[0001]
本发明涉及地下水环境评价和修复领域，更具体地涉及一种垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定方法及系统。
背景技术：[0002]
随着经济的发展，城市生活垃圾急剧增加。垃圾在填埋过程中产生大量的垃圾渗滤液，如果处理不当会产生渗漏，进而污染环境。我国早期的一些生活垃圾填埋场没有采用或者仅采用简单的防渗处理设施，在运行期间不能避免渗滤液发生渗漏，对土壤和地下水都会造成一定的风险。虽然目前我国的部分生活垃圾卫生填埋场在结构设计上采取了防渗、压实、覆盖和收集系统等环境保护工程措施，但是由于填埋场的填埋高差大，产气量多，渗滤液污染物复杂等一些特性，还是会对填埋场的安全运行构成潜在威胁，存在一定的环境风险。目前对如何解决垃圾填埋场污染地下水的修复问题的需求日益提高，关于地下水修复成为近年来的研究热点，而修复应进行到何种程度，目前没有合适的标准。
[0003]
自上个世纪开始，世界各国已经兴起了对污染场地、地下水和土壤等的修复标准和阈值研究，地下水污染的修复标准是以饮用水中化学物质的最大污染水平以及非强制性的基于感官考虑的水质标准等现有标准为依据，在进行毒理分析、污染风险评价等基础上制定的。但是世界各国的地下水污染物修复标准和阈值差异很大。
[0004]
我国要建立地下水有机污染修复标准，是完全照搬国外标准还是根据国情，从污染组分选择、分析检测方法、修复标准实施等方面综合考虑，是一个两难的选择。从理想角度出发，凡是在我国地下水中出现过的污染物都应该严格限制，并且其在地下水中的浓度越低越好。但由于我国仍然是一个发展中国家，经济实力还不雄厚，考虑到人居环境安全、污染场地面积和修复成本，应综合污染物的特性、污染场地的环境特征和周围潜在的污染受体暴露水平采用不同的风险水平值，而不是一视同仁的保守推算，增加场地修复的成本和难度。因此，如何既能减少污染物对地下水的影响，保护环境和居民身体健康，又能经济节约、不给我国经济发展带来沉重负担，就是当前科研工作者迫切需要解决的技术问题。
技术实现要素：[0005]
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定方法及系统，以期至少部分地解决上述技术问题，为填埋场造成的地下水污染修复工作提供指导和依据。
[0006]
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1，对垃圾填埋场及其集水范围内的受体进行调查，分析填埋场特征、潜在的污染受体、地质条件，建立包括填埋场污染特征、受体暴露水平和含水层特性三部分的初级评价体系，采用层次分析法确定上述各指标的权重，从而计算填埋场的风险指数，通过建立垃圾填埋场地下水污染风险初级评价体系，根据其风险指数将垃圾填埋场风险等级划分为
高、中、低3个不同级别；
[0008]
步骤2，在所有潜在污染受体当中，选取水力梯度下游最敏感的受体作为评价点，对风险等级为中级和高级的填埋场，采用评价点目标浓度法制定其修复阈值；其中，对于风险等级为中级的填埋场，采用评价点处的背景浓度或者相应的环境标准作为评价点的目标浓度；对于风险等级为高级的填埋场，采用健康风险评价法确定其评价点目标浓度；对于风险等级为中级和高级的填埋场，均通过数值模拟地下水在沿水力梯度方向的迁移转化过程，推导出填埋场污染修复阈值。
[0009]
作为本发明的另一个方面，提供了一种垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定系统，包括：
[0010]
存储器，存储有用于执行如上所述的垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定方法的程序；
[0011]
处理器，用于执行存储器中存储的所述程序。
[0012]
