譚豪波,趙 巖,孫 崢,陳家軍,馬俊偉

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廢棄場地修復的微尺度生態(tài)安全評估優(yōu)化體系

譚豪波,趙 巖*,孫 崢,陳家軍,馬俊偉

(北京師范大學環(huán)境學院,北京 100875)

針對我國陸域廢棄場地生態(tài)修復的技術(shù)需求,從生態(tài)安全角度提供了可操作性強的評估與優(yōu)化方法和技術(shù)體系,重點包括場地調(diào)查,場地污染等級劃分,阻力因子體系構(gòu)建與模型分析,生態(tài)安全指標評估以及技術(shù)方案比選優(yōu)化等步驟.研究同時展示了該生態(tài)安全評估與優(yōu)化技術(shù)方法在典型陸域廢棄場地生態(tài)修復中的具體應用,為陸域廢棄場地的微尺度生態(tài)修復方案確定與優(yōu)化提供了一種定量化科學方法.

污染場地；生態(tài)修復；安全格局；阻力因子；最小累計阻力模型

陸域廢棄場地指由于大量堆積或掩埋工業(yè)廢渣或生活垃圾,使土地失去原有使用功能的地塊.其通常積累了高濃度有機或無機污染物,使其生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[1].根據(jù)污染來源,本文所述陸域廢棄場地主要包括垃圾堆放廢棄場地和小型工業(yè)廢棄場地.其危害主要有:工業(yè)廢渣或生活垃圾堆積占用大量土地資源,且破壞了自然或人文景觀;工業(yè)廢渣和生活垃圾中的重金屬和有機污染物極易在刮風、降水等自然條件下滲透或遷移,從而對廢棄場地本身和周邊的土壤、大氣和地下、地表水環(huán)境造成污染[2].然而,陸域廢棄場地同時具有一定景觀潛質(zhì),以景觀設(shè)計為主導,建設(shè)針對廢棄場地的生態(tài)修復技術(shù)與工程,與環(huán)境保護、區(qū)域規(guī)劃和社會經(jīng)濟等學科的交叉融合,是解決陸域廢棄場地環(huán)境問題的科學途徑[3].

由于經(jīng)濟、社會和環(huán)境保護發(fā)展的差異,我國陸域廢棄場地主要集中于村鎮(zhèn)地區(qū),其景觀生態(tài)特征常具有污染程度低、尺度小、與人類活動關(guān)系緊密等特點.根據(jù)對廢棄場地生態(tài)修復的技術(shù)與實踐研究,發(fā)現(xiàn)污染土壤的生態(tài)毒性是生態(tài)恢復措施需解決的首要問題[4].將景觀生態(tài)學的“源—匯”理論應用于陸域廢棄場地生態(tài)修復,優(yōu)化生態(tài)安全格局,在源頭減少污染物產(chǎn)生和釋放,并在污染物運移過程中進行攔截和促進無害化,是目前陸域廢棄場地生態(tài)修復的重要手段[5].

村鎮(zhèn)陸域廢棄場地的生態(tài)修復主要有恢復成農(nóng)業(yè)用地、改造成林業(yè)用地及建設(shè)為景觀休閑用地等3個方向.其生態(tài)修復主要目標是建設(shè)良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng),恢復為以人工構(gòu)筑物為主的建設(shè)用地不在本研究范疇內(nèi).同時,土地利用變化與生態(tài)安全水平密切相關(guān),可通過改變植被、水文、土壤等因素改變生態(tài)系統(tǒng)安全狀態(tài)[6].構(gòu)建符合區(qū)域生態(tài)安全的土地利用格局,是協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的沖突、實現(xiàn)土地可持續(xù)利用的有效途徑[7],也是廢棄場地生態(tài)修復的基本要求[8-9].景觀格局優(yōu)化模型是構(gòu)建生態(tài)安全格局的常用方法,通過設(shè)計關(guān)鍵點線面及其空間組合,維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程完整性,實現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效控制和持續(xù)改善[10],其中最常用的是最小累積阻力模型[11-12].然而現(xiàn)有景觀生態(tài)學中阻力因子與安全格局的研究方法主要針對區(qū)域、流域、城市等從幾至幾百km2不等的大中尺度研究[13-14],在村鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的安全格局構(gòu)建等微尺度(<1km2)的應用中有明顯的不適用性.

