建设用地土壤污染全生命周期信息化管理研究及应用

2022-03-12肖建华彭汉发刘传逢徐德馨刘顺昌

资源环境与工程 2022年1期

肖建华，彭汉发，刘传逢，徐德馨*，刘顺昌

(1.武汉市规划编制研究和展示中心，湖北武汉 430014； 2.武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

根据《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国土壤污染防治法》，对于有土壤污染风险的建设用地地块，地方人民政府生态环境主管部门应当要求土地使用权人按照规定进行土壤污染状况调查；用途变更为住宅、公共管理与公共服务用地的，变更前也应当按照规定进行土壤污染状况调查。

用地地块环境对于城市安全具有很重大的意义，毒地事件时有发生，对城市安全和社会环境造成了很多不良影响[1-2]。在众多环境问题中，土壤污染更具隐蔽性，如果长期得不到妥善治理，可能会造成难于逆转的生态负面效应[3-8]。土壤污染修复治理有多个工作阶段，其工作往往不是由一家单位承担的，如果没有很好地把各个阶段的资料管理起来，轻则造成信息传递效率低下，重则造成信息不对称及不必要的损失。针对建设用地污染修复治理某些阶段工作方法、技术手段等方面的研究成果较多，但针对全生命周期开展信息化管理的研究还不多见。为了彻底防止土壤污染对环境造成不利影响事件的发生，非常有必要开展建设用地地块污染修复治理全生命周期的信息化管理，让每一块地在规划、建设过程中的每一个环节都是透明的，让每一块地都被干净地使用，这是一个迫切且很有意义的事情。本文针对建设用地土壤污染全生命周期信息化管理开展分析研究，提出一套信息化管理方法，作为高效解决这个问题的方案。

1 建设用地土壤污染风险管控和修复监测过程

建设用地土壤污染风险管控和修复监测工作大致可分为六个阶段，分别是：污染调查(根据工作情况可细分为三个阶段，在不同情况下可以合并，总的工作内容不会相差很大)、风险评估、修复治理设计、修复治理施工、修复效果评估、环境监测[9-15]。

1.1 污染调查

污染调查可细分为三个阶段。第一阶段是以资料收集、现场踏勘和人员访谈为主的污染识别阶段，原则上不进行现场采样分析。若第一阶段调查确认地块内及周围区域在当前和历史上均无可能的污染源，则认为地块的环境状况可以被接受，调查活动可以结束。第二阶段是以采样与分析为主的污染证实阶段。若第一阶段土壤污染状况调查表明地块内或周围区域存在可能的污染源，以及由于资料缺失等原因造成无法排除地块内外存在污染源时，进行第二阶段土壤污染状况调查，确定污染物种类、浓度(程度)和空间分布。第三阶段以补充采样和测试为主，获得满足风险评估及土壤和地下水修复所需的参数。本阶段的调查工作可单独进行，也可在第二阶段调查过程中同时开展。

1.2 风险评估

在土壤污染状况调查的基础上，开展危害识别、暴露评估、毒性评估、风险表征，以及土壤和地下水风险控制值的计算，评估污染物对人体健康的致癌风险或危害水平。

1.3 修复治理设计

在分析前期土壤污染状况调查和风险评估资料的基础上，根据地块特征条件、目标污染物、修复目标、修复范围和修复时间长短，选择确定地块修复总体思路。根据地块的具体情况，按照确定的修复模式，筛选实用的土壤修复技术，开展必要的实验室小试和现场中试，或对土壤修复技术应用案例进行分析，从适用条件、土壤修复效果、成本和环境安全性等方面进行评估。根据修复技术，制订土壤修复技术路线，确定土壤修复技术的工艺参数，估算地块土壤修复的工程量，提出初步修复方案。从主要技术指标、修复工程费用以及二次污染防治措施等方面进行方案可行性比选，确定经济、实用和可行的修复方案。

1.4 修复治理施工

按照修复治理设计方案进行施工方案编制并组织施工，施工过程中不断反馈，得到最优的施工管理和施工组织安排。

1.5 修复效果评估

通过资料回顾与现场踏勘、布点采样与实验室检测，综合评估地块修复是否达到规定要求或地块风险是否达到可接受水平。在地块治理修复工程完成后，考核和评价地块是否达到已确定的修复目标及工程设计所提出的相关要求。

1.6 环境监测

在地块修复治理过程中，针对各项治理修复技术措施的实施效果所开展的相关监测，包括治理修复过程中涉及环境保护的工程质量监测和二次污染物排放监测，同时也包括为评价治理修复后地块对土壤、地下水、地表水及环境空气的影响所进行的监测，是针对地块长期原位治理修复工程措施效果开展的验证性监测。

2 全生命周期信息化管理

污染场地各个阶段的工作可能由不同的单位来实施，全过程中纸质资料和电子数据未能进行信息化管理，不利于地块所有者进行有效管理和监督。为了使一个地块风险管控全过程能得到高效地管理和监督，提高治理的效率和效果，使地块能够快速开发和利用，采取全生命周期信息化管理和支撑就很有必要。全生命周期信息化管理和支撑内容如表1所示。