基于上述技术方案可知，本发明的阈值确定方法及系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
[0013]
以地下水使用用途为出发点，关注污染场地周边潜在污染受体，通过初级评价体系抓大放小，采取评价点目标浓度法制定污染场地修复阈值确保了阈值制定的科学性和合理性，既能够避免造成大范围的地下水污染，损害周围环境和居民健康，又能在合理费用之内控制地下水污染，不给地方财政和运营实体带来沉重经济负担；
[0014]
在修复阈值制定过程中，依据风险等级高低不同采用两种评价点目标值确定方式，简化了中风险污染场地修复阈值的制定程序，降低了工作量，也增强了对高风险地区污染修复阈值的针对性和准确性。
附图说明
[0015]
图1为依照本发明实施例的初级评价体系的方框示意图。
具体实施方式
[0016]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0017]
本发明公开了一种垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定方法，主要包括以下步骤：
[0018]
(1)建立初级评价体系，填埋场的环境风险评价包括填埋场污染特征评价、暴露水平和含水层特性评价三个部分，该初级评价体系的整体结构框图见图1。
[0019]
①
填埋场污染特征评价
[0020]
填埋场污染特征评价涉及场地规模、填埋场场龄、底部防渗情况、顶部覆盖情况、渗滤液收集情况和废物压实情况，填埋场污染特征评价指标及其评分标准见表1。
[0021]
表1填埋场污染特征评价指标及评分标准
[0022][0023][0024]
②
评价点的选择
[0025]
评价点可能位于计划或现存的受体，或者在任何源头下游的其它点。
[0026]
设置评价点的步骤为：
[0027]
a、识别所有现存或计划中的下游受体，
[0028]
b、为估计蓄水层未来的可能用途，从现在或将来的土地使用、土地所有权、地形和蓄水层的潜在产量和背景质量等方面考虑，
[0029]
c、识别场地中的污染物并且判断地下水的污染程度，
[0030]
d、从污染源推测地下水质量可能受到的影响，
[0031]
e、估计衰减在减小污染物浓度方面的潜在意义，
[0032]
受体评价指标为水源地、居民区、农业区、工业区、商业区和景观休闲区6类，其中水源地的指标包括：“有无大型水源地”、“距离地表水域距离”、“距离饮用水源地距离”、“下游是否有集中供水井”和“与地下含水层距离”5项；
[0033]
③
污染受体评价
[0034]
对污染场地周围的所有现有及潜在的污染受体进行分析，评价其暴露水平。指标
及其评分见表2。
[0035]
表2受体评价指标及评分标准
[0036][0037]
④
含水层脆弱性评价
[0038]
含水层特性评价采用经典的drastic模型。在评价过程中，对每个评价指标进行等级划分，并赋以相应的评分值，评分值越大，对地下水脆弱性的影响越大，划分为10个等级，取值范围分别为1～10，用评分值来量化这些数值范围和类型对地下水脆弱性的影响；根据每个评价指标的相对重要性，赋以一定的权重，该权重反映了每个指标对地下水脆弱性影响的大小。
[0039]
在评价过程中将各指标划分为不同级别，对同一级别内的指标赋予相同的定额，以此反映该指标对地下水脆弱性影响的贡献大小。对某一地段，地下水脆弱性特征值为7项指标定额与对应权重的加权求和，据此对地下水脆弱性进行划分，地下水脆弱性特征值越大表明该地区地下水越容易受到污染；反之，越不易受到污染。
[0040]
脆弱性评价值为：
[0041][0042]
式中：w
j
为指标j的权重；r
ij
为其定额。
[0043]
⑤
确定指标权重
[0044]
a建立评价集的层次结构模型；
[0045]
b构造判断矩阵；
[0046]
c确定各评价因素的权重，见表3。
[0047]
表3各指标权重
[0048][0049]
⑥
计算填埋场的风险指数
[0050][0051]
其中：
