跨國界流域重金屬污染溯源體系框架初步構建

鄭 軍，張 立，楊常青，魏 亮，國冬梅

跨國界流域重金屬污染溯源體系框架初步構建

鄭 軍1，張 立1，楊常青2，魏 亮1，國冬梅1

(1.中國-東盟環境保護合作中心,北京 100035；2.中日友好環境保護中心,北京 100029)

通過調研國內外水環境污染溯源的主要研究方法,結合我國跨國界流域重金屬污染和監管的現狀,提出構建以空間溯源為主線、行業溯源和成分溯源作為重要補充的跨國界流域重金屬污染溯源技術體系,綜合運用基于最優搜索理論的優化監測排查法、主成分分析和因子分析法,對跨國界流域內的重金屬污染源的空間位置、行業類型及工藝環節等多個方面進行分析定位,旨在為我跨國界流域污染控制和外事協調管理提供重要依據。

跨國界流域；重金屬；污染溯源；最優搜索理念；因子分析；主成分分析；污染控制

跨國界流域重金屬污染是指產生于一國管轄范圍內的重金屬污染物,通過跨國界河流這一介質,在另一國領土范圍內產生環境影響或危害。我國有跨國界河流40多條,涉及19個主要國家[1],邊境地區的發展大多依托當地自然資源,其中重金屬采礦與冶煉加工企業基本分布在邊境流域的上游,潛在重大的重金屬跨境污染風險。2005年“松花江事件”發生至今,從國外政治和談判壓力看,周邊國家對于跨界河流水質的關注已經上升到前所未有的高度[2]。其中,跨國界流域重金屬污染的跨界影響日益受到中外雙方關注,如中俄跨界水體聯合監測中專門就水中和底泥中的砷、汞、鎘、六價鉻和鉛等重金屬污染物進行聯合監測,并擬就溯源分析展開談判；中國和哈薩克斯坦交換的跨界河流水質監測指標中也包括了砷、汞、鎘、六價鉻和鉛等主要重金屬污染物。目前,國內對跨國界河流重金屬污染狀況掌握得較少,還沒有開展系統有效的溯源分析,而對重金屬污染溯源是整個跨國界河流污染防治技術合作與利益協調的基礎和關鍵。

1 國外河流污染溯源概況

“溯源”又稱“源解析”,起源于對大氣顆粒物的識別與解析。發達國家于20世紀六七十年代開始,為了有效控制大氣顆粒物的污染源,逐漸研究、發展了許多用于計算污染源對受體環境貢獻值的計算模型[3]。大氣源解析技術大體可以分為3種:①排放清單；①以污染源為對象的擴散模型；③以污染區域為對象的受體模型。河流水環境的污染溯源研究主要借助了部分大氣污染源解析的擴散和受體模型,如貝葉斯推理法、多元統計、化學質量平衡模型(CMB)[4]等。Simeonov等[5]用主成分分析法、多元線性回歸法解析希臘北部流域水體污染源。

但在實際應用中,發達國家由于建立了系統完整的排放清單,并通過普及自動在線監測設備,建立了完善的水質監測系統,大部分水污染能通過在線監測數據直接查找到污染源。如,美國于1959年開始進行水質自動監測,現有覆蓋全美各河流與水源地超過7000個觀測站點,并且所有站點都與衛星聯網,所有站點全天候監控,并且所有站點2 h前的數據均可在網絡上查到[6]。英國在1975年建成的泰晤士河流水環境監測系統由1個監控中心站和250個子站組成。德國萊茵河各州內部中,北威州有3500個基礎監測站,250個強化監測站,91個趨勢監測站[7]。荷蘭在34000 km2內設置了30000多個水質監測點,密度接近1個/km2[8]。日本在1971年后,由環境廳支持,開始在東京、大阪等地建立水質自動監測系統,至1992年已設置169個水質自動監測站[9]。這些監測站所采用的水質監測設備在應用中逐漸引入了現代尖端微電子技術,如嵌入式微控制器技術,完全實現數據采集、分析和運算的智能化和自動化。因此,在水污染事故發生后,可通過查看在線監測數據迅速開展溯源工作,并且結果準確。