表1 全生命周期信息化管理和支撑内容Table 1 Support content and information management of life cycle

2.1 地质环境信息化管理

基于地质大数据中心的海量地质数据，选取与地块土壤污染相关的地质信息，作为地块的地质概况信息，主要包括工程地质、水文地质、地球化学等数据。收集重点企业一期一档资料和棕地调查资料，进行数据建库和信息化管理(图1)，是地质环境信息化管理的重要内容。

2.2 建设用地地块信息化管理

针对建设用地地块项目详情,包括项目名称、地理位置、委托单位、项目金额、主管单位、项目现场照片、设计方案图纸、评估报告、档案资料等进行信息化管理(图2)，每一个阶段的信息纳入过程管理。

2.3 各阶段信息化管理与支撑

(1) 调查阶段。第一阶段主要是对调查地块的概况信息进行管理，包括地块及周围区域的现状与历史情况及是否有可能受污染物影响的场所、相邻地块的使用现状与历史情况等方面，实现数据集成管理、查询、统计、报表等功能；基于相关规范要求，实现第一阶段污染状况初步调查报告自动生成等功能。

第二阶段主要是对调查报告、相关成果图件、现场记录照片、现场探测记录、监测井建设记录、实验室报告、质量控制结果等进行信息化管理，实现调查取样点信息化和二维、三维一体化展示；对取样检测结果进行

图1 地质环境信息化管理示意图Fig.1 Schematic diagram of geological environment information management

图2 全生命周期管理系统地块信息化管理示意图Fig.2 Schematic diagram of the whole life cycle management system block information management

管理，与地表土壤54个元素、地表水与地下水单元素地球化学背景值比对，初步判断是否需要进一步开展详细调查工作。整理调查信息和检测结果，评估检测数据的质量，分析数据的有效性和充分性，确定是否需要补充采样分析等。优先选用参考文献[7]中第一类用地筛选值进行评价,对于该标准中均没有的污染物，如总磷等,则选用背景值进行评价。利用取样分析结果，建立污染物三维属性模型，实现三维可视化的管理、分析和计算。建设用地土壤中污染物含量等于或低于风险筛选值的，土壤污染风险一般情况下可以忽略；高于风险筛选值但低于土壤环境背景值的，不纳入污染地块管理；高于风险筛选值也高于土壤环境背景值的，应当按照相关技术要求开展详细调查。详细调查后土壤中污染物含量高于风险管制值的，应当采取风险管控或修复措施；低于或等于风险管制值的，应当开展风险评估，确定风险水平，判断是否采取风险管控或修复措施。

第三阶段主要是实现调查取样点信息化管理、二维与三维一体化展示、取样检测结果管理。根据补充取样结果，进一步完善三维污染属性模型，进行三维可视化展示，为修复治理设计提供参考；集成管理第三阶段污染调查报告、相关成果图件、相关现场记录等。

(2) 风险评估。主要是集成管理风险评估报告。

(3) 修复治理设计。基于污染物三维属性模型，精确计算污染物体积和位置，为修复治理设计提供靶向治疗效果；结合水文地质、工程地质、环境地质等地质信息，可开展污染物渗漏、封阻方面的判断，为治理设计修复方案选型提供服务；集成管理修复治理设计报告和相关成果图件。

(4) 修复治理施工。基于管理的修复治理设计报告、相关成果图件和三维污染物属性模型，为修复治理施工提供三维可视化的方案，更加精准地计算工程量，控制施工造价；对修复治理工程开展工程进度管理，便于掌握项目进度；对施工方案和相关图件进行信息化管理。

(5) 修复效果评估。结合前期污染物三维属性模型，对治理重点位置进行评估，并对评估阶段的数据、报告等进行信息化管理。

(6) 环境监测。根据前期资料，以二维、三维一体化的方式对环境监测点进行可视化管理，实现监测数据查询、统计、分析、报表及预警等功能。

3 应用案例

选取一个实际工程案例，结合全生命周期信息化管理的成果，重点展示三维可视化属性模型应用效果。

3.1 项目概况

厂区最初为金属铝的冶炼生产，面积约0.1 km2。通过查阅文献、人员访谈与厂区历史卫星影像图，初步判断厂区东北与东南区域为生产工艺的电极原材料碳素的堆存区，厂区中心线以西为电解铝的生产车间，厂区最南边为办公生活区。该厂生产金属铝采用电解铝工艺及冰晶石—氧化铝熔盐电解法。熔融冰晶石为溶剂，氧化铝为溶质，以碳素体作为阳极、铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950～970℃下电解槽内的两极进行电化学反应。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘。

本次场地环境调查共布设31个土壤采样点，采集样品129个，对Cr6+、As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni、Zn、Mn、F、有机质、pH等13项指标进行样品测试。根据样品检测数据判断该厂主要污染物为氟化物，有62.8%的采样点氟含量超过厂区周边土壤环境中氟元素的背景值。采用单因子污染指数法，通过EVS三维建模软件，建立厂区三维地质和三维氟化物污染指数属性模型[16-18]。根据不同层位氟化物分布情况及其对应的地层情况，分析氟化物在厂区内污染扩散规律，并对下一步污染修复治理提出建议，为污染场地再开发利用提供决策依据。

