污染場地地下水污染風險分級技術方法研究

楊昱，廉新穎，馬志飛，徐翔健，姜永海，彭星，席北斗

中國環境科學研究院國家環境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室，北京 100012

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污染場地地下水污染風險分級技術方法研究

楊昱，廉新穎，馬志飛，徐翔健，姜永海*，彭星，席北斗

中國環境科學研究院國家環境保護地下水污染過程模擬與控制重點實驗室，北京 100012

借鑒國內外地下水污染風險分級方法，綜合分析污染場地對地下水產生風險的關鍵環節，采用層次分析法，從場地本身存在的風險、場地區域地下水固有脆弱性和場地周邊地下水的保護目標特征3個方面，建立了由17個指標構成的污染場地地下水污染風險分級指標體系。在此基礎上，以典型污染場地實地調研結果和159種典型地下水污染物理化特性為數據基礎，對各指標進行了風險水平的劃分，基于聚類分析法，采用各指標風險指數相乘的風險表征方法計算總風險指數，構建了污染場地地下水污染風險分級技術方法。該方法可有效避免指標權重計算的主觀性，并且能夠直觀地反映出導致風險的主要因素。結果表明：利用建立的風險分級技術方法可將我國典型污染場地地下水污染風險劃分為3級，風險小于5為一級，風險在5～15為二級，風險大于15為三級。實際應用于某危險廢物填埋場的結果表明，該危險廢物填埋場地下水污染風險為三級，同時得出場地本身存在的風險，特別是場地特征污染物，是造成該危險廢物填埋場地下水污染風險的主要因素。

污染場地；地下水；指標體系；風險分級

工業化的發展使廢物的排放量不斷增大，進而使地下水的污染日益加重，如廢水的排放、工業廢渣和城市垃圾填埋場的滲漏、石油和化工原料傳輸管線和儲存罐的破損、農業灌溉等都有可能造成地下水的污染[1-2]。由于我國人力、物力及財力的限制，不可能同時對所有的污染場地進行統一的修復，因此，亟需建立科學、合理的污染場地地下水污染風險分級方法，確保具有重大地下水污染風險的污染場地得到優先管理與控制。

目前，國內外關于地下水污染風險的分級方法包括風險指數法、過程模擬法和統計分析法：風險指數法是通過構建表征風險的指標體系，按照特定的評分原則得到分級對象的風險指數[3-8]，如加拿大國家污染場地分級系統(NCSCS)，該系統考慮污染物特征、污染物遷移能力和暴露途徑3個方面，建立全面系統的風險評價指標體系，根據特定的風險值計算方法對污染場地地下水污染風險進行評價[9]，這種方法雖然操作簡單，但在風險值的獲取過程中主觀性較強；過程模擬是在掌握場地基本信息的基礎上，利用成熟的污染物遷移模型和風險評價模型對污染物運移規律進行模擬并對其風險進行評價[10-14]，RBCA和3MRA風險評價模型是目前利用過程模擬法來評價污染場地地下水污染風險的典型模型[15]，該方法科學、客觀，但其計算過程繁瑣并且需要大量模型參數[16]；統計分析法主要是利用聚類分析法把數據分成若干個類別，使類別內部的差異盡可能小，類別間的差異盡量大[17]，聚類分析廣泛地應用于許多行業和領域的風險評價工作中[18-21]，雖然該方法同樣需要大量基礎數據，但其操作較過程模擬法簡便，同時由于運用了科學的數值分析方法，從而降低了風險評價過程中的主觀性。

筆者綜合了風險指數法和聚類分析法，在保持風險評價過程易操作的前提下，基于大量的基礎數據，采用聚類分析的數值分析方法對風險級別及其相應限值進行劃定，建立了適用于我國污染場地地下水污染風險分級技術體系，以期為我國污染場地地下水污染風險管理提供參考。

1 指標體系建立

建立污染場地地下水污染風險分級指標體系是污染場地地下水污染風險進行分級的基礎，遵循科學性、相對獨立性及定量化的原則，在分析影響污染場地對地下水造成污染風險關鍵因素的基礎上，確定污染場地地下水污染風險分級指標體系，包括場地本身存在的風險、場地區域地下水固有脆弱性和場地周邊地下水的保護目標特征3個方面(表1)。

