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复合污染土壤环境安全预测预警研究

吴春发  
【摘要】: 土壤是构成生态系统的基本要素之一,是人类赖以生存与发展的基础性自然资源。我国土壤污染退化比较严重,尤其在经济快速发展的长江三角洲和珠江三角洲地区。据统计全国耕地污染退化面积约占总耕地的1/10,土壤污染退化已经成为环境保护中所面临的最主要问题之一。土壤环境是整个环境系统的一个重要部分,它与水环境、大气环境和生物环境等密切相关。因此,土壤环境安全是整个环境安全的一个重要组成部分,土壤环境安全是保障整个生态环境安全的重要物质基础。近年来,随着土壤环境问题的日益突出,人类生存的土壤环境受到了严重的威胁,土壤环境安全意识的需要被逐渐强化,建立土壤环境安全预测预警系统对典型土壤污染区进行土壤环境安全预测预警已成为保障土壤环境安全的重要举措。我国政府对土壤环境安全预测预警研究十分重视,早在2004年就提出将逐步建立中国土壤环境安全预测预警系统。 本研究在分析土壤污染的危害特征和国内外污染土壤风险管理需求,调查并研究了现有的各种环境安全预测预警体系与预警方法,将富阳研究区土壤污染物浓度预测、各种污染物污染范围界定与污染物源解析、土壤环境质量综合评价与风险评估中关键性问题的研究,与土壤环境安全预测预警体系的建立及土壤环境信息系统的设计与开发紧密地结合在一起。在富阳研究区土壤污染物浓度预测:(1)利用常规统计分析法分析了研究区各种土壤污染物浓度数据的分布特征,研究了高偏倚性且有少数高峰值数据的正态变换方法和空间预测方法,并比较了正态划分克里格法、等级次序克里格法、对数克里格与三角网格联合插值法在此类数据空间预测中的优劣性;(2)研究了利用土壤图单元信息作为辅助信息分区预测土壤重金属污染物浓度,并分析了土壤图单元信息在预测中的作用;(3)研究了单一时相污染物浓度时间预测方法,利用情景预测法预测了2020年研究土壤中重金属污染物含量。 在污染范围界定与污染源初步解析方面:(1)研究了利用污染物浓度空间预测图和污染概率图来联合界定污染物的污染范围,并探讨了如何进行补充采样;(2)利用主成份分析法、Pearson相关分析法和现场调查分析法进一步开展了研究区污染源初步解析研究。 在富阳研究区土壤环境质量综合评价与风险评估方面:(1)研究了现存土壤环境质量评价方法和评价标准的适用范围和不足,改进了范数灰关联法并将其应用于土壤环境质量评价,并研究了如何综合评价土壤环境质量;(2)分别利用Rapant生态风险指数法、Hakanson潜在生态危害指数法和生态风险商法对区内不同时刻的生态风险进行了评估和分级,并对三种分级结果进行了综合;(3)利用健康风险商法评估了土壤污染暴露对儿童、成人和终生的人体健康风险,并研究了污染物浓度空间变异性对评估结果的不确定性影响。 土壤环境安全预测预警可以让人们尽早了解土壤污染的风险,采取有效措施避免或减轻土壤污染对人体和生态的危害。目前,还没有现成的土壤环境安全预测预警体系。本研究在考虑了土壤环境安全预测预警的目标和需求,结合土壤环境研究现状,并参照其它预警体系,在此基础上率先构建了土壤环境安全预测预警体系并设计开发了适合于污染场地土壤环境安全预测预警研究的土壤环境信息系统。该预警体系建立于土壤环境质量综合评价、生态风险评估和人体健康风险评估基础之上,以前面的评价结果和评估结果为预警指标,分别利用单项预警法和综合预警法对土壤环境安全各单项指标和综合状况进行状态预警。并以富阳某污染场址区为例,利用新建的土壤环境安全预警体系和新开发的土壤环境信息系统,对研究区土壤环境安全状况进行预警。