[0052]
i为风险指数；
[0053]
n为评价因子数；
[0054]
w
i
为评价因子i的权重；
[0055]
r
i
为评价因子i的评价因子值。
[0056]
得到的风险指数为1～10之间的数字，数字越大表示风险等级越高。
[0057]
通过初级评价，根据其风险指数将垃圾填埋场风险等级划分为3个不同级别，见表4。0～3分为风险等级低，暂不需要修复，需要保持常规监测；3～7分为风险等级中，需要进行二级评价，其中溶质运移模型可以采用区域概化的参数和指标，采用评价点所适用的环
境标准或者背景浓度作为目标浓度；7～10分为风险等级高，需要针对填埋场的水文地质和渗漏特征进行健康风险评价，确定针对该填埋场的修复阈值。
[0058]
表4风险等级指数划分
[0059]
风险指数风险等级修复阈值0～3低暂不需修复，保持常规监控3～7中依据评价点环境标准和背景浓度制定阈值7～10高二级评价——依据健康风险评价的修复阈值
[0060]
(2)确定评价点的目标浓度
[0061]
选择所有评价点中敏感性最高的点，确定其目标浓度。
[0062]
①
风险等级为中级的填埋场
[0063]
对于风险等级为中级的填埋场，目标浓度可以以环境背景浓度或者环境标准或者健康标准为依据。
[0064]
首先，了解受体所在区域环境概况，包括：
[0065]
※
地下水中污染物天然背景浓度；
[0066]
※
地下水流向；
[0067]
※
与地表水受体间的关系；
[0068]
※
人类活动对地下水的可能影响。
[0069]
在了解以上背景的基础上，对标准值和背景值进行对比：
[0070]
如果背景值优于标准值，采用环境标准作为目标浓度。对于一些没有适用标准的物质，则采用其背景浓度。对于没有背景浓度的人造物质，将目标浓度设置为该污染物的检出限。
[0071]
若背景值劣于标准值时，采用高于天然背景浓度10％的浓度作为目标浓度。
[0072]
②
二级评价——依据健康风险评价确定目标浓度
[0073]
采用风险评价四步法的相关模型，对饮水途径进行健康风险评价。主要步骤包括危害鉴定、剂量-反应评估、暴露评估和风险表征四个阶段，其中暴露评估中需要计算呼吸途径及其暴露剂量、皮肤暴露途径及其暴露剂量和饮食途径及其暴露剂量。健康风险的计算方法为：
[0074]
致癌物风险评价模型
[0075]
单项化学致癌物质的风险值：
[0076][0077]
多项致癌化学物质的总风险值：
[0078][0079]
单项非致癌物的健康危害值：
[0080][0081]
多项非致癌物的总危害值：
[0082][0083]
为化学致癌物(共k种化学致癌物)经饮水途径的平均个人致癌年风险(a-1
)；d
ig
为化学致癌物i经饮水途径的单位体重日均暴露剂量(mg
·
kg-1
·
d-1
)；q
ig
为化学致癌物的致癌强度系数(mg
·
kg-1
·
d-1
)；rfd
ig
为非致癌物经饮水途径的参考剂量(mg
·
kg-1
·
d-1
)；c
w
为地下水污染物浓度(mg/l)；a
ge
代表暴露群体的平均年龄，(d)；ir表示摄取速率，即为每日饮水量(l
·
d-1
)；ef表示暴露频率(d
·
a-1
)；ed表示暴露期限(a)；a
is
表示的是化学物质的肠胃吸收系数，非致癌物取1，致癌物取值见表；b
w
表示暴露群体的平均体重；at表示平均暴露时间。假设摄入体内的各项化学物质对人体健康危害的累积效应呈相加关系、而不是协同或者拮抗关系，则饮用水的健康风险总值为r
总
，计算公式为：
[0084][0085]
依据who标准，以h
i
＝cdi/r
总
＜10-9
(cdi表示暴露剂量)为可接受的风险水平，推导在评价点处可接受的污染物浓度作为目标浓度。
[0086]
(3)修复阈值的计算
[0087]
依据污染受体的目标浓度，推导污染场地的修复阈值。
[0088]
利用溶质运移模型，计算填埋场污染物迁移至评价点处的污染物预测浓度，计算溶质运移过程的衰减系数。
[0089]