表1 我國典型污染場地地下水污染風險分級指標體系

場地本身存在的風險主要指由于污染場地自身的條件和性質而導致地下水受到污染的風險，包括場地基本情況(場地面積、污染時間和污染源防滲措施)和場地特征污染物的情況(污染物濃度、分配系數、溶解度、半衰期和半致死劑量)。

場地區域地下水固有脆弱性主要反映的是污染物通過土壤-包氣帶介質進入含水層的難易程度，其由眾多因素決定，包括地下水埋深、地形坡度、土壤-包氣帶-含水層介質類別、水力傳導系數及降水入滲補給量。

場地周邊地下水的保護目標主要是指位于地下水流向下游的潛在暴露受體，其類型包括飲用水源地、居民區、河流湖泊、農田等。場地周邊地下水的保護目標特征包括保護目標的類型以及保護目標與污染場地之間的距離。

2 技術體系構建

借鑒風險指數法的思想，利用聚類分析法確定風險分級界限，結合建立的污染場地地下水污染風險分級指標體系，建立污染場地地下水污染風險分級技術方法。

2.1 地下水污染風險初篩

對于進行地下水污染風險分級的污染場地，首先進行風險初篩，篩選條件：1)對污染場地地下水進行監測，監測指標應包含所有特征污染物，按照GB 14848—93《地下水質量標準》[22]中的水質綜合評價方法計算得到的水質綜合評分(F)大于7.20；2)污染場地對人體健康或生態環境造成不良影響，風險水平超過可接受風險水平(10-6)。若滿足其中1項，則直接將其地下水污染風險劃分為一級，即為風險等級最高的級別，進行重點監管；否則進行下一步分級程序。

2.2 污染場地地下水污染風險分級指標量化

通過基礎資料收集和現場調研對污染場地的各項指標進行量化。污染場地本身風險指標，包括：占地面積，m2；運行時間，a；防滲膜(HDPE)厚度，mm；污染物濃度，mgL；分配系數(lgKoc)；溶解度，mgL(20 ℃)；半衰期，h；半致死劑量(LD50)，mgkg。場地區域地下水固有脆弱性指標，包括：地下水埋深，m；降水入滲補給量，mm；含水層介質類別；土壤介質類別；地形坡度，%；包氣帶介質類別；水力傳導系數，md。場地周邊保護目標指標，包括：保護目標的類型；保護目標與污染場地之間的距離，m。

2.3 污染場地地下水污染風險指數表征

基于收集的基礎資料，利用聚類分析法對各指標進行分析，根據每個指標的數值與風險的關系，對其造成的風險進行分級并計算相應限值。在此基礎上利用風險相乘的方法對污染場地地下水污染風險進行綜合評價。

2.3.1 場地本身存在的風險

(1)場地基本情況

我國37個污染場地的場地面積、污染時間以及污染源防滲措施的基礎數據見表2。采用聚類分析的數學方法，利用SPSS軟件對其進行分析，根據聚類分析結果以及場地面積、污染時間以及污染源防滲措施與其造成的地下水污染風險之間的關系將其分為3級(表3)。

表2 污染場地基本情況統計

表3 場地面積、污染時間以及污染源防滲措施的風險分級結果

場地基本情況的風險采用各指標風險相乘的方法表示。

這種風險表征方法既可以避免指標權重計算的主觀性，又可以通過計算得到影響風險的關鍵因素。將所有可能的風險進行聚類，得到場地基本情況風險分級結果，見表4。

表4 場地基本情況風險分級結果

(2)場地特征污染物

采用EPI suite對159種地下水常規污染物和新型污染物的分配系數、溶解度、半衰期和半致死劑量進行數據收集(表5)，采用聚類分析法，并結合各指標與地下水污染風險之間的關系對污染物物化特征進行風險分級，結果見表6。

表5 地下水常規污染物物化特性數據

(續表5)

