重点区域建设用地污染地块特征分析

乔 斐,王锦国,郑诗钰,卫云波,庄 超,杨 栋

重点区域建设用地污染地块特征分析

乔 斐,王锦国*,郑诗钰,卫云波,庄 超,杨 栋

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

以我国工业发展的重点区域京津冀、长三角和珠三角为研究对象,基于2018～2021年纳入《建设用地土壤污染风险管控和修复名录》的共496个污染地块,对其区域分布、土壤和地下水超标污染物特征、污染的行业相关性、场地地质条件等数据进行相关数据统计分析.结果表明:京津冀污染地块主要分布于京津和冀南,长三角污染地块数量最大且分布广,珠三角污染地块则密布于珠江口.整体上土壤污染以重金属-有机复合污染为主(48.43%),地下水则是有机污染占比(42.49%)最大.化学原料及化学品制造业和金属冶炼及延压加工业污染地块风险负荷指数大于0.25,为较高风险;塑料和橡胶制品业、机械制造、金属制品业、电器机械及器材制造业和皮革、皮毛制造业污染地块为中风险,其余行业污染地块为低风险.场地土壤和地下水污染分布与历史行业类型息息相关,如土壤中化学原料及化学品制造业超标污染物种类最复杂,卤代烃(占比12%)和苯系物(占比10.4%)相比其余行业占比更重,地下水中各行业重金属污染和常规指标如氨氮需要关注.土层深度上各类典型污染物最大超标普遍分布在0～5m,整体上重金属最大污染超标深度大于有机污染最大超标深度;土壤性质方面超标污染则更集中于黏性土等低渗透性土层.

重点区域；污染地块；行业类型；地质特征

城市中的建设用地污染地块对人类健康[1]和自然环境产生危害[2],严重阻碍了城市土地的再利用和社会的可持续发展[3].这些地块土壤和地下水中的污染物,包括重金属、VOCs(挥发性有机物)和SVOCs(半挥发性有机物)等,浓度远超过建设用地土壤污染风险管控标准筛选值或相应地下水质量标准[4].越来越多的学者开始关注重点区域污染地块的空间污染水平和健康风险[1,5]问题.京津冀、长三角和珠三角,作为我国工业化发展水平相对较高的三个地区,区域内大量建设用地污染地块亟需调查和修复处理[1,6-9],其作为研究对象具有一定典型性.

由于不同区域土壤及地下水特征等自然条件和工业化水平的差异,其污染地块污染类型和分布不同[1].同时,污染地块的历史行业类型与其污染特征息息相关[10-11],如化工制造业苯系物和多环芳烃污染物突出[12-13]、金属冶炼及延压加工业重金属超标占比更重[14]等.不同场地的土壤岩性和水文地质条件也会对污染物的迁移和分布产生影响[15-16].我国部分区域建设用地污染地块研究多集中于小范围的研究区[17],缺乏区域之间对比性[18-19]且只针对土壤污染[20],对土壤和地下水污染同时研究较少,或是仅针对特征污染物进行研究,比如单独关注重金属[21]或有机物污染[16]特征及其对人类和环境的风险评价.多数建设用地污染地块研究集中于污染物风险和污染程度分析[1,22],极少将前期场地调查、监测、行业特点和污染分布特征结合起来分析.目前,国内缺乏完整的对纳入名录场地信息库的建立[23],因此,将建设用地污染地块地理信息、环境调查信息、污染特征等进行整合,为场地修复工作者、规划者和政策制定者提供数据支撑具有重要意义.

本研究对3个重点区域纳入名录的污染地块的行业类型和污染特征对比分析;从污染地块地质调查和监测为切入分析讨论其特点;结合场地岩性与土壤中主要超标污染物垂向分布进行分析,以期为我国建设用地污染地块的土壤-地下水污染防治和风险管控提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

京津冀:研究对象为北京市、天津市和河北省.属温带季风气候区,整体地势呈西北高、东南低的特征,区域内部自然地理要素齐全.土地资源类型多样,不同地貌单元的土壤类型差异较大.坝上高原区土壤类型主要为钙层土,山地区主要分布淋溶土、半淋溶土、钙层土和初育土,泛滥平原、黄泛平原主要分布半水成土,山前冲积扇地区以淋溶土为主,海积平原则主要发育盐碱土.该地区产业结构复杂,重点行业如化工、冶炼、垃圾填埋场等排放的污染物种类繁多[24].

