金屬礦區(qū)／冶煉場地環(huán)境風險擴散途徑及其關鍵因子識別研究①

安亞男， 萬 勇， 郭朝暉， 曹 杰， 徐 銳， 何 曉

（1.中南大學冶金與環(huán)境學院，湖南 長沙 410083； 2.湖南省環(huán)境保護科學研究院，湖南 長沙 410014）

我國重金屬污染物排放總量處于高位水平，重金屬污染防治形勢依然嚴峻[1］。 金屬礦產采選冶煉過程中造成的土壤重金屬污染嚴重，給周邊環(huán)境及居民健康帶來極大威脅[2-3］。 金屬采選冶煉等活動將重金屬釋放到周邊環(huán)境中，然后通過大氣沉降途徑使重金屬污染物沉積在土壤中[4］。 土壤有機質含量（SOM）、酸堿度（pH 值）、陽離子交換量（CEC）、土壤質地和礦物類型等對土壤中重金屬的遷移擴散具有顯著影響[5］。 在尾礦庫，重金屬以淋濾、風蝕等方式擴散，雨水淋濾是主要污染擴散途徑，因此，地表硬覆蓋情況及地下防滲措施至關重要[6-7］。 掌握影響重金屬遷移途徑的主要影響因子，有助于快速切斷污染物的傳播途徑，對于重金屬污染防治具有重大意義。 因此，研究識別重金屬污染場地環(huán)境風險擴散途徑關鍵環(huán)境因子非常重要。

科學的評估方法是金屬礦區(qū)／冶煉場地環(huán)境風險識別的前提條件。 層次分析法是一種能較好滿足這一需求的方法之一[8］，其基本原理是將區(qū)域劃分系統(tǒng)有關方案的各個要素分解為目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析[9］。 層次分析法被廣泛應用于多種情景下的風險評估[10-13］。 本文將層次分析法應用于金屬礦區(qū)／冶煉場地重金屬污染環(huán)境風險擴散途徑及其關鍵因子識別，利用層次分析法半定量評估22 個環(huán)境因子對重金屬污染環(huán)境風險擴散途徑的影響程度， 建立金屬礦區(qū)／冶煉場地重金屬污染環(huán)境風險擴散途徑因子指標體系并識別影響重金屬遷移途徑的關鍵環(huán)境因子，為金屬礦區(qū)／冶煉行業(yè)場地重金屬污染風險防控提供科學管理依據。

1 研究方法

1.1 研究對象及數據來源

為建立污染途徑環(huán)境因子指標體系，通過Web of Science， Elsevier Science Direct 和中國知網（CNKI）等數據庫，利用“重點行業(yè)”“礦山”“冶煉場地（地塊）”“重金屬污染”“遷移擴散”等關鍵詞獲取文獻，對重金屬遷移途徑信息（擴散方式、影響因子等）進行綜合分析。

以文獻為基礎，以科學性、系統(tǒng)性為原則，建立金屬礦區(qū)／冶煉場地重金屬污染環(huán)境風險擴散途徑環(huán)境因子指標體系。 將目標層設為場地重金屬污染環(huán)境風險；準則層為途徑指標，包括大氣沉降、地表徑流、土壤滲透和膠體負載；指標層為因素指標，包括影響大氣沉降擴散的PM10、風速、主風向、距污染源距離，影響地表徑流擴散的地形、坡度、距地表水距離、年降水量，影響土壤滲透擴散的地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、土壤質地、土壤容重、土壤顆粒密度、土壤孔隙度、地下水埋深、地下水流速，影響膠體負載擴散的SOM、土壤含水率、pH 值、CEC、土壤礦物類型和微生物群落組成等22 個指標。

1.2 分析方法

采用多層次權重分析法（AHP 法）[14］，基于建立的指標層次結構，采用1 ～9 標度法構造判斷矩陣，對同一層次指標進行兩兩比較。 假設A層中的元素B與下一層次中的元素B1，B2，…，Bn有關系，若要分析B層次各元素間對B而言的相對重要性，可以構造如表1 所示的判斷矩陣B。

表1 兩兩比較判斷矩陣B

表2 隨機一致性指標RI 值

然后，采取層次分析法計算指標的權重，并對其進行一致性檢驗，具體計算方法如下：

1） 計算判斷矩陣中每一行元素的乘積Mi：

2） 計算Mi的n次方根Wi：

4） 計算判斷矩陣的最大特征值：

式中B為判斷矩陣；W為權重列向量；Wi為權重向量的第i個分量；n為矩陣階數。

5） 進行一致性檢驗，要求一致性檢驗指標CI≤0.1，CI計算公式為：

當n≥3 時，為消除CI所受階數的影響，還需引入判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI，取CR＝CI／RI，對所構造的判斷矩陣進行一致性檢驗，一般認為CR＜0.1時，判斷矩陣有可接受的一致性，否則需對判斷矩陣進行修正。