因此,本研究在大中尺度的阻力因子與安全格局研究方法的基礎(chǔ)上,基于最小累積阻力模型原理,提出了一種針對陸域廢棄場地的微尺度生態(tài)安全評估與優(yōu)化技術(shù)方法和體系,重點考慮了污染場地的尺度、污染特征及其與周邊環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系,為陸域廢棄場地生態(tài)安全評估與修復方案比選優(yōu)化提供了定量化的技術(shù)方法.

1 陸域廢棄場地微尺度生態(tài)安全的評估要素

景觀格局優(yōu)化模型是景觀生態(tài)學構(gòu)建生態(tài)安全格局的常用方法,最常用的是最小累積阻力模型.該模型源于物種擴散過程研究,認為物種在穿越異質(zhì)景觀時須克服一定景觀阻力,其中累積阻力最小的通道即為最適宜的通道.最小累積阻力模型指物種在從源到目的地運動過程中所需耗費代價的模型.景觀生態(tài)學中利用阻力模型研究構(gòu)建土地利用格局時,通常經(jīng)過“源”的選取、阻力因子體系構(gòu)建、阻力因子等級劃分、阻力面生成及土地利用生態(tài)安全格局構(gòu)建等步驟[15].其中“源”指在格局與過程研究中能夠促進生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型,隨著從“源”向外的擴展,阻力值越來越大.而在針對陸域廢棄場地的生態(tài)安全評估中,核心要素是污染物的遷移而非物種遷移或景觀擴張,污染物的遷移能力決定了研究與評估屬于微尺度范疇.因此,在微尺度生態(tài)安全評估中借鑒了最小累積阻力模型的基本思路,同時對模型要素賦予了新的涵義.特別的,通過引入污染等級劃分和污染物遷移阻力計算,解決了最小累積阻力模型在微尺度評估中的適用性問題.

1.1 “源”的選取

在針對陸域廢棄場地的最小累積阻力模型中,“源”特指被堆積或掩埋的工業(yè)廢渣或生活垃圾污染的陸域廢棄場地,其作為獨特的景觀用地類型,具有和周邊用地類型相比的高異質(zhì)性,且具有污染物向周邊用地遷移或擴散的潛在風險.

1.2 阻力因子體系的構(gòu)建

表1 陸域廢棄場地生態(tài)安全評估的阻力因子體系示例 Table 1 A sample of ecological security resistance factors for abandoned terrestrial fields

針對陸域廢棄場地的最小累積阻力模型中,阻力因子體系應包括目標層、準則層、指標層和因子層.其中目標層是對陸域廢棄場地景觀生態(tài)修復技術(shù)的阻力因子體系,準則層可包括自然環(huán)境因子和社會經(jīng)濟因子,指標層中可包括用地類型、土壤條件、地形水文、植被覆蓋、生態(tài)措施等指標,而因子層則可進一步設(shè)置坡度、滲透系數(shù)、土壤類型、不同類型植被覆蓋率等具體因子.針對陸域廢棄場地微尺度生態(tài)安全評估的阻力因子體系,應根據(jù)場地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和評估需求進行構(gòu)建.阻力因子體系的示例如表1所示.不同特征的污染場地阻力因子體系設(shè)置不同,通?？砂ǖ幌抻诒?所列的各層指標.