衰减系数(af)由计算得出。
[0090]
地下水修复阈值浓度由受体或评价点的目标浓度乘以衰减系数得到，即修复阈值＝目标浓度
×
af。
[0091]
在一个优选实施方式中，本发明的具体评价方法包括以下步骤：
[0092]
(1)污染组分选择
[0093]
对垃圾填埋场进行充分的调查，收集水文地质和水环境数据。通过统计相关性分析对垃圾填埋场污染物指标进行筛选。考虑垃圾填埋场污染地下水指标的代表性，以及潜在暴露群体的健康风险，选择较普遍存在于各不同区域的填埋场污染的地下水中，超标率和检出率最高，并对暴露人群的健康有重大影响的因子作为指标。
[0094]
(2)初级评价
[0095]
根据建立的初级评价体系(见图1)，结合场地实际情况，对其场地特性、污染受体和含水层脆弱性进行打分评价，再根据表3中确定的权重，计算填埋场的风险指数：
[0096][0097]
其中：
[0098]
i为风险指数；
[0099]
n为评价因子数；
[0100]
w
i
为评价因子i的权重；
[0101]
r
i
为评价因子i的评价因子值。
[0102]
得到的风险指数为1～10之间的数字，数字越大表示风险等级越高。
[0103]
通过初级评价，根据其风险指数将垃圾填埋场风险等级划分为3个不同级别，指数为0～3时风险等级为低，暂不需修复，保持常规监控；3～7时风险等级为中，依据评价点的环境标准或背景浓度作为目标浓度制定修复阈值；7～10时风险等级为高，需要依据健康风险评价确定评价点的可接受浓度作为目标浓度从而制定填埋场的修复阈值。
[0104]
(3)若风险等级为中级，依据评价点的环境标准或背景浓度作为目标浓度制定修复阈值。
[0105]
①
确定目标浓度需要：
[0106]
首先，在所有受体和潜在受体中选择最敏感的作为目标评价点，了解其所在区域环境概况，包括：
[0107]
※
地下水中污染物天然背景浓度；
[0108]
※
地下水流向；
[0109]
※
与地表水受体间的关系；
[0110]
※
人类活动对地下水的可能影响。
[0111]
在了解以上背景的基础上，对标准值和背景值进行对比：
[0112]
首先要判断其上游是否已经受到污染。如果上游未曾受到污染，则其上游污染物浓度可以作为天然背景浓度；如果上游已经受到严重污染，则需论证对场地进行修复的可行性和必要性。
[0113]
确定选定的污染物在评价点的目标浓度，首先要对其背景浓度和评价点处所适用的环境标准进行比较。
[0114]
如果背景值优于标准值，采用环境标准作为目标浓度。对于一些没有适用标准的物质，则采用其背景浓度。对于没有背景浓度的人造物质，将目标浓度设置为该污染物的检出限。
[0115]
若背景值劣于标准值时，采用高于天然背景浓度10％的浓度作为目标浓度。
[0116]
②
计算修复阈值
[0117]
a、层次1(污染源下方的地下水)
[0118]
在层次1中，修复目标设置为受体中的目标浓度。受污染地下水污染羽内的监测井观测到的污染物浓度与目标浓度相比来决定是否需要进一步处理。
[0119]
b、层次2(污染源顺梯度方向的衰减)的地下水修复目标浓度由受体或评价点的目标浓度乘以衰减系数得到。其中，衰减系数(af)由计算得出。
[0120]
(4)二级评价——依据健康风险评价的目标浓度
[0121]
①
主要使用nas风险评价四步法的相关模型，对饮水途径进行健康风险评价。主要步骤包括危害鉴定、剂量-反应评估、暴露评估和风险表征四个阶段，其中暴露评估中需要计算呼吸途径及其暴露剂量、皮肤暴露途径及其暴露剂量和饮食途径及其暴露剂量。健康风险评价模型中暴露剂量与污染物从污染场地迁移至受众的浓度密切相关。采用溶质运移模型来模拟污染物迁移。
[0122]
a、危害鉴定
[0123]
危害鉴定的主要是根据其现有的相关资料，确定其是否会对人体健康造成损害，并估测其损害的程度。程序上遵循筛选性研究
→
估计其毒理性
→
预测性测试
→
确定性测试
→