现将本研究的主要研究结果归纳如下: (1)污染物浓度数据分析结果表明研究区各种土壤污染物浓度都具有较强的空间变异性,特别是少数污染“热点”区域具有极强的局部变异性;几乎所有重金属污染物浓度数据都具有高偏倚性且有少数高峰值,单独利用数据正态变换和克里格插值法无法得到满意的空间预测结果;数据拆分后,利用对数克里格和三角网格联合插值法可以很好地满足研究区各种污染物浓度数据空间预测需求。此外,我们尝试了利用土壤图单元对重金属污染物进行预测,结果表明该方法可以提高预测精度。 (2)研究区土壤中各种污染物污染范围界定结果表明,当前的网格采样方案还不能满足污染界定的需求,还需对不能确定是否被污染的区域补充采样;2003年研究区内大部分区域都被重金属污染物污染,多种污染物复合污染比较普遍。污染物源解析结果表明土壤铜、锌、铅和镉可能主要来源于当地冶炼业的小高炉所排放的废气、废水和废渣,砷、镍和汞主要来自于成土母质,局部高浓度区可能主要来源于附近的炼铜小高炉。 (3)土壤重金属污染情景预测结果表明,在乐观情景下到2020年研究区各种土壤重金属污染物含量有所下降,但大多数污染物的含量下降不明显;而在无突变情景下到2020年研究区土壤重金属污染物含量将显著升高。 (4)土壤环境质量综合评价结果表明,2003年研究区土壤环境质量比较差,有40%区域土壤环境质量都属于中到重污染级别;在乐观情景下到2020年区内土壤环境质量略有好转,但仍有50%的区域土壤环境质量都属于轻中到重污染;而无突变情景下到2020年区域90%以上土壤环境质量都属于轻到重污染级别。 (5)生态风险评估结果表明,2003年研究区大部分区域生态风险比较大,有68%的区域生态风险都处于中等到严重危害;在乐观情景下到2020年区内生态风险有所下降,仍有近54%的区域处于中等到严重危害,而无突变情景下到2020年区内生态风险进一步增大,有84%的区域处于中等到严重危害。 (6)人体健康风险评估结果表明,2003年研究区人体健康风险等级为极严重危害,在乐观情景下到2020年其降至严重危害,在无突变情景下到2020年仍为极严重危害;人体健康风险评估不确定性分析结果表明,研究区污染物浓度的高度空间变异性直接造成人体健康风险评估结果具有较大的不确定性,从而直接影响健康风险管理决策。 (7)土壤环境安全的综合预警结果表明,2003年研究区有近14.5%的区域警度为巨警,余下区域警度为重警;在乐观情景下到2020年区内主要警度降为中警和重警,其面积分别占总面积的53.5%和43.1%;而在无突变情景下到2020年区内警度为重警和巨警的区域分别占总面积的77.6%和22.4%。 (8)土壤环境信息系统的测试与应用结果表明,新开发的土壤环境信息系统基本可以满足污染场地土壤环境安全预测预警的需求,但仍需改进和完善。 经过三年的研究工作,在下列四个方面取得了创新的研究成果: (1)利用数据拆分法,将污染物浓度数据拆分为反映整体空间变异性和反映热点附近极强局部变异性这两部分,运用对数克里格法和三角网格法分别对其进行插值,基本解决了高偏倚且有少数高峰值数据的空间预测问题。 (2)利用土壤图单元信息辅助土壤重金属污染物浓度预测,改善了对局部空间变异性和高浓度区域空间分布的描述。 (3)在中国首次尝试利用空间预测图和污染概率图联合界定了研究区各污染物的污染范围,并进一步探讨了补充采样的方案。 (4)在中国首次建立了满足污染场地土壤环境安全预测预警需求的预警体系,开发了土壤环境信息系统,并利用该系统对富阳某污染场地的土壤环境安全进行了预测预警。


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