3.2 调查取样

本次调查结合专业布点法和系统布点法，于厂区内部署31个钻孔点，共计采集土壤样品129个，根据样品检测数据判断该厂主要污染物为重金属及氟化物等，各污染物监测结果见表2。

表2 厂区土壤中各物质含量一览表(mg/kg)Table 2 List of soil substance contents in factory area

结合用地类型，以参考文献[7]中Ⅱ类用地标准风险筛选值为评价标准，结果129个土壤样品的各种污染物含量均未超标，处于安全水平；厂区主要污染物氟含量在335.28～18 190.10 mg/kg范围内，其中有62.8%的采样点氟含量超过厂区周边土壤环境中氟元素的背景均值674.79 mg/kg(厂区周边土壤环境中氟元素的背景均值数据来源于“武汉城市地质调查(2012—2015)”项目成果)。

整体来看，土壤中氟含量有明显累积趋势，重金属含量均达到建设用地标准，但不符合居民用地对重金属的要求，判定研究区内土壤环境质量已经受到了原有生产过程的影响。

3.3 三维属性模型建模

氟化物是电解铝行业最主要的污染物，用EVS(Earth Volumetric Studio)软件建立厂区土壤氟含量三维属性模型及剖面图如图3、图4所示。可以发现，随着采样深度的增加，土壤中氟(元素符号F)的均值含量在垂直方向上呈现出先增加后减少再逐渐趋于稳定的特征。

图3 土壤氟污染指数属性模型Fig.3 Attribute model of soil fluorine pollution index

图4 土壤氟含量剖面图Fig.4 Profile of soil fluorine content

3.4 污染空间分析

对比不同层位氟污染物的分布特征如图5、图6所示，发现随着深度的增加，不同层位土壤中受氟污染的面积呈现出逐渐增大的特征，证实该场地内进入到土壤中的氟元素存在着向深层土壤或地下水迁移的风险。

在深度为-0.5 m层位，79.87%的区域呈现出无污染的特征;中度污染区域面积为1 809 m2，占厂区总面积的1.74%；轻度、轻微污染区域面积分别为4 805、14 321 m2，分别占厂区总面积的4.62%、13.77%。推测造成上述分布特征的主要原因可能是由于该场地关停时间长达15年之久，长时间的大气降水引起的淋滤过程促使具有亲水特性的氟元素向深层土壤迁移；厂内构筑物的清理以及厂区关停后一段时间内曾经作为汽车停车场使用，使场地表层土壤受到剧烈扰动，致使厂区上部土壤均为杂填土，其污染程度较为清洁。

图5 厂区三维地质模型与氟污染指数属性混合模型Fig.5 The mixed model of three-dimensional geological modeland fluorine pollution index attribute of plant area

图6 不同深度层位土壤氟污染指数分布特征Fig.6 Distribution characteristics of soil fluorinepollution index in different depths

在深度为-2.5 m层位,土壤中受氟污染的区域面积显著增加，其中重度污染面积达到8.43%，呈现出散点分布特征；轻微和轻度污染区域面积达到场地面积的58.57%，其中心点位为原厂区核心工艺装置电解池中阴极碳渣的露天堆放处。经过长时间的自然风化和雨水淋滤作用后，碳渣表面吸附的大量阴离子，包括氟离子等通过解析过程进入至相邻区域土壤中，并随土壤中水份经土壤孔隙通道向深层土壤迁移。实地钻孔采样中发现该区域-0.5～2.5 m层位处土壤中均呈现黑色，推测厂区东南边界处的重度污染是由于厂区在生产工艺更新和厂区改建等活动过程中，翻动地下土壤造成堆放区的碳渣被埋，从而对土壤造成污染。

在深度为-4.5 m层位,土壤中的污染区域面积增大，达到19.61%;在-6.5 m层位,土壤中的污染区域面积进一步增大，且在场地中心地带形成了明显的连片区。通过对比场地地层性质，发现本研究区土壤性质相对简单，基本分为杂填土和粉质黏土两类，并且氟元素含量的最大值主要集中在土壤性质发生变化区域，表明随采样深度的增加土壤中的氟元素在粉质黏土层阻隔作用下聚积于该层位。

将污染物三维属性模型与常规二维设计方法进行对比，其分布形态规律是一致的，三维属性模型结果比常规二维设计计算更精准、更直观。由于篇幅原因，本文不列出对比结果。

吸附是土壤积累氟的一种重要方式。目前，氟污染土壤修复技术研究主要包括化学固定修复技术、化学淋洗技术、电动修复技术和植物修复技术。综合考虑各修复技术所需的工程量、经济、技术条件要求以及本项目场地污染物的污染程度和范围等多方面因素后，建议后期土壤修复工程使用阻隔填埋法。