1.3 阻力因子等級的劃分

根據(jù)因子層中各阻力因子對陸域廢棄場地污染物遷移的阻力程度,對各阻力因子分為不同的等級,并用5、4、3、2、1表示,分值越高代表阻力越大.與景觀生態(tài)學研究方法相似,受目標場地差異等條件制約,阻力因子的等級劃分并無統(tǒng)一的標準,但阻力因子的等級劃分對生態(tài)安全評估結(jié)果具有顯著影響[14]. 類似的研究方法已被應用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境敏感性評估等相關(guān)領(lǐng)域的研究中[16].針對不同類型陸域廢棄場地的污染特征差異,可根據(jù)場地和區(qū)域調(diào)查結(jié)果,因地制宜地分別劃分阻力因子的等級.而阻力因子等級劃分的依據(jù),通常包括國家或地方標準(如土壤類型、用地功能分類等)、地方平均值(如滲透系數(shù)、植物覆蓋率等)、參考文獻等(如坡度、距地表水體距離等),對于生態(tài)修復技術(shù),還可涉及工程效果等(如修復植物覆蓋率、人工設(shè)施污染去除率等).

例如,針對某垃圾堆放廢棄場地擬定的阻力因子進行等級劃分,結(jié)果如表2.該示例以某村鎮(zhèn)實際垃圾堆放廢棄場地為參考,其污染類型同時包括重金屬和有機污染.因此其阻力因子重點從污染物濃度、遷移阻力和環(huán)境風險等方面設(shè)置.例如,富集植物覆蓋率、修復灌木、草類覆蓋率和其他設(shè)施污染去除率等重點針對污染物濃度削減設(shè)置;坡度、土壤類型、滲透系數(shù)、非富集植物和其他喬木、灌草覆蓋率則是決定污染物遷移阻力的重要指標;而距地表水體距離越近、用地功能分類越敏感,其污染遷移的環(huán)境風險就越大.進一步地,根據(jù)前文所述阻力因子等級劃分的依據(jù),可對相應因子進行詳細的1~5等級劃分.該示例對一般陸域垃圾堆放廢棄場地具有一定的示范性,可為具有相似場地與區(qū)域生態(tài)特征的垃圾堆放廢棄場地阻力因子等級劃分提供參考.

1.4 阻力分析與生態(tài)安全格局構(gòu)建

確定“源”、阻力因子體系和阻力值后,需明確研究區(qū)域范圍.污染物從“源”向周邊區(qū)域的遷移,在不同單元中的阻力不同,累積阻力最小的遷移路線,是污染源造成環(huán)境和景觀生態(tài)影響可能性最大的路線,作為生態(tài)安全格局構(gòu)建的主要方向.累積阻力增速突變的環(huán)節(jié),識別為景觀破碎化的關(guān)鍵環(huán)節(jié).以累積阻力為定量化指標,通過調(diào)整土地利用性質(zhì)或自然及人工生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),構(gòu)建生態(tài)安全格局,能夠定量化評估相應技術(shù)方案.

表2 某垃圾堆放場地阻力因子等級劃分示例 Table 2 A sample of resistance factor classification for a waste dumping field

2 陸域廢棄場地微尺度生態(tài)安全評估與優(yōu)化技術(shù)體系

基于前文所述的評估要素,本研究提出一種陸域廢棄場地的生態(tài)安全評估與優(yōu)化方法和體系,以解決現(xiàn)有技術(shù)中的景觀格局優(yōu)化模型無法適用于微尺度場地的實際應用的技術(shù)問題.并針對陸域廢棄場地的景觀生態(tài)修復技術(shù)需求,從生態(tài)安全角度提供了可操作性強的生態(tài)安全評估與優(yōu)化方法和系統(tǒng).

2.1 評估與優(yōu)化技術(shù)流程

對于陸域廢棄場地的生態(tài)安全評估和優(yōu)化,主要應包括范圍確定、場地調(diào)查、污染等級劃分、阻力因子模型分析、生態(tài)安全評估與方案比選,以及生態(tài)修復技術(shù)方案確定等環(huán)節(jié),具體工作流程如圖1所示.

2.2 廢棄場地區(qū)域范圍確定

廢棄場地區(qū)域范圍包括陸域廢棄場地本身及其周邊鄰近的土地,建議以陸域廢棄場地規(guī)模的最大邊長向四周各擴展至少4倍尺度確定相應區(qū)域,作為場地調(diào)查和評估的范圍.