监测性研究。危害鉴定的结果通常根据化学物质的致癌性将其分为致癌和非致癌两类。
[0124]
b、剂量-效应评估
[0125]
剂量-效应评价步骤：首先是要确定水环境中的污染物性质，即确定评价水环境中的毒性因子。其次是要评估毒性因子的毒理性质，即致癌毒性和非致癌毒性。若是非致癌物质，则要计算该物质的阈值(参考剂量)。计算公式为：
[0126]
；
[0127]
式中：rfd——某有阈化学污染物的参考剂量(mg
·
kg-1
·
d-1
)；noael——最高未观察到的有害作用水平(mg
·
kg-1
·
d-1
)；loael-最低可观察到的有害作用水平(mg
·
kg-1
·
d-1
)；uf——总不确定系数(无量纲)，计算值取10。
[0128]
若是致癌物质，则要计算其致癌斜率。
[0129]
c、暴露评估
[0130]
i、呼吸途径及其暴露剂量
[0131]
挥发性气体的暴露剂量计算公式是：
[0132]
；
[0133]
公式中：cdi
气体
表示暴露个体在单位时间内单位体重的污染物摄取剂量(mg
·
kg-1
·
d-1
)；ca表示每立方米空气中挥发性气体的浓度(mg/m3)；ir表示暴露人群个体的呼吸速率(m
·
h-1
)；et表示暴露体的暴露时间(h
·
d-1
)；ef表示暴露群体的暴露频率(d
·
a-1
)；ed表示暴露期(a)；bw表示人群平均体重(kg)；at表示平均暴露时间(d)。
[0134]
ii、皮肤暴露途径及其暴露剂量
[0135]
具体计算公式是：
[0136][0137]
公式中：cdi
皮肤
表示暴露个体在单位时间内单位体重的皮肤表面积吸收污染物的剂量(mg
·
kg-1
·
d-1
)；kp表示皮肤对接触的污染物的吸收系数；cw表示污染物的浓度；sa表示与污染物接触的皮肤表面积(cm2)；cf表示单位转换因子。
[0138]
iii、饮食暴露途径及其暴露剂量
[0139]
具体计算公式如下：
[0140][0141]
式中：cdi
饮水
代表暴露个体在单位时间内通过饮水吸收的污染物剂量(mg
·
kg-1
·
d-1
)；cw代表单位水体中含有污染物的浓度(mg
·
l-1
)；ir代表摄取速率(水：l
·
d-1
)。
[0142]
d、风险表征
[0143]
主要包括两个方面，一是对有毒物质引起暴露人群的不良健康效应的概率或是造成健康风险的大小进行定量的估算；二是对风险结果进行陈述和分析。
[0144]
表征的结果分别用单项致癌和非致癌物健康风险值和致癌物与非致癌物的健康风险总值表示。计算过公式为：
[0145][0146]
式中r
i
表示多种暴露途径下的单项污染物的健康风险值，cdi表示暴露剂量；sf表示污染物的致癌斜率因子，单位是mg
·
kg-1
·
d-1
。
[0147]
多种致癌物的总风险值计算公式：
[0148][0149]
式中：表示在所有暴露途径下所有污染物的总健康风险。
[0150]
单项非致癌物质的健康风险：
[0151]
h
i
＝cdi/rfd；
[0152]
式中，h
i
为单项非致癌物在多种暴露途径下的健康风险指数；rfd为非致癌物质的参考剂量，mg
·
kg-1
·
d-1
。非致癌物的健康总风险为：
[0153][0154]
公式中代表多种非致癌物在多种暴露途径下的健康风险总值。
[0155]
把两种毒物的累积效应呈相加关系，则计算公式为：
[0156][0157]
r为致癌物和非致癌物在多种暴露途径下的健康风险总值。
[0158]
②
评价点可接受污染物浓度目标的计算
[0159]
在健康风险评价模型中，依据who规定，hi＝cdi/r
总
＜10-9
。根据我国现状，并参照可参照有关国家或者国际组织的数据，例如美国环保署(u.s.epa)综合危险度信息数据库(integrated risk information system，iris)，确定所选污染物与我国居民健康-反应剂量关系，统计地下水不同暴露途径(饮用、接触、吸入等)的暴露量，通过风险表征方程，推导出评价点可接受的污染物目标浓度。