长三角:研究对象为上海市、江苏省和浙江省.属亚热带湿润季风气候,地貌以平原为主,西部和南部存在山地和丘陵.土壤类型主要有铁铝土、淋溶土、初育土、半水成土、盐碱土和人为土.其中,地带性土壤中黄红壤亚类分布面积最大,而水稻土则以潴育型为主,此外,沿江和沿海地区还有较大面积的灰潮土分布.该地区纺织业、电子设备制造业、交通运输设备制造业、医药制造业发达.

珠三角:研究对象为广东省.属南亚热带湿润季风气候,地貌以丘陵和平原为主.土壤类型以赤红壤、红壤和水稻土为主,赤红壤分布于山地、丘陵地带,红壤分布于低山丘陵盆地,水稻土主要分布于西江、北江、东江、潭江及其支流冲积平原和沿海岸滨海平原.该地区工业行业类别丰富,电子、电气机械和石油化工产业发展迅猛.

1.2 数据来源

收集3个重点区域被生态环保厅纳入《建设用地土壤污染风险管控和修复名录》[25](自名录制定起至2021年底凡是被纳入过的)共496块建设用地污染地块的名称、历史地块行业类型、地理坐标、地层岩性、潜水位埋深、土壤和地下水超标污染物等(部分地块信息收录不全).首先,通过研究区内各省份和直辖市生态环保厅公开的建设用地污染地块名录获取污染地块名称和地理位置分布,再根据地块名称通过相关合作修复单位以及搜索引擎以“xx地块场地环境调查与风险评估报告”或“xx地块修复项目方案报告”为检索内容获取其历史行业信息、地质信息和超标污染物信息.

建设用地污染地块行业类型参考《国民经济行业分类》[26](GB/T 4754-2017)以及《建设用地土壤污染状况调查技术导则》[27](HJ 25.1-2019),将常见污染地块行业类型和对应区域纳入名录污染地块数量进行总结.

1.3 研究方法

对搜集的报告中的不同行业类型污染地块占比、区域分布、污染面积、污染土方量、污染物类型、污染种类、地质特征及其相互关系等进行分析,探讨不同行业的污染特征差异及同一行业的污染共性.

土壤污染风险分析采用污染负荷指数法(PLI)[28]进行评价,对同一行业类型污染地块占比及单位面积污染土方量进行综合表征,各行业负荷指数结果取均值,计算公式:

式中:CF1为同一行业类型污染地块占比,%;CF2为污染地块每平方米调查范围的污染土方量,m³.PLI值越大,地块污染风险水平越高.

聚类分析是一种根据研究对象本身提供的信息将其进行分类的数理统计方法,其实质是按照变量距离的远近将数据分类,在多元统计分析中达到降维的目的.系统聚类的变量可以是连续型变量也可以是分类变量,它的类间距离计算方法和结果表示方法十分丰富.

为进一步对各行业污染地块进行风险归类,采用污染地块占比、生产历史、污染面积及单位面积土壤污染量等数据对各行业进行系统聚类分析,并运用欧氏距离对结果进行风险表征,与污染负荷指数法结合分析,为污染地块分类管理提供参考.

1.4 数据处理

土壤污染物阈值选自《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》[29](GB36600- 2018)规定的第一类或第二类建设用地土壤污染风险筛选值(根据地块未来规划而定),该标准中没有规定的依次参考各地块场调报告中依据的地方标准、《美国环保署区域筛选值》[30](US EPA Regional Screening Levels,Nov.,2020).

地下水污染指标限值参考《地下水质量标准》[31](GB/T 14848-2017)中的地下水质量分类,以第Ⅳ类或第Ⅲ类限值作为阈值(依据场地未来规划而定).对于该标准没有规定的污染物,采用《荷兰土壤及地下水干预值》[32](Circulaire streefwaarden en interventiewaarden bodemsanering,原荷兰住房、空间规划与环境部(Ministry of Housing,Spatial Planning and Environment,VROM,2000))作为阈值.