2.3 廢棄場地區(qū)域調(diào)查

陸域廢棄場地的區(qū)域調(diào)查主要包括污染源調(diào)查、鄰近區(qū)域調(diào)查和生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查等3方面.

2.3.1 廢棄場地污染源調(diào)查 該調(diào)查的對象是陸域廢棄場地本身,調(diào)查項目主要包括場地位置、規(guī)模、場地利用變遷資料、原有生產(chǎn)工藝、污染物類型、污染物濃度、土壤類型、地形條件、與地表水體的距離、水文地質(zhì)條件等.調(diào)查的污染因子根據(jù)污染場地特性不同而不同,垃圾堆放廢棄場地的調(diào)查重點為多環(huán)芳烴等有機污染物與氮、磷等營養(yǎng)污染物,小型工業(yè)廢棄場地的調(diào)查重點為重金屬污染物,均應根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果篩選污染因子的種類和數(shù)量.

2.3.2 鄰近區(qū)域調(diào)查 該調(diào)查的內(nèi)容包括:鄰近區(qū)域規(guī)模、方位、用地功能分類、土壤類型、地形條件、與地表水體的距離、水文地質(zhì)條件、自然環(huán)境與社會環(huán)境現(xiàn)狀等.

2.3.3 生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查 該調(diào)查的對象是陸域廢棄場地及周邊鄰近區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng),調(diào)查重點是植物生態(tài)系統(tǒng),調(diào)查內(nèi)容主要包括:植被類型、覆蓋面積、富集植物覆蓋率、非富集植物覆蓋率、喬木、灌木、草類比例等.生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查可采用資料收集法、現(xiàn)場勘察法和生態(tài)監(jiān)測法等.

2.4 污染等級劃分

針對不同類型的陸域廢棄場地,根據(jù)我國的《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618-1995)》[17]、其他地方標準或可參考的其他標準,對不同污染物分別進行污染等級劃分,具體分為1、2、3、4、5 5個等級.例如,1級所對應指標可為《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中的三級標準限制(重金屬指標)或調(diào)研污染場地周邊背景值(有機物指標),2至5級可分別為超標或超過背景值的2倍、10倍、100倍和100倍以上的污染物濃度區(qū)間.污染程度由低到高,選取等級最高的作為該廢棄場地的污染等級.污染等級劃分應包含廢棄場地的主要污染因子,如以重金屬污染為主的小型工業(yè)廢棄場地,其污染等級劃分可重點考慮Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn等重金屬污染物;以有機污染物為主的生活垃圾堆放場地,其污染等級劃分可以重點考慮多環(huán)芳烴、TN、TP等有機污染物.

2.5 阻力因子模型分析

在1.2及1.3節(jié)闡述的阻力因子體系構(gòu)建和阻力因子等級劃分的基礎(chǔ)上,針對廢棄場地的污染源和鄰近區(qū)域的調(diào)查范圍與生態(tài)系統(tǒng),選擇針對廢棄場地的最小累積阻力模型,計算場地區(qū)域范圍內(nèi)的最小累積阻力(MCR).

針對廢棄場地的最小累積阻力模型借鑒了景觀生態(tài)學最小累積阻力模型的思路[18],以廢棄場地為污染源并將鄰近區(qū)域劃分為多個景觀單元,表示源中不同類型污染物從廢棄場地向鄰近區(qū)域進行遷移的最小累積阻力,根據(jù)式(1)計算:

式中:MCR為最小累積阻力值;D為污染物從源到景觀單元的遷移距離;為景觀單元對該污染物遷移的阻力系數(shù);為最小累積阻力與污染物遷移過程的正相關(guān)系數(shù).Σ表示污染物從源穿越所有單元的距離和阻力的累積;min表示對不同的污染源的不同遷移路線取累積阻力最小值.

利用最小累積阻力模型進行計算得到的累積阻力最小的遷移路線,是污染源造成環(huán)境和景觀生態(tài)影響可能性最大的路線,從而可以確定為生態(tài)安全格局構(gòu)建的主要方向.

