來降低評價指標權重確定過程中的主觀性。

1.3 評價指標分級評分方法

各評價指標內部分級值參考相關文獻，優先參考已有評價模型中的評價指標分級，若國內外參考文獻中未有說明，可查閱國內外相關污染因子分級標準，并根據各評價指標實際風險大小且結合專家對評價指標的評分情況進行分級評價，評分值范圍為1～10[25-26,29]。

1.4 總分計算方法

污染場地地下水環境污染風險評價綜合指數的總分計算采用評價指標加權求和法，其計算公式如下：

(10)

式中：m為評價指標的個數(個)；xi為評價指標i的評分值(分)；wi為評價指標i的總權重；R為污染場地地下水環境污染風險評價綜合指數的總分值。

評價結果R取值范圍為1～10分，根據污染場地得分值(R值)將污染場地地下水環境污染風險等間距劃分為以下3個等級：當R值為1～4分時，為低污染風險場地；當R值為4～7分時，為中污染風險場地；當R值為7～10分時，為高污染風險場地。

2 評價指標篩選與風險分級評價方法的構建

2.1 評價指標篩選

2.1.1 污染源負荷和受體特征評價指標選取

污染源負荷指標主要描述污染場地環境污染的嚴重程度，參考國內外污染場地環境污染風險等級評價系統中的指標，選取土壤污染物超標倍數、土壤污染物超標范圍作為污染源負荷評價指標；受體特征指標主要反映受體的易損性，主要參考國內《關閉搬遷企業風險篩查與風險分級技術規定(試行)》中的指標，選取地下水及鄰近地表水利用類型、場地及周邊500 m內人口數量、重點區域離最近敏感點距離作為受體特征指標。土壤污染物超標范圍按最大污染土壤方量計；土壤污染物超標總倍數按下式計算：

早春茬于1月上旬在日光溫室或智能溫室中育苗，2月中下旬定植，4—10月生產；秋延茬6月上旬育苗，7月下旬定植，9月至次年1月生產。

(11)

式中：P為土壤污染物超標總倍數(倍)；Ci為土壤中第i個污染物濃度的實測值，取所有土壤樣品測試數據中的最高值(mg/kg);Coi為土壤中第i個污染物濃度的標準值(mg/kg)，參考《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)中的篩選值；n為土壤中污染物個數(個)。

2.1.2 污染物釋放可能性評價指標選取

局部靈敏度分析方法中參數靈敏度會隨參數初始值位置的變化有較大的波動，從而導致參數靈敏度排序不穩定[30-31]，因此本研究選取區域靈敏度分析方法。根據區域靈敏度分析原理[32-33]，采用蒙特卡洛抽樣方法在各參數區間內(見表1)隨機采樣，計算每組參數對應的輸出結果，即土壤稀釋衰減因子，并取輸出結果的前5%所對應的參數作為可接受參數，利用K-S檢驗分析可接受參數分布與原始參數分布的差異，兩者之間差異越大表明參數的靈敏度越高。若參數的顯著性水平小于0.05[26]，則認為參數的靈敏度顯著。各參數區域靈敏度分析結果，見表2。

表1 稀釋衰減模型參數的取值范圍[34-36]

表2 稀釋衰減模型參數K-S檢驗的統計量和顯著性水平

通過對比各參數的顯著性水平，可得出靈敏度顯著的參數有污染物分配系數(lgKoc)、土壤水入滲速率(I)、一階衰減常數(λ)、未污染土壤厚度(D)、土壤有機碳含量(foc)。

2.2 評價指標權重的確定

首先，通過層次分析法建立污染場地地下水環境污染風險評價的遞階層次結構，共分為三個層次，即目標層、準則層和指標層；然后，結合污染物釋放可能性評價指標的靈敏度分析結果，采用1～9標度法構造判斷矩陣，以判斷矩陣為基礎計算判斷矩陣的特征值及其對應的特征向量，并將特征向量經歸一化處理后，即可得到相應的層次單元排序的相對重要性權重；最后，使用最大特征值和權重向量進行一致性檢驗，由此計算出的各評價指標的權重值，見表3。

表3 污染場地地下水環境污染風險評價指標的權重值

2.3 評價指標分級與評分

污染源負荷評價指標主要參考美國、加拿大等國家污染場地環境污染風險分級分類系統中的指標分級；受體特征評價指標主要參考我國《關閉搬遷企業地塊風險篩查與風險分級技術規定(試行)》中的指標分級；污染物釋放可能性指標主要參考DRASTIC及相關文獻[5,12]中的指標分級。污染場地地下水環境污染風險各評價指標的分級與評分情況，見表4和表5。

表4 污染場地污染源負荷和受體特征評價指標分級與賦分表

表5 污染場地污染物釋放可能性評價指標分級與賦分表

3 案例應用與分析

3.1 污染場地概況與評分

本研究選擇兩個具有代表性的污染場地(案例一為某鉻鹽廠，案例二為某化學原料和化學制品廠)，以污染場地基礎資料與現場調研獲得的數據為基礎，利用構建的污染場地地下水環境污染風險分級評價方法，對案例污染場地的地下水環境污染風險進行了分級評價與驗證。

