場地重金屬污染與風險評價方法研究進展*

李子陽 李恒凱

(江西理工大學土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和人民生存環(huán)境要求提高，我國加快了城市化、工業(yè)化進程，同時也意味著我國對于礦物資源和水資源的需求等也在急劇增加，加之重金屬有著容易富集、難以降解的特點[1]，造成了我國場地重金屬污染問題。場地重金屬污染是世界性問題，早已成為關注重點[2]。隨著我國供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革等政策的實施，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，產(chǎn)生了大量的因工業(yè)企業(yè)搬遷而留下的重金屬污染場地[3]。我國污染場地(即非農(nóng)業(yè)污染土壤)的數(shù)量在10萬～100萬個[4]，可見場地重金屬污染的治理已是迫在眉睫。

場地污染治理的好壞關系著人們的身體健康以及生態(tài)環(huán)境的保護，具有重大意義。而為了取得更好的污染場地治理效果，對其進行科學有效的污染風險評價是關鍵一步。目前生態(tài)風險評價的方法主要有內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法和地累積指數(shù)法[5]，而對人體健康風險評價由于我國目前還沒有成熟的評價方法，主要是采用歐美國家的評價方法，如RBCA、CLEA和HHER等模型方法。目前場地重金屬污染主要是來源于人為因素，如交通尾氣污染、垃圾污水污染和工業(yè)礦業(yè)污染等[6]。本文對場地重金屬污染來源進行梳理，并從生態(tài)風險評價和健康風險評價兩個角度，對當前的風險評價方法進行了分析，同時結(jié)合當前更為豐富的數(shù)據(jù)采集手段和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提出了在污染大數(shù)據(jù)支持下的場地污染空間量化評價方法，為后續(xù)場地污染治理的方案制定提供依據(jù)。

1 場地重金屬污染來源

1.1 交通污染

交通污染中常見的重金屬污染元素有銅、鋅、鎘、銻、鋇、鎳、鉛、鋇、鉬和錳等。由于機動車輛中的尾氣、車體輪胎與機械的磨損和大氣沉降等原因，重金屬進入土壤后對其周圍生態(tài)環(huán)境以及人類身體健康產(chǎn)生危害[7-8]。

1.2 工業(yè)礦業(yè)污染

由工業(yè)生產(chǎn)活動所產(chǎn)生的重金屬廢渣不經(jīng)過處理便隨意堆放或是埋入土壤中，經(jīng)過長時間雨水侵蝕發(fā)生化學反應，對土壤造成嚴重的污染危害。礦業(yè)開采活動排放的廢氣中的重金屬附著在煙塵中，然后經(jīng)過沉降進入土壤[9-11]。

1.3 垃圾污水污染

當下日常生活中的垃圾和污水也越來越多，如不經(jīng)過處理便隨意將垃圾堆放、埋入土中，或進行污水隨地排放，也會導致垃圾污水中以及煙塵中的重金屬元素向周圍擴散進而釋放到土壤中[12-13]。

2 重金屬污染評價方法

2.1 生態(tài)風險評價

2.1.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)是一種兼顧極值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。在公式中使用了重金屬污染值的最大值和平均值，該方法運算簡單、易懂、意義清晰?？梢匀骘@示各種污染物對土壤的影響，凸顯高濃度污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響[14]。

2.1.2 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

潛在生態(tài)風險指數(shù)法是一種可以反映單個重金屬污染物的污染水平，也可以反映多個重金屬污染物的聯(lián)合效應的相對快速、簡便和標準的方法[15]，是目前土壤、沉積物重金屬生態(tài)風險評價中應用廣泛的評價方法。

2.1.3 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法起源于20世紀60年代末，能用于定量評價沉積物和其他物質(zhì)重金屬污染程度[16-17]。

2.1.4 生態(tài)風險評價方法對比

將3種生態(tài)風險評價方法兩兩比較，可以發(fā)現(xiàn)：內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的評價過程是基于重金屬含量水平，而潛在生態(tài)風險指數(shù)法是基于區(qū)域表層土壤背景值，前者沒有考慮到重金屬特性對土壤環(huán)境影響程度的不同，后者重點體現(xiàn)生物毒性相對較高的重金屬對區(qū)域表層土壤環(huán)境的影響[18]；地累積指數(shù)法可體現(xiàn)重金屬的自然變化特征，還可判別人為活動對環(huán)境的影響，但未考慮不同重金屬毒性效應的差異，而潛在生態(tài)風險指數(shù)法考慮了重金屬的生態(tài)、環(huán)境和毒理效應[19-20]；地累積指數(shù)法考慮到自然成巖作用對背景值的影響，可以直觀地得出單因子重金屬污染狀況，而內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價多種重金屬污染的土壤時，可以得出研究區(qū)域的整體污染狀況[21-22]。3種生態(tài)風險評價方法的適用范圍及優(yōu)缺點見表1。

表1 3種生態(tài)風險評價方法對比

2.2 人體健康風險評價

2.2.1 RBCA模型

RBCA模型不但可以分析污染場地的風險，而且還可以進行基于風險的土壤篩選值和修復目標值制定[29-31]。土壤中重金屬主要由以下方式進入人體：攝食、呼吸、表皮接觸。通過不同方式進入人體的重金屬元素，可根據(jù)其風險類型進行非致癌和致癌風險評價[32]。