2.6 生態(tài)安全評估與方案比選

2.6.1 生態(tài)安全評估 引入陸域廢棄場地生態(tài)安全評估指標,在確定廢棄場地的污染等級和最小累積阻力后,根據(jù)式(2)計算相應生態(tài)安全評估指標:

式中:為廢棄場地生態(tài)安全評估指標;為廢棄場地污染等級;MCR為區(qū)域最小累積阻力.

生態(tài)安全評估指標值越小,表明廢棄場地所在區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)越安全;相反生態(tài)安全評估指標值越大,表明廢棄場地所在區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)越不安全.

2.6.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建技術(shù)方案與優(yōu)化 根據(jù)計算所得最小累積阻力和生態(tài)安全評估指標,選擇最小累積阻力所在的遷移路線(含廢棄場地),通過變化用地類型或增設(shè)生態(tài)修復措施,增大污染物遷移阻力,建立生態(tài)安全格局構(gòu)建的備選方案.進而對不同備選方案重新計算廢棄場地生態(tài)安全評估指標值,以進行方案比選,可根據(jù)需要進行多輪方案調(diào)整和重新評估.最終選擇使生態(tài)安全指標值最低且低于目標限值的生態(tài)安全格局構(gòu)建方案,作為廢棄場地低碳生態(tài)修復與景觀化措施的指導或優(yōu)選方案.

3 微尺度生態(tài)安全評估與優(yōu)化技術(shù)體系在陸域廢棄場地生態(tài)修復中的應用實例

以我國北方某村鎮(zhèn)小型工業(yè)廢棄場地的生態(tài)修復為例,為陸域廢棄場地的生態(tài)安全評估與優(yōu)化技術(shù)方法提供一個具體的操作示范.該小型工業(yè)廢棄場地原為村鎮(zhèn)某金屬生產(chǎn)公司生產(chǎn)用地,公司停產(chǎn)后,該場地被廢棄. 該場地原為礦渣堆放場,其鉛鋅污染嚴重,同時伴有鎘砷污染.

3.1 小型工業(yè)廢棄場地的區(qū)域范圍確定與調(diào)查

如圖2所示,首先針對該小型工業(yè)廢棄場地開展污染源調(diào)查,其場地規(guī)模約為東西長35m、南北寬30m,占地面積約1000m2.根據(jù)對該廢棄場地6個隨機點位表層土壤采樣分析,其污染物類型以重金屬污染物為主,重點包括Zn、Pb、As和Cd,其平均濃度分別達到10700,6200,600, 150mg/kg,其中Zn和As的局部最高濃度分別可達16000和1200mg/kg,與我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618-1995)》[17]的三級標準相比,均超標十幾甚至上百倍,污染程度嚴重,為修復帶來一定困難.土壤類型為壤土黏土混合,地形平整,周邊200m范圍內(nèi)沒有地表水體,土壤滲透系數(shù)2.0× 10-7cm/s.

以該小型工業(yè)廢棄場地規(guī)模最大邊長向四周各擴展4倍尺度確定區(qū)域調(diào)查的范圍,即東南西北向周邊各擴展150m.范圍內(nèi)主要分布為農(nóng)業(yè)用地,其中污染場地西向路線(圖2中①所示)75m范圍內(nèi)為農(nóng)業(yè)用地,以外是建筑用地;東北向路線(圖2中②所示)50m范圍內(nèi)為建筑用地,以外是農(nóng)業(yè)用地;南向路線(圖2中③所示)50m范圍內(nèi)為建筑用地,50~100m為農(nóng)業(yè)用地,以外是建筑用地.區(qū)域范圍內(nèi)沒有地表水體,土壤滲透系數(shù)2.0×10-7cm/s.

對區(qū)域范圍的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查結(jié)果表明,該小型工業(yè)廢棄污染場地內(nèi)沒有植被覆蓋,區(qū)域范圍的農(nóng)業(yè)用地內(nèi)沒有高大喬木,草本類植物覆蓋率為80%,沒有典型的重金屬污染物富集植物.