1.3 典型案例場地調查與數據分析

以湖南省某大型退役鉛鋅礦為研究區(qū)域，分別選取其中1 個礦區(qū)和1 個冶煉場地為污染源調查研究對象，按距污染源距離0、500、1000、2000 m 環(huán)形采集土壤樣品，每個距離采集4 個土壤樣品，每個土壤樣品由5 個蛇形取樣的0 ～50 cm 表層土壤樣品混合而來，共采集32 個樣品，采樣點如圖1 所示。 土壤樣品用HNO3-HCl-HF 混合酸（5 ∶3 ∶2）進行消解。 通過電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，NexION 2000，PerkinElmer，美國）檢測Cd、Cu、Pb、Zn 總含量。 采用原子熒光光譜儀（AFS-2202E，中國）測定As 總含量。 參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[15］測定SOM、pH 值和其他理化性質。 采用PM2.5測試儀—3016IAQ 測定PM10。 其余環(huán)境因子指標通過現場調查及查閱所在區(qū)域文獻、年報等資料獲取。

圖1 研究區(qū)域及采樣點

采用內梅羅污染指數法對場地土壤重金屬污染狀況進行綜合評價[16］，將得到的土壤綜合污染指數（NIPI）與識別出的場地環(huán)境風險擴散途徑關鍵因子的指標測定值進行相關性分析。 本文參考國家重點行業(yè)企業(yè)用地調查風險篩查與風險分級技術規(guī)定確定的評價指標和評分標準[17］，將地表硬覆蓋情況指標進行量化處理，存在未硬化地面取值0.6，硬化地面有裂縫、破損取值1.8，硬化地面完好取值3.0，無防滲措施取值0.6，有一定防滲措施取值1.8，有全面、完好的防滲措施取值3.0。

2 結果與討論

2.1 評價指標權重確值

根據文獻檢索結果，確定重要途徑為準則層指標、重要因素為指標層指標。 邀請土壤修復專家和相關專業(yè)人員填寫調查問卷，用1～9 的標度法確定各指標的相對重要性，建立兩兩對比的判斷矩陣（見表3）。 因素指標共計22 項，分別屬于大氣沉降、徑流擴散、土壤滲透和膠體負載4 個途徑，類比上述步驟進行權重分配。 然后計算最大特征向量，檢驗各個判斷矩陣的一致性，檢驗結果顯示各個判斷矩陣取值合理，通過一致性檢驗（見表4）。 最終得到目標層、準則層和指標層各因子權重見表5。

表3 場地重金屬污染環(huán)境風險途徑指標判斷矩陣

表4 判斷矩陣一致性檢驗

結果表明，對場地重金屬污染環(huán)境風險影響最大的途徑要素是土壤滲透，其次是大氣沉降，膠體負載和徑流擴散貢獻率較低。 土壤滲透貢獻率最高可能是考慮到重金屬遷移對地下水的影響[18］，研究顯示，工業(yè)企業(yè)場地主要環(huán)境污染途徑為污染物進入土壤和地下水[19］。

對大氣沉降途徑具有顯著影響的因素是距污染源距離以及PM10，權重分別為39.48%和36.78%。 重金屬在大氣中主要通過吸附在顆粒物表面進行遷移[20］，距污染源距離遠近對重金屬遷移能力具有直接影響。對徑流擴散途徑具有主要影響的是距地表水距離和年降水量，權重分別為39.76%和29.29%。 由于部分企業(yè)污水排放以及降雨沖刷等原因，場地距地表水的距離可能直接影響重金屬含量[21］。 對土壤滲透途徑具有顯著影響的是地表硬覆蓋情況和地下防滲措施，權重分別為31.36%和26.05%，其他土壤滲透性指標及地下水埋深、地下水流速等因素貢獻率相當。 這可能是因為重金屬在土壤及地下水中的遷移過程較為復雜[22］。 對膠體負載途徑具有主要影響的是土壤pH值和SOM。 文獻[23］通過實驗室土柱實驗闡明了天然膠體對重金屬遷移的限制作用。 文獻[24］通過對大量沉積物樣品的分析，也證實了土壤pH 值對重金屬形態(tài)轉化的作用。 總的來說，綜合權重大于0.05 的指標有地表硬覆蓋情況、距污染源距離、PM10、地下防滲措施、距地表水距離、SOM 和pH 值，為場地環(huán)境風險擴散途徑的主要因素指標。

2.2 基于典型場地的環(huán)境風險擴散途徑關鍵因子識別

基于篩選得到的主要因素指標，選取2 個典型場地，以湖南省土壤背景值為評價標準，主要評價As、Cd、Pb、Zn、Cu 這5 種具有代表性的重金屬元素含量及關鍵環(huán)境因子數據，運用內梅羅綜合指數法計算其NIPI值，結果如表6 所示。 將篩選出來的關鍵因子實測值與典型場地NIPI 值進行相關性分析，結果如表7 所示。