[0160]
(5)建立地下水溶质运移模型
[0161]
健康风险评价模型中暴露剂量与污染物从污染场地迁移至受众的浓度密切相关。采用溶质运移模型来模拟污染物迁移。
[0162]
(6)确定修复阈值
[0163]
收集研究场地和评价点的相关地质水文数据，通过溶质运移模型计算出在污染源下方地下水中污染物浓度为c0时，评价点处的污染物预测浓度c
ed
，依据下式：
[0164]
[0165]
计算出af，通过修复目标(rt)＝目标浓度
×
衰减系数(af)求得填埋场地下水污染物修复目标。
[0166]
本发明还公开了一种垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定系统，包括：
[0167]
存储器，存储有用于执行如上所述的垃圾填埋场地下水污染修复阈值的确定方法的程序；
[0168]
处理器，用于执行存储器中存储的所述程序。
[0169]
其中，该确定系统中的处理器例如可以采用单片机、单板机、可编程逻辑控制器、计算机单机、计算机网络等来实现，从而可以将该计算方法迁移到不同软件平台，实现地下水污染修复阈值的快速计算和确定，给当地的环保工作提供即时的数据支持。
[0170]
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述说明。需要说明的是，下面的实施例仅是举例说明，并不用来限定本发明，本发明的保护范围以权利要求的限定为准。
[0171]
实施例1
[0172]
以北京市东南部北天堂填埋场为例进行研究，丰台区永定河河东的水源补给区作为典型研究区，永定河为其北天堂垃圾填埋场修复阈值制定的评价点。研究区位于北京市丰台区永定河河东，处于北京西南郊的城乡结合部，地域空旷。地理坐标为东经116
°
15
′-
116
°
22
′
，北纬39
°
47
′-
39
°
50
′
。面积约为47.25km2。
[0173]
(1)北天堂填埋场环境风险初级评价
[0174]
根据调查，北天堂填埋场4个填埋地块的填埋场特征评分情况见表5，其暴露性评价见表6。
[0175]
表5北天堂填埋场4个填埋地块的填埋场特征评价
[0176][0177]
表6北天堂垃圾填埋场暴露性评价
[0178][0179][0180]
根据表5和表6的评分结果和研究根据drastic模型评价出本区的含水层脆弱性等级为高，再根据表3确定的权重，计算得到北天堂垃圾填埋场的初级风险评价指数为4.23，其风险等级为中级，需依据评价点处的环境标准和背景浓度为依据制定修复阈值。
[0181]
(2)地下水水质污染的数值模拟
[0182]
对研究区的水文地质条件概况进行调查和分析，建立研究区的水文地质概念模型。在对研究区水文地质情况进行概化后，构建数值模拟模型。模拟采用2007年5月的水质监测资料，模拟时间从2007年5月到2007年10月。利用所建立的模型对研究区地下水污染进行了预报，预报的时刻为2012年5月。根据模型预测结果，评价点硝酸盐浓度25.8mg/l。
[0183]
(3)研究区域硝酸盐修复阈值计算
[0184]
评价点选择为永定河，距离垃圾填埋场1500米。根据模型预测结果，评价点硝酸盐
浓度25.8mg/l。填埋场硝酸盐初始浓度c0为37.2mg/l，根据公式计算得到衰减因子af＝1.44。
[0185][0186]
根据北京市水功能区划，评价点永定河为地下水补给区，水质分类为三类。由于地表水环境质量标准中未对硝酸盐浓度作出规定，本研究中按照对应的地下水环境质量标准三类中硝酸盐浓度标准(20mg/l)作为评价点地下水目标浓度。因此，填埋场硝酸盐修复的目标浓度＝af
×
ct＝1.44
×
20＝28.8mg/l。即，北天堂填埋场地下水硝酸盐修复阈值为28.8mg/l。
[0187]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。