3.2 小型工業(yè)廢棄場地的污染等級確定

針對該小型工業(yè)廢棄場地,以Zn、Pb、As和Cd污染分別進行等級劃分,共分為1、2、3、4、5共5個等級,污染程度由低到高,具體如表3所示.根據(jù)Zn、Pb、As和Cd的濃度分別為10700, 6200, 600, 150mg/kg,其污染等級分別為4、4、4和5,選取等級最高的5級作為該小型工業(yè)廢棄場地的污染等級.

表3 小型工業(yè)廢棄場地污染等級劃分(mg/kg) Table 3 Pollution level classification of the abandoned field in the small-scale industrial enterprise (mg/kg)

3.3 小型工業(yè)廢棄場地的阻力因子模型分析

根據(jù)區(qū)域范圍調(diào)查結(jié)果對該小型工業(yè)廢棄場地進行阻力因子模型分析,以計算小型工業(yè)廢棄場地的最小累積阻力及其相應遷移路線.具體包括最小累計阻力模型建立、阻力因子體系構(gòu)建、阻力因子等級劃分以及最小累計阻力的計算4部分.

3.3.1 最小累積阻力模型建立 根據(jù)式(1)建立最小累積阻力模型.在本研究案例中,污染場地的景觀單元編號記為0,西向路線農(nóng)業(yè)用地編號為1,建筑用地為2;東北向路線建筑用地編號為3,農(nóng)業(yè)用地為4;南向路線靠近污染場地的建筑用地編號為5,農(nóng)業(yè)用地為6,遠離污染場地的建筑用地為7.區(qū)域范圍以外編號記為8. D表示污染物從源或景觀單元到景觀單元的遷移距離.例如,本案例中12表示污染物在西向路線中,從農(nóng)業(yè)用地1遷移至建筑用地2的距離.以景觀單元邊緣距離計算3條路線中污染物遷移距離,如表4所示.

表4 不同遷移路線的用地類型編號與距離(m) Table 4 Numbers and transport distances between the land blocks in different transport routes (m)

3.3.2 阻力因子指標體系構(gòu)建 根據(jù)該小型工業(yè)廢棄廠的實際調(diào)查結(jié)果,確定阻力因子指標及各因子權(quán)重(即阻力系數(shù)),如表5所示.

3.3.3 阻力因子等級劃分 根據(jù)因子層中各阻力因子對小型工業(yè)廢棄場地污染物遷移的阻力程度,利用1.3節(jié)所述方法分別對各阻力因子進行等級劃分,表6為劃分結(jié)果.以修復灌木覆蓋率為例,其阻力因子等級劃分主要依據(jù)為工程效果.現(xiàn)場實驗研究表明,為達到場地污染物控制目標,修復灌木覆蓋率應達到40%以上,從而以>40%作為該項阻力因子等級劃分的最高等級.相應的,修復灌木覆蓋率低于5%時污染物控制效果不明顯,介于10%~20%時可達到中等水平.因此,根據(jù)相應覆蓋率梯度,設(shè)置該阻力因子1~5等級劃分方法.

3.3.4 最小累計阻力的計算 根據(jù)污染源和區(qū)域范圍調(diào)研結(jié)果,結(jié)合表6的阻力因子等級劃分,明確針對該廢棄場地不同因子的等級.如該小型工業(yè)廢棄場地中,坡度阻力因子為5,土壤類型阻力因子為4,以此類推.利用生態(tài)安全最小累積阻力模型進行計算,將各阻力因子等級與表5中相應因子的阻力系數(shù)(權(quán)重)相乘并求和,獲得該景觀單元對污染物遷移的阻力系數(shù)R.將每條路線內(nèi)不同景觀單元的R與相應遷移距離相乘,并最終相加,并取=0.01,獲得該路線的累積阻力.

根據(jù)計算,3條路線的累積阻力分別為:西向路線:4.1625,東北向路線:4.1325,南向路線: 4.1250.累積阻力最小的南向遷移路線,是污染源造成環(huán)境和景觀生態(tài)影響可能性最大的路線,為生態(tài)安全格局構(gòu)建的主要方向.

表5 小型工業(yè)廢棄場地生態(tài)系統(tǒng)阻力因子體系 