注：溶解度為物質在20 ℃時的溶解度；半致死劑量為大鼠經口的數值。半衰期列“—”表示該物質不降解；半致死劑量列“—”表示該物質無毒性。

表6 污染物物化特性風險分級結果

注：污染物濃度執行GB 14848—93《地下水質量標準》各類標準限值。

場地特征污染物的風險采用各指標風險相乘表示。得到場地特征污染物風險分級結果見表7。

表7 場地特征污染物風險分級結果

場地本身存在的風險(ra)則由場地基本情況與場地特征污染物風險相乘，得到場地本身存在的風險分級結果見表8。

表8 場地本身存在的風險分級結果

2.3.2 場地區域地下水固有脆弱性

采用美國國家環境保護局提出的DRASTIC模型對區域地下水進行評價[23-25]，模型中考慮的7個指標為地下水埋深、降水入滲補給量、含水層介質、土壤介質、地形坡度、包氣帶介質、水力傳導系數，各指標的評分范圍見表9。

表9 區域地下水脆弱性各指標評分

DRASTIC模型易污性指標對應于7項水文地質參數評價指標評分的加權值，對每個DRASTIC參數給定一個相對權重值，為1～5，以反映各參數的相對重要程度。對地下水污染最具影響的參數權重為5，影響程度最小的參數權重為1。地下水易污性指標(DRASTIC)由下式確定。

DRASTIC=5×D+4×R+3×A+2×S+

1×T+5×I+3×C

式中：D為地下水埋深，m；R為降水入滲補給量，mm；A為含水層介質；S為土壤介質；T為地形坡度，%；I為包氣帶介質；C為水力傳導系數，md。

根據文獻報道[22-23]和課題組前期研究成果，區域地下水脆弱性風險(rb)分級結果見表10。

表10 區域地下水脆弱性風險分級結果

2.3.3 場地周邊地下水的保護目標特征

(1)保護目標類型

通過對我國37個典型污染場地的現場調研和資料收集可知，污染場地周邊地下水的保護目標主要包括居民區(村莊)、飲用水源、河流湖庫、農田等，根據保護目標潛在受體特征將保護目標類型風險分為3級(表11)。

表11 污染場地周邊保護目標類型分級結果

(2)保護目標與污染場地之間的距離

以我國37個典型污染場地的保護目標與污染場地之間的距離為數據基礎(表12)，采用聚類分析法，利用SPSS軟件對其進行分析，按照保護目標與污染場地之間的距離與地下水污染風險之間的關系將其分為3級(表13)。

表12 保護目標與污染場地之間的距離

表13 保護目標與污染場地之間的距離分級結果

場地周邊地下水的保護目標特征風險由保護目標類型與保護目標與污染場地之間的距離風險相乘表示。得到場地周邊地下水的保護目標特征風險(rc)分級結果(表14)。

表14 場地周邊地下水的保護目標特征風險分級結果

2.3.4 污染場地地下水污染風險表征

污染場地地下水污染風險表示為：

r總=ra×rb×rc

2.4 污染場地地下水污染風險分級

根據2.3.4節公式計算得到r總，利用聚類分析法對污染場地地下水污染風險綜合評分進行分析，得到污染場地地下水污染風險分級結果(表15)。

表15 污染場地地下水污染風險分級結果

由表15可知，一級代表污染場地地下水污染風險級別較高，定義為對地下水具有重度污染風險的污染場地；二級代表污染場地地下水污染風險級別中等，定義為對地下水具有中度污染風險的污染場地；三級代表污染場地地下水污染風險級別較低，定義為對地下水具有輕度污染風險的污染場地。

3 案例分析

以我國某危險廢物填埋場基礎資料與現場調研獲得的數據為基礎，利用建立的風險分級方法和篩選出的風險分級指標，對其地下水污染風險進行分級。

3.1 地下水污染風險初篩

對該建成運行的危險廢物填埋場進行現場調研，對其地下水進行取樣監測，按照GB 14848—93[22]中的水質綜合評價方法計算得到F為4.27(<7.20)，且無相關前期研究表明該場地對人體健康或生態環境造成了不良影響，因此，進入下一步分級程序。