2 國內常見水環境污染溯源方法

我國在環境污染溯源方面的研究主要集中在大氣環境的研究[10-11],而水環境的污染溯源研究起步較晚。在實際工作中,國內水環境的污染源排查比較常用的方法依然是傳統的排查法,即首先通過基礎資料調研與現場勘查確定污染物質與污染范圍,然后對沿河污染源進行現場調查,確定疑似污染源,采集該污染源下游斷面具代表性的水質樣品,進行監測分析,從而確定污染源。傳統的排查法有耗時長,人力、物力、財力消耗大等缺點。鑒于此,國內相關專家也嘗試從其他角度開展污染溯源的理論方法研究。

2.1 基于少量監測數據的水動力學理論反演法

水動力學反演法是指以水動力學理論為基礎,根據當地水文地形、污染指標監測值、污染源分布基本情況等實測數據,從空間上借助數學模型,推算反演污染源的排放強度并定位污染源位置的方法。該方法主要包括遺傳算法(GA)[12]、貝葉斯推理法[13]和正則化法[14]3種。水動力學反演法能在少量幾個污染源的情況下對實際污染源進行精確的回溯與定位,但該法對水文數據的要求較高,計算過程需涉及流速、擴散系數、污染物降解速率等參數。由于我國各跨國界流域水文情勢較為復雜,監測斷面相對不足,并且污染源來源繁多,因此水動力學反演法并未得到廣泛應用。

2.2 基于一定量監測數據的成分比例分析法

成分比例分析法是指在已知若干疑似目標污染源的情況下,通過多元統計、化學質量平衡、源解析受體等模型,推斷各疑似污染源對特征污染元素的污染貢獻比例。該方法主要包括主成分分析/因子分析法[15-16]、化學質量平衡模型(CMB)[17-18]、源解析受體模型(IDNN)[19]3種。其中CMB法曾被美國EPA規定為源解析標準方法。該方法根據質量守恒定律,將各污染源的污染物質乘以沿途消耗系數,再進行線性組合,得出污染區域的污染物質成分譜。CMB法國際認可度較高,但沿途損耗系數的給出需實時更新排放源數據,因此工作量較大。成分比例分析對水文參數的需要較少,但對監測斷面的數量和監測數據有一定的要求,并且要求各污染源之間互不相關,采樣和分析期間變化不大。以上3種方法在國內重金屬的污染溯源中都有所應用[17,20-21]。

2.3 基于大量監測數據的污染源排查法

污染源排查法是指利用現有環保部門的水質監測網,收集大量監測斷面或監測點的環境數據,結合系統科學的分析,反復排查以搜索到最有可能產生污染事件的污染源。該方法包括傳統的監測排查法以及基于最優搜索理論的優化監測排查法2種。基于最優搜索理論的優化監測排查法是劉穎[20]在系統分析我國環境應急監測現狀的基礎上,引入屬于運籌學范疇的最優搜索理論,從目標和搜索資源2個方面優化了流域事故性污染源的搜索體系。

基于最優搜索理論的優化監測排查法的主要過程是:首先在詳細掌握當地污染源分布和管理狀況的基礎上,由專家組對排污口和污染子區域進行劃分,并分類計算不同子區域污染源的出現概率,最后對不同排污子區域提出優化后的監測排查方案[16]。污染源排查法對水文和監測數據要求相對不高,是目前環保部門掌握并應用最多的污染溯源方法,比較適合我國目前重金屬污染的空間溯源工作。筆者認為,根據我國不同流域事故性污染源的特點,運用基于最優搜索理論的優化監測排查法是值得推薦的污染溯源方法。