案例一的某鉻鹽廠主要生產重鉻酸鈉和鉻酸酐等鉻系列產品，該污染場地土壤中主要特征污染物為六價鉻(Cr6+)，由《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)可知，第二類用地土壤中Cr6+的篩選值為5.7 mg/kg，土壤中Cr6+最大濃度值為811.57 mg/kg，按照公式(11)計算該污染場地污染物Cr6+的超標倍數為142.38倍，污染場地污染物Cr6+的超標范圍為2.98×104m3；污染物釋放可能性各評價指標根據該污染場地實際調查報告取值，包括污染物分配系數、未污染土壤厚度、土壤水入滲速率、一階衰減常數和土壤有機碳含量；該污染場地地下水利用類型為居民飲用水，場地及周邊500 m內人口數量約為1 500人，場地最近敏感點為地表水，距場地距離為50 m。按照表4和表5中各評價指標的分級標準對該污染場地各評價指標進行評分，得到該污染場地地下水環境污染風險各評價指標的取值及評分結果，見表6。

表6 案例一污染場地地下水環境污染風險評價指標評分結果

案例二的某化學原料和化學制品廠主要生產色酚AS、間苯二酚、滌綸樹脂等產品，污染主要來源于加工過程中原料、半成品、成品的污染，該污染場地土壤中主要特征污染物為苯、甲苯，土地利用類型為商業用地，由《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)可知，第二類用地土壤中苯、甲苯的篩選值分別為4 mg/kg、1 200 mg/kg，按照公式(11)計算該污染場地污染物的超標倍數為6 659倍，污染場地污染物的超標范圍為1.35×104m3；污染物釋放可能性評價指標取值情況見表7；該污染場地地下水利用類型為不開發，場地及周邊500 m內人口數量較少，約為300人，最近敏感點為居民區，距場地距離為400 m。按照表4和表5中各評價指標的分級標準對該污染場地各評價指標進行評分，得到該污染場地地下水環境污染風險各評價指標的取值及評分結果，見表7。

表7 案例二污染場地地下水環境污染風險評價指標評分結果

3.2 評價結果與分析

根據表6和表7中污染場地各評價指標的評分結果，按照公式(10)計算得到兩個案例污染場地地下水環境污染風險評價綜合指數總分值分別為9.08分、6.35分。此外，采用《關閉搬遷企業地塊風險篩查與風險分級技術規定(試行)》中的評價方法對其進行評價，計算得到兩個案例污染場地地下水環境污染風險評價總分值分別為84.4分、68.9分。結果表明：采用本文評價方法得到案例一污染場地為高污染風險場地，案例二污染場地為中污染風險場地。分析認為：案例一污染場地生產活動時間較長，多年粗放的生產方式導致場地土壤污染嚴重，污染源負荷評價指標的評分值較高，且污染場地距離居民生活區較近，將會對周圍地下水和周邊人群健康造成很大的影響；案例二污染場地土壤污染雖然較為嚴重，但土壤中污染物遷移能力較弱，地下水為不利用，敏感目標較少，故該污染場地地下水環境污染的風險較小。該評價結果與采用《關閉搬遷企業地塊風險篩查與風險分級技術規定(試行)》中評價方法的評價結果基本一致。另外，本文評介方法所選取的評價指標包括污染物本身屬性的指標如污染物分配系數、一階衰減常數等，適用于不同特征污染物場地地下水環境污染的風險評價，并且可有效地減少評價過程中的主觀性，從而驗證了本文所構建的污染場地地下水環境污染風險分析評價方法具有合理性和可靠性。

4 結論與建議

(1) 本文綜合考慮污染源負荷、污染物釋放可能性、受體特征三個方面的因素，采用層次分析法和靈敏度分析法構建了污染場地地下水環境污染風險分級評價方法，有效降低了建立評價指標體系時的主觀性，可為環境管理部門提供理論依據及技術支撐。

(2) 運用本文所構建的污染場地地下水環境污染風險分級評價方法對兩個典型案例污染場地地下水環境污染風險進行了分級評價與驗證，結果表明：案例一污染場地為高污染風險場地，案例二污染場地為中污染風險場地，該評價結果與現有評價方法的評價結果基本一致，且本文構建的評價方法更適用于不同特征污染物場地的地下水環境污染風險分級評價，從而驗證了本文所構建的評價方法具有合理性和可靠性。

(3) 污染場地環境污染風險的分級評價可以根據污染場地環境危害的輕重緩急進行優先區分，以便對不同風險等級的污染場地進行分類管理。國家層面的污染場地環境污染風險分級分類評價體系的構建是一項長期而復雜的系統工程，建議借鑒國外發達國家已有的污染場地環境污染風險分級分類評價體系，采用多種評價方法，并從多途徑、多受體、多方面構建綜合、全面、系統的污染場地環境污染風險分級管理體系。