以上标准中未列出的有毒有害物质,只要检出,即作为关注污染物.分析仅针对污染地块包含的土壤和地下水中超过上述阈值的数据.

采用Microsoft Excel 2016软件对所有数据从多个维度,包括区域、行业类别、各行业典型污染物、特征污染物超标深度等进行汇总整理,采用Origin2019b进行图形绘制.聚类分析采用SPSS 26.0软件完成.

2 结果与讨论

2.1 污染地块行业区域分布

表1 常见地块行业类型及地块数量

由于不同区域、不同行业类型地块存在较大差异,为了把握3个重点区域的污染地块整体现状,首先对行业类型数据完整的462个地块进行行业类型统计(34个地块行业类型数据缺失),参考表1,京津冀、长三角和珠三角地块数量分别为110、285、67.京津冀污染地块的行业类型占比前6依次是化学原料及化学品制造(36.4%)、机械制造(10.9%)、复合行业(9.1%)、电气机械及器材制造(8.2%)、塑料和橡胶制品(6.4%)、金属冶炼及延压加工(5.5%)和炼焦厂(5.5%);长三角污染地块行业类型占比前6依次是化学原料及化学品制造(32.6%)、金属冶炼及延压加工(17.5%)、复合行业(9.8%)、金属制品业(6.3%)、电气机械及器材制造(6.3%)、机械制造(4.9%);珠三角地区占比前5则依次为化学原料及化学品制造(23.9%)、金属冶炼及延压加工(11.9%)、复合行业(11.9%)、塑料和橡胶制品业(10.4%)、金属制品业(7.5%).3个地区污染地块行业类型占比前几的行业大致相同.珠三角相较于长三角和京津冀,塑料和橡胶制品业及金属制品业占比较大;京津冀机械制造、电气机械制造及器材制造业占比较长三角和珠三角大;长三角金属冶炼及延压加工业占比突出.3个地区化学原料及化学品制造业占比均最大.

从图1可知,京津冀污染地块主要分布于京津一带工业区及冀南.长三角污染地块分布广,数量多,杭州湾口和上海地区密度较大.珠三角污染地块则主要密布于珠江口,其余地方零散分布.

图1 污染地块空间分布示意

审图号:GS(2016)2923号

2.2 污染地块污染类型

本次统计数据中具有土壤超标污染物信息和地下水超标污染物信息的地块数量分别为317和225,土壤和地下水超标污染物信息同时包含的地块有200个.参考《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》[29](GB36600-2018),对3个地区纳入名录的污染地块进行污染类别分类(缺少超标污染物信息的地块不纳入下述统计,地下水分类依据同土壤).从表2可以看出,土壤重金属-有机物复合污染场地占比48.43%,有机污染场地占比31.71%,重金属污染场地占19.86%.根据相关研究,重金属-有机物复合污染存在交互作用[33]可能导致污染加剧,二者还可能具有空间相互作用[34],因此需要重点关注.长三角重金属污染、有机物污染、重金属-有机物复合污染场地数量占比均明显多于珠三角和京津冀.总体上地下水有机污染场地占比最大,为42.49%,其次为重金属-有机物复合污染,占比39.38%,最后为重金属污染,占比18.13%.因此,未来污染场地土壤修复和地下水修复应将重点分别放在重金属-有机物复合污染和有机污染物方面,同时需考虑复合污染带来的污染加剧.

表2 土壤和地下水污染类型及地块数量

2.3 地块污染风险表征

对具有详细污染信息的12个行业污染地块采用污染负荷指数法进行风险表征(图3),其余行业具有详细污染信息的地块数小于3,具有偶然性,不予讨论.结果表明,化学原料及化学品制造业和金属冶炼及延压加工业污染风险较大,PLI值均大于0.25,塑料和橡胶制品业、机械制造、金属制品业、电器机械及器材制造和皮革、皮毛制造业的PLI值为0.1～0.2,其余行业PLI值小于0.1.