2.4 基于特殊監測方法的溯源法

這是一種利用同位素[21]、遙感[22]和流場模擬[23]等特殊監測手段的溯源方法。這些方法對監測技術、設備以及技能要求較高,實際應用中需要考慮的因素較多,結果相對粗略。目前這些方法在我國基本停留在理論研究階段,還不具備開展大范圍實踐工作的條件。

2.5 其他輔助方法

其他輔助方法有,通過對比監測點與當地不同背景沉積物中重金屬質量濃度來辨別監測點的重金屬來源途徑的背景值比較法[24]；通過比較各種重金屬之間、重金屬與其他污染指標之間、重金屬與運移載體之間的相關性,辨別污染來源的相關性分析法[25]；將污染物質以及相關離子按濃度繪制成圖,根據圖形特征和當地污染源的特征推斷污染源的繪圖法[26]。以上這些方法基本上都無法獨立給出污染物的確切來源,因此多作為輔助性的溯源方法。

以上5大類污染溯源方法各有特點,其中前3類方法中越靠后的方法所需數據量和獲取難度都越大,得到的結果也越精準。第4類方法則要基于特殊的監測手段,數據獲取的技術難度相較前3種更高,實際應用的案例也更少。而第5類則是輔助性說明方法,基本不能作為獨立的溯源手段判定污染的來源。此外,從在國內的應用層面來看,我國水環境污染溯源技術體系并不成熟,大部分文獻報道屬于學術研究階段,并且也多集中在有機物尤其是多環芳烴(PAHs)的源解析研究,而有關重金屬源解析的學術研究大部分采用第2類成分比例法。究其原因,化合物的含量和成分在污染物來源解析中起到了非常重要的作用,相比有機物污染源成分復雜且多變,重金屬在水體中具有很高的穩定性和難降解性,因此因子分析、CMB、受體模型等基于一定量監測數據的成分比例法是解析無機污染物尤其是重金屬的首選方法。

3 跨國界流域重金屬污染溯源技術體系構建

3.1 跨國界流域重金屬污染溯源技術體系框架

我國跨國界河流水量占所有河川水量27%,雖然對跨境河流的利用率不足5%,但近年來我國對跨境河流的開發利用還是引起了一些周邊國家的爭議[1-2]。相較于內地河流,跨境河流地處邊陲地區,較少受化工類企業的有機污染,而相對較多的礦產資源開發所帶來的重金屬污染以及尾礦庫潰壩風險,使得跨國界河流重金屬污染應急溯源的技術體系構建成為當務之急。

國內在重金屬污染溯源方面也做過大量的研究。從污染物溯源的發展歷程上來看,早期研究方向主要為潛在事故發生源管理、應急管理、自動實時監測與預警、快速響應應急方案等方面,但這些研究大多針對已知(或者疑似)污染源,而針對未知污染源的溯源分析,比較常用的依然為傳統的排查法。而目前我國跨國界河流監測斷面設置相對較少,重金屬實時監測系統的欠缺使得國外的溯源經驗很難為國內借鑒。此外,我國跨界流域水質監測數據和水文參數相對不足,而邊境地區包括尾礦庫在內的疑似重金屬污染源數量眾多,單靠1種溯源方法很難有效準確地達到定位要求,亟須構建從污染源清單建立和比對,到應用分析技術手段回溯驗證的一整套技術體系。

為便于及時而有效地開展跨國界流域重金屬污染溯源,必須構建跨國界流域重金屬污染溯源技術體系框架(圖1)。首先以當地涉重金屬污染源排放清單初篩為基礎,從空間、行業和成分3個角度入手,并以空間溯源為主線,行業溯源和成分溯源為重要補充,綜合運用基于最優搜索理論的優化監測排查法、主成分分析法和因子分析法,實現對跨國界流域內重金屬污染源的空間位置、行業類型及工藝環節等多個方面進行逐步回溯、定位的目的。