3.2 污染場地地下水污染風險分級指標量化

該危險廢物填埋場場地面積為161 277 m2；污染時間為20 a；防滲膜厚度為4 mm。地下水中特征污染物為硝酸鹽，濃度為15 mgL；分配系數(lgKoc)為0.18；溶解度為9.09×104mgL(20 ℃)；半衰期(LD50)為356.5 h；半致死劑量大于5 000 mgkg。填埋場地下水埋深為20 m；降水入滲補給量為213.2 mm；土壤介質為黏土質亞黏土，包氣帶介質為粉砂黏土，含水層介質為粉細砂；水力傳導系數為8 md；地形坡度為2%。該場地保護目標為農田，距離填埋場2 km。

3.3 危險廢物填埋場風險指數確定

(1)場地本身存在的風險。根據計算得到場地基本情況風險為6，為二級風險；場地特征污染物風險為12，為一級風險；ra為2，為一級風險。

(2)場地區域地下水固有脆弱性。根據計算得到DRASTIC為91，為三級風險。

(3)場地周邊地下水的保護目標特征風險。根據計算得到場地周邊地下水的保護目標特征風險為6，為三級風險。

根據計算得到r總為9，為三級風險。結果表明，該危險廢物填埋場屬于對地下水具有輕度污染風險的污染場地。場地本身存在的風險，特別是場地特征污染物，是造成該危險廢物填埋場地下水污染風險的主要風險因子。

4 結論

(1)采用層次分析法，從場地本身存在的風險、場地區域地下水固有脆弱性和場地周邊地下水的保護目標特征風險3個方面，建立了由場地面積、污染時間、污染源防滲措施、污染物濃度、分配系數、溶解度、半衰期、半致死劑量、地下水埋深、降水入滲補給量、含水層介質類別、土壤介質類別、地形坡度、包氣帶介質類別、水力傳導系數、保護目標的類型和保護目標與污染場地之間的距離17個指標構成的污染場地地下水污染風險分級指標體系。

(2)基于聚類分析法，構建了污染場地地下水污染風險分級技術方法，將我國污染場地地下水污染風險劃分為3級，一級為風險小于5，二級為5～15，三級為大于15。

(3)建立的風險分級技術方法，能夠探明造成污染場地地下水污染風險的主要因素，可在一定程度上為環境管理部門提供理論依據和技術支撐。

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Risk ranking technology method on groundwater pollution of contaminated sites

YANG Yu, LIAN Xinying, MA Zhifei, XU Xiangjian, JIANG Yonghai, PENG Xing, XI Beidou

State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Referring to the risk ranking methodology of groundwater contamination both at home and abroad and based on the comprehensive analysis on the key points of the groundwater pollution risk in the contaminated sites, the analytic hierarchy process was applied to establish the risk ranking index system on groundwater pollution of contaminated sites from three aspects, i.e. the contaminated sites properties, the groundwater inherent vulnerability in the contaminated sites region and the characteristics of the groundwater protection target. The risk ranking index system consists of 17 indicators. Based on the survey on contaminated sites and the physical and chemical properties of 159 typical pollutants, the risk level for each indicator was ranked. The total risk index was calculated by multiplying the individual risk indicators, and the method of groundwater pollution of contaminated sites was established by applying the clustering analysis. The method can effectively avoid the subjectivity of index weight calculation, and identify the main factors that lead to the risk. The results showed that the risk of groundwater pollution of contaminated sites could be divided into 3 levels, i.e. the risk value less than 5 (Level 1), between 5 and 15 (Level 2) and greater than 15 (Level 3). By applying the risk assessment system in a hazardous waste landfill, it was shown that the landfill had a potential risk of Level 3, and the properties of the contaminated sites, especially the characteristic pollutant was the main factors that caused the groundwater environmental risk.

contaminated sites; groundwater; index system; risk ranking

2016-07-12

2016年全國地下水基礎環境狀況調查評估(144130012110302)

楊昱(1983—)，女，助理研究員，碩士，主要從事地下水污染風險分級管理研究，yangyugirl@126.com

*責任作者：姜永海(1975—)，男，研究員，博士，主要從事地下水污染控制技術與管理研究，jyhai203@126.com

X523

1674-991X(2017)03-0323-09

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.046

楊昱，廉新穎，馬志飛，等.污染場地地下水污染風險分級技術方法研究 [J].環境工程技術學報,2017,7(3):323-331.

YANG Y, LIAN X Y, MA Z F, et al.Risk ranking technology method on groundwater pollution of contaminated sites[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):323-331.