图3 各行业PLI值分布

进一步采用系统聚类分析对12个行业进行风险等级划分,并通过欧氏距离法呈现(图4).结果表明,聚类分析结果与污染负荷指数结果基本一致,化学原料及化学品制造业污染最为严重,金属冶炼及延压加工业污染风险次之,塑料和橡胶制品业、机械制造、金属制品业、电器机械及器材制造和皮革、皮毛制造业污染风险等级为中风险,其余行业为污染风险等级为低风险.因此,相关人员在进行场地调查和修复时,可以分类管理和对待,如针对低风险历史行业地块,且其生产历史较短,可简化管理,以提高效率.

图4 各行业污染风险系统聚类结果

2.4 各行业土壤和地下水污染物分布

同时具有行业类型和土壤超标污染物数据的场地有265个,同时具有行业类型和地下水超标污染物数据的场地有196个.对污染地块数量占比较大的6个行业进行土壤(图5)和地下水(图6)超标污染物出现频率进行统计,其余行业地块数占比小于5%,数据具有一定偶然性,不进行讨论和分析.

图5 各行业污染地块土壤污染物

图6 各行业污染地块地下水污染物

从图5和图6可以看出,6个行业污染地块相互之间及自身的土壤、地下水污染分布特征差别较大,行业特点明显.

各行业土壤污染中,总体上占比较大的均为PAHs和重金属,其中污染严重的重金属为砷、镍、铅和铜.化学原料及化学品制造业卤代烃和苯系物污染占比较其余行业大.金属冶炼、机械制造、金属制品业和电气机械及器材制造原材料涉及大量重金属,重金属污染特征明显.电气机械及器材制造业汞污染突出,需要留意汞迁移风险[35].金属冶炼及延压加工和金属制品业铜污染则相对突出.各行业中塑料和橡胶制品业PAHs污染占比最大.同时,各个行业TPHs污染也较为突出.需要注意的是化工地块出现的PAEs(邻苯二甲酸酯类)污染物,作为一种难降解、有毒的有机物,逐渐成为环境中广泛存在的污染物[36].

地下水中行业污染特点与土壤差别较大,各行业重金属和常规指标(如氨氮、耗氧量等)超标占比均较大,金属冶炼及延压加工、电气机械及器材制造和金属制品业重金属污染最为突出,总占比均大于40%.化学原料及化学品制造业和塑料及橡胶制品业卤代烃和苯系物污染相对其他行业较为明显.除塑料和橡胶制品业外,其它5个行业重金属主要污染为砷、镍和铅,电气机械及器材制造业还需特别注意锑污染.同时,各行业的TPHs污染占比均超过5%.

因此,实际生产过程中对不同行业地块进行修复应遵循其污染特点,进行区分对待,如化学原料及化学品制造业应着重进行卤代烃和苯系物修复,塑料和橡胶制品业则需重点关注PAHs污染.

2.5 场地调查和监测特征

分析污染地块地质勘探、采样、监测等数据,有助于相关工作人员优化场地调查和监测方案.该研究收集到的具有土壤勘探深度、土壤初步采样深度、土壤补充采样深度和地下水监测井深度数据的污染地块数量分别为62、87、90和88.从图7和图8中可以看出,现场调查过程中土层揭露深度小于10m和介于10～20m的场地数量分别为23处(占比37.1%)和20处(占比32.26%),介于20～30m的有12处(占比19.35%),超过30m的共有7处(占比11.29%),这表明当前我国污染场地现场调查中对土壤的勘探深度基本介于0～30m,在20m附近波动,超过30m的较少.另一方面,现场土壤初查采样深度小于5m的有18处(占比20.69%),介于5～10m的有50处(占比57.47%),超过10m的共有19处(占比21.84%),补充采样深度小于10m的占比83.34%,而10～15m和15～20m的占比为5.56%和10%.同时,现阶段重点区域污染地块地下水监测井建井深度基本在0～20m之间(约占87%),超过20m的约占1/7.且监测井深度因地区不同差异明显,京津冀地区污染地块地下水监测井深度20m以上的较多,最深55m.