2.2.2 HHER模型

HHER模型起初用于評估城市規(guī)劃中土地利用帶來的土壤重金屬風險。該模型能反映潛在污染源對人體的接觸影響，它采用的是“污染來源-路徑-受體”污染框架[33]。

2.2.3 CLEA模型

CLEA模型將污染物對人體或是動物的健康產(chǎn)生的危害效應劃分為閾值效應和非閾值效應，兩者總稱為健康標準值(HCV)。根據(jù)日平均暴露量(CDI)與HCV的比值進行污染物危害程度的評價。

2.2.4 健康風險評價方法比較

RBCA模型、HHER模型和CLEA模型在原理和算法上有許多相同點，如均需計算CDI，輸入的參數(shù)基本相同(包括場地參數(shù)、污染物的毒理學參數(shù)和暴露參數(shù)等)[34]。但在設計上有一定區(qū)別，如RBCA模型是將重金屬污染物分為致癌與非致癌兩類，HHER模型和CLEA模型是對重金屬污染物進行分類；RBCA模型和CLEA模型主要分析土壤重金屬污染物對人體健康的影響，而HHRE模型主要分析土地利用對人體健康的影響[35]。3種健康風險評價方法的適用范圍及優(yōu)缺點見表2。

表2 3種健康風險評價方法對比

3 風險評價方法展望

場地污染是三維空間問題，需要借助三維立體有關方法提高采集數(shù)據(jù)的精度，改進數(shù)據(jù)分析方法，從而對場地重金屬污染進行科學合理的綜合性評價[38-39]，對污染大數(shù)據(jù)進行有效管理[40-41]。由此，污染大數(shù)據(jù)未來應向著信息化、規(guī)范化和拓寬適應性的方向發(fā)展，場地污染大數(shù)據(jù)三維可視化管理和與之結(jié)合的空間量化評價方法將是未來發(fā)展趨勢[42-43]。

從傳統(tǒng)的二維層面轉(zhuǎn)換到三維實體的層面，將采集的多源地質(zhì)數(shù)據(jù)、污染數(shù)據(jù)和采樣點數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中，進行信息化管理，然后根據(jù)不同的場地污染數(shù)據(jù)特征選擇不同的插值方法(克里格法、反距離權(quán)重法等)。陶歡等[44]利用克里格法對苯并(a)芘進行三維空間插值及污染評價。周廷等[45]利用簡單克里格法對砷的污染分布特征進行研究。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的污染數(shù)據(jù)和采樣點數(shù)據(jù)進行三維插值，構(gòu)建地質(zhì)三維污染模型及三維可視化表達，然后結(jié)合風險評估方法及國家有關標準進行污染場地的風險評估，最后制定有針對性的治理方案。這大大提高污染治理的方案制定效率，節(jié)約時間和費用。

應根據(jù)研究區(qū)域、插值數(shù)據(jù)選擇合適的空間插值方法，空間插值方法的不同特征是由方法的假設條件和數(shù)學函數(shù)的差異(如總體/局部、確定性/隨機性、單變量/多變量、精確性/非精確性)導致的[46]。場地重金屬污染常用空間插值方法(克里格法、反距離權(quán)重法)的重要特征[47]見表3。

表3 場地常用空間插值方法比較

相比之下，克里格法具有顯著優(yōu)勢。包括：

(1) 精度高。與其他三維插值模型相比，在場地重金屬污染元素的三維分布預測中克里格法預測的精度更高[48]，有利于提高后續(xù)的污染場地危害評估的精度。

(2) 效率高。該方法通過將采集的污染大數(shù)據(jù)以及評價大數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)進行信息化管理，能利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的調(diào)用以及增刪改查方面的獨特優(yōu)勢。而且在對不同的數(shù)據(jù)進行分析時，可以快速、高效分析出對應的結(jié)果，為后續(xù)的場地污染治理方案節(jié)省時間。

(3) 可視性強。該方法通過將采集的鉆孔數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后生成二維或是三維圖層，還可以根據(jù)污染濃度的不同對圖層進行不同顏色渲染，可以進行多種維度查看，提高了數(shù)據(jù)的可視性[49]。

4 結(jié) 語

當下我國的場地重金屬污染非常嚴重，治理任務繁重。而在治理過程中污染評價是重要一環(huán)，所以對場地重金屬污染的評價方法進行探討具有重要意義。目前國內(nèi)外研究學者對場地重金屬污染主要從生態(tài)和人體健康兩種評價角度進行風險評價，而且每種風險評價都包含多種評價方法，例如生態(tài)風險評價中的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法和地累積指數(shù)法，健康風險評價中的RBCA模型、CLEA模型和HHER模型等。但這些方法除了自身存在缺陷之外，還存在從二維空間量化分析三維污染狀況的問題，導致量化評價的精度和適用性不強。所以對場地重金屬污染量化評價需要結(jié)合三維空間的克里格插值和反距離權(quán)重插值等方法。還應將采集的各種數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中進行有效管理，然后針對相關數(shù)據(jù)進行插值計算提高數(shù)據(jù)精度，構(gòu)造地質(zhì)三維模型提高可視化程度，再結(jié)合生態(tài)風險或是健康風險評價方法進行量化評估，有效提高評價結(jié)果精度。因此，三維可視化數(shù)據(jù)管理和與之結(jié)合的空間量化評價方法可能是未來的發(fā)展趨勢。