圖1 跨國界流域重金屬污染溯源技術體系框架

3.2 空間溯源是跨界水污染溯源的重點和定責前提

空間溯源就是要找出污染源的具體位置,并明確重金屬污染源來自自然源還是人為產生,這是有關跨境雙方污染溯源追責的首要前提。目前我國環保部門普遍使用傳統監測排查法。優化監測排查法是在傳統監測排查法基礎上改進而來,容易為地方環保部門所掌握和使用,因而推薦將其作為地方環保部門空間溯源的主要方法。下一步應按照不同行政區劃、受納跨界水體的具體河段開展優化監測排查的研究與示范工作。此外,背景值比較法是開展空間溯源的重要輔助方法,該方法結合不同歷史時期以及當地背景土壤、礦石重金屬含量的數據,用以區分污染的自然源和人為源屬性,尤其是針對原生地質條件中重金屬含量較高地區,可以較好地幫助分析污染的來源情況。

3.3 行業溯源和成分溯源是空間溯源的重要補充

行業溯源指通過調查掌握邊境地區各類環境質量統計數據,采用主成分分析法或因子分析法分析涉重金屬污染源排放數據,判斷各河段內相關重金屬因子的主要行業來源。行業溯源輔以相關性分析方法,從兩兩之間尋找關聯性,提高行業溯源的準確性。成分溯源是在行業溯源基礎上找出該類重金屬污染有可能指向的具體生產工藝環節。成分溯源推薦因子分析法作為主要方法,通過對特定重金屬的不同形態、價態的分析,找出產生該類重金屬污染現象的具體工藝環節。輔助方法為繪圖法,即將河流重金屬及其相關離子濃度繪制成圖,根據圖形特征和污染源特征比對,推斷生產工藝的重金屬污染來源。

4 總結與展望

跨國界水環境污染問題事關國家政治外交大局,水污染溯源體系的構建與應用對污染防治和跨界水糾紛的解決具有重要意義。目前由于國內的水質實時監測系統并不完善,適合我國國情的各類排放源成分譜數據庫還沒有建立起來,因此污染溯源方法并不能直接借用國外的經驗,應盡快探索構建一套適合我國國情的水污染溯源技術體系。我國跨國界流域內的重金屬污染潛在影響較大,亟須加強邊界流域內涉重企業重大風險源的調查與篩選工作,建立流域重金屬污染排放源清單。與此同時,借助調查采樣與數據分析,綜合運用空間溯源、行業溯源和成分溯源的流域重金屬污染溯源技術體系,對跨國界流域內重金屬污染源的空間位置、行業類型及工藝環節等多個方面進行定位,逐步縮小回溯范圍,為重金屬溯源以及判斷污染的發展趨勢提供參考,也為跨國界水矛盾的調處提供科學基礎。

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Initial fram ework construction of sources identification system of heavy m etal pollution in trans-boundary river basin

ZHENG Jun1,ZHANG Li1,YANG Changqing2,WEI Liang1,GUO Dongmei1
(1.China-ASEAN Environmental Cooperation Center,Beijing 100035,China；2.Sino-Japan Friendship Centre for Environmental Protection,Beijing 100029,China)

Based on investigation of the internal and external research on water pollution source identification methods,combined with heavymetal pollution and regulatory status of trans-boundary river,a framework of sources identification for heavy metal pollution in Chinese trans-boundary water was constructed,which regards space identification as the main line,industry and component identification methods as the important supplementary. Optimization ofmonitoring investigation method based on optimal search theory,principal component analysis and factor analysis was applied to identify the comprehensive locating of the spatial position,industry type and process of heavymetal pollution sources in the trans-boundary river,which provides a scientific basis for trans-boundary water pollution control and foreign coordination.

trans-boundary river；heavy metal；pollution sources identification；optimal search theory；factor analysis；principal component analysis；pollution control

X501

：A

：1004 6933(2015)06 0057 05

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.009

2015 08 15 編輯:彭桃英)

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07503-004-03)；環保公益性行業科研專項(201009040)

鄭軍(1982—),男,工程師,博士,主要從事跨國界環境問題研究。E-mail:zheng.jun@chinaaseanenv.org