表6 典型場地NIPI 值及基本情況

表7 NIPI 值與關鍵因子指標測定值相關性分析（n＝32）

由表6 可以看出，不論污染源來自冶煉場地還是礦區(qū)，NIPI 值均隨距污染源距離增加顯著下降，說明距污染源距離對重金屬空間分布具有顯著影響。 然而，冶煉場地NIPI 值高于礦區(qū)場地，這可能是因為冶煉場地重金屬含量較高、遷移性較強。 結合主要評價指標及其場地污染實際情況，在距污染源距離相同的情況下，有防滲措施的場地NIPI 低于未做防滲措施的場地；地表硬化完好的地塊NIPI 值低于未硬化地面的地塊；PM10隨著距污染源距離增加呈下降趨勢，與場地NIPI 值正相關。 礦區(qū)距污染源距離0 m 的4 個采樣點能夠很好地展示土壤pH 值對場地NIPI 值變化的影響，土壤pH 值越高，污染風險越大，進一步表明土壤pH 值與土壤重金屬遷移性之間存在顯著的負相關關系[25］。

由表7 可知，pH 值、SOM、PM10等因子與NIPI 呈正相關關系，距污染源距離、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施與NIPI 呈負相關關系，相關性顯著；距地表水距離與NIPI 相關性不顯著。 這與前人的研究結果大致相符[25］。

綜上所述，距污染源距離、PM10、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、pH 值和SOM 等因子會顯著影響場地土壤重金屬污染環(huán)境風險，是場地環(huán)境風險擴散途徑的關鍵因子。

2.3 關鍵因子相對權重與相關系數擬合驗證

為了進一步驗證場地環(huán)境風險擴散途徑關鍵因子的合理性，用Pearson 相關性結果與獲得的權重值進行歸一化處理，得到關鍵因子與場地NIPI 值的相關系數和相對權重值，距污染源距離、PM10、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、pH 值和SOM 的相關系數分別為0.214、0.178、0.169、0.158、0.147 和0.132，相對權重分別為0.203、0.189、0.213、0.177、0.118 和0.100，將二者進行擬合以驗證篩選得到的指標的科學性，結果如圖2所示。

圖2 相關系數與因子權重擬合結果

由圖2 可知，關鍵因子與場地NIPI 值的相關系數與因子權重擬合效果較好（R2＝0.63），說明基于層次分析法篩選得到的關鍵環(huán)境因子具有一定的代表性，對于類似污染場地環(huán)境風險防控具有一定的參考意義，但其權重值可能會隨場地參數的變化而改變，還需進行更多案例場地的驗證。

2.4 場地重金屬污染環(huán)境風險防控對策

金屬采選冶煉行業(yè)污染場地環(huán)境風險較高，影響范圍較大，對場地進行風險防控十分必要。 基于篩選出的關鍵因子，對金屬礦區(qū)／冶煉場地的風險防控提出如下管控對策與建議。

1） 明確污染風險管控范圍。 研究結果顯示，距污染源500、1000、2000 m 的場地NIPI 值均顯著降低，可以結合場地使用功能屬性選擇管控范圍，一般可以選擇管控半徑500 ～1000 m，對周邊存在其他敏感用地的，則應適當增加管控措施，確保環(huán)境敏感受體不受污染影響。

2） 加強場地污染源頭風險管控。 對于在產企業(yè)地塊，對潛在的污染排放源進行提標改造，對無組織排放源進行密閉或負壓操作改為有組織收集，從源頭削減污染發(fā)生的概率和強度。 同時，開展場地土壤污染隱患排查，完善地塊地表硬化程度和地下防滲措施等，及時有效管控場地污染的潛在環(huán)境風險。 對于關閉搬遷企業(yè)遺留場地，摸清場地污染基本情況，通過污染溯源，明晰場地主要潛在污染源，貫徹“誰污染，誰治理”理念，有序開展污染地塊治理修復或風險管控工作。

3） 建立長效環(huán)境監(jiān)測機制，加大執(zhí)法監(jiān)管力度。對于在產企業(yè)氣型污染和水型污染，建立完善自動監(jiān)測系統(tǒng)，對土壤和地下水采用定期人工監(jiān)測，及時識別污染發(fā)生并有效管控污染風險。 對暫未開發(fā)的遺留場地，在管控好場地污染源的前提下，明確監(jiān)管和監(jiān)測責任主體，定期開展場地土壤重金屬含量及污染風險監(jiān)測工作，最大限度避免污染風險事件的發(fā)生。

3 結論

基于文獻爬取和案例場地調查，系統(tǒng)梳理了場地重金屬污染環(huán)境風險擴散途徑及其關鍵因子，最終確定了22 個關鍵因子指標用以建立層次模型。 層次分析法研究結果表明，大氣沉降和土壤滲透為重金屬污染環(huán)境風險的主要擴散途徑，距污染源距離、PM10、地表硬覆蓋情況、地下防滲措施、土壤pH 值和SOM 為遷移途徑關鍵因子。 在此基礎上，選取2 個典型場地計算其NIPI 值，對關鍵因子和NIPI 值進行相關性分析，因子權重與相關系數擬合效果較好（R2＝0.63），表明篩選出的場地重金屬污染環(huán)境風險擴散途徑及其關鍵因子具有較好的代表性。 最后，提出了基于場地環(huán)境風險擴散途徑及其關鍵因子的預警方案，為金屬礦區(qū)／冶煉場地環(huán)境風險防控提供理論支撐。