地下水位由于气候变化和人类活动影响而产生波动形成的最高水位与最低水位之间的区域叫做地下水位波动带[37].地下水位波动会导致地下水水动力条件发生变化[38],并且可能引起地下水环境条件和地下水水文地球化学作用发生改变[39],进而影响地下水中污染物组分的迁移转化[40].

收集到的场调报告中具有勘察期间地下水位稳定埋深数据的污染地块有87处(图9),缺失相应数据的地块不计入分析.从图9可以看出,所有场地的地下水位埋深最大值不超过50m,其中珠三角和长三角场地地下水位埋深变化范围为0～7.5m,京津冀地区污染地块地下水位埋深不同场地之间差别较大,最深达45.6m,而最浅为9.51m,整体地下水位埋深大于珠三角和长三角地区.

图7 污染地块调查深度分布占比

图8 污染地块勘探-采样-监测深度分布

调查结果表明,补充采样深度和初次采样深度均值基本一致,部分地块补充采样深度大于初次采样深度.补充采样往往是根据初次采样浓度结果来进行密度和深度上的扩充,因此补充采样深度可以作为污染物最大超标深度的侧面反映,表明当前地块初次调查最大深度基本包含了最大污染超标深度,部分污染严重地块需适当增加采样深度.而监测井布置情况与初次采样深度、详细采样深度和水位埋深结合起来分析,京津冀、长三角监测井深度布置大于整体水位埋深和两期采样深度,比较合理,而珠三角地下水监测井深度可适当增加,应尽量大于2期采样深度.

图9 污染地块地下水位埋深变化统计

2.6 主要超标污染物埋深和地质特征

污染地块典型污染物为VOCs、SVOCs、重金属和TPHs,针对这4类污染物,对所有地块土壤污染物超标最大深度进行整理,绘制这几类污染物中占比最大的几种污染物的最大超标深度(图10).从图10可以看出,超筛选值VOCs污染物中,苯污染深度一般在0～4m和6～8m,最大向下污染深度可达18.2m.1,2-二氯乙烷污染深度在0～8m稳定分布,氯仿和乙苯主要分布在0～7m,个别地块污染深度较大.超筛选值SVOCs污染物中,苯并[a]芘污染地块数目最多,污染最深可达16.5m,整体上苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、茚并[1,2,3-cd]芘在0-5m深度范围内稳定分布,最大9m左右.超筛选值重金属污染物中,砷、镍、铅、总铬和铜超标深度整体上稳定在0～4m,砷和铅污染占比较大,二者污染深度最大可达18m和15m.超筛选值TPHs在0～14m深度均有分布,其中0～4m超标地块较多,占比超70%.

图10 污染地块土壤主要超标污染物最大深度统计

图10场地代号与图9不同

提取出同时包含场地概化岩性、潜水位埋深和主要超标污染物最大埋深数据的地块,长三角、珠三角和京津冀分别为9、12、9.绘制图11,其中京津冀潜水位埋深过大未标出.

将岩层、潜水位埋深和主要超标污染物埋深结合起来观察.从土壤深度角度来看,涉及重金属超标的污染地块,最大污染超标深度多集中于0～5m,占比65.4%,且整体上重金属最大污染超标深度大于有机污染最大超标深度.此外,PAHs和苯系物最大超标深度多在潜水位埋深附近,考虑与其不溶于水随地下水迁移有关.区域上京津冀污染地块由于地下水埋深较大,石油烃污染下沉深度较长三角和珠三角石油烃污染地块更大,污染物多集中在包气带中,污染严重时,穿透粉土和卵石层,污染深度较大.

从土壤性质上来看,3个地区场地土层多以粉质黏土和淤泥质黏土等低渗透性岩性为主,整体上回填土深度一般不大于2.5m.京津冀和长三角地区污染场地岩性出现粉质土、砂质土的数量大于珠三角.整体上超标污染物多集中于黏性土中,占比40.3%,另有17.7%污染物最大超标深度位于回填土和黏性土的交界面,说明黏性土的低渗透性对污染物的垂向扩散具有一定阻碍作用[41].

图11 各地区污染场地岩性与超标污染物垂向分布特征

因此,场地调查在深度上需要针对其污染物类型来确定初步采样深度,对0～5m这一深度范围采样间距可以适当加密.土壤性质方面需留意黏性土等低渗透性土层以及回填土和黏性土的交界面.然而需要指出的是,岩性并不是影响污染物垂向分布特征的唯一因素,污染深度还与生产历史、行业主流工艺、厂区管理等息息相关.

3 结论

3.1 京津冀污染地块主要分布于京津和冀南,长三角污染地块数量最大且分布广,珠三角污染地块则密布于珠江口.整体上土壤污染以重金属-有机复合污染为主(48.43%),地下水则是有机污染占比(42.49%)最大,在场地调查和监测过程中土壤和地下水应针对性管理.

3.2 污染地块的土壤和地下水典型污染物与行业类型密不可分,化学原料及化学品制造业卤代烃和苯系物污染严重;电器机械及器材制造业汞污染突出;塑料和橡胶制品业PAHs污染明显;因此实际场地修复时可以参考其历史行业类型选择适宜的修复方法.

3.3 地块污染风险与其行业类型息息相关.其中化学原料及化学品制造业和金属冶炼及延压加工业风险较高,应重点监管.纺织业等低风险行业地块则可以适当简化管理,提高效率.

3.4 各类污染物最大超标深度具有一定规律.整体上0～5m深度污染最为严重,实际采样过程中可以对该深度范围适当加密,此外重金属污染深度较大,对重金属污染场地采样深度应适当增加.

3.5 污染物最大超标深度与土壤性质有关.黏性土的低渗透性对污染物迁移具有一定抑制作用,实际修复过程中应提高黏性土的修复.

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Characterization of contaminated construction sites in key regions.

QIAO Fei, WANG Jin-guo*, ZHENG Shi-yu, WEI Yun-bo, ZHUANG Chao, YANG Dong

(Department of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)., 2022,42(11)：5265～5275

In this paper, three key regions of industrial development in China were investigated(i.e., Beijing-Tianjin-Hebei, Yangtze River Delta and Pearl River Delta regions), based on the 496contaminated sites included in the List of Soil Contamination Risk Control and Remediation of Construction Sites from 2018 to 2021. Statistical analysis was conducted on the regional distribution, soil-groundwater excess contamination characteristics, industry contamination correlation and geological conditions of the sites. The results showed that: The contaminated sites of Beijing-Tianjin-Hebei region were mainly located in Beijing-Tianjin and southern Hebei Province. The number of contaminated sites of Yangtze River Delta is the largest and the sites were widely distributed. The contaminated sites of Pearl River Delta is densely located in the Pearl River Estuary. Generally,soil contamination was dominated by the combined contamination of organic pollutants and heavy metals(48.43%), while groundwater was dominated by organic contamination(42.49%). High risk industries were chemical raw material and chemical manufacturing, metal smelting and rolling processing industry, with the risk load index greater than 0.25. The industry types of medium risk contaminated sites were plastics and rubber products industry, machinery manufacturing, metal products industry, electrical machinery and equipment manufacturing, and leather and fur manufacturing industry. The rest industry types of contaminated sites are low risk. The characteristics of the site soil-groundwater contamination were closely related to the historical industries. For example, the chemical raw materials and chemicals manufacturing industry, having the most diverse contaminations with halogenated hydrocarbons (12% of the total) and benzene (10.4% of the total), accounted for a heavier proportion than the rest of the industries. At the same time, heavy metal contamination in groundwater was serious in all industries, and conventional indicators such as ammonia nitrogen should also be noted. The maximum soil depth of exceedance for all types of typical contaminants was generally 0～5m at soil depth. The maximum soil depth of exceedance for heavy metals was greater than organic contamination. In terms of soil properties, the excess contamination was concentrated in low permeability layers such as clayey soils.

key regions；contaminated site；types of industry；geological features

X508

A

1000-6923(2022)11-5265-11

乔 斐(1998-),男,河南驻马店人,河海大学硕士研究生,主要从事地下水资源与环境和水文地质研究.

2022-04-10

国家重点研发计划项目(2019YFC1804301,2019YFC1804302)

* 责任作者, 教授, wang_jinguo@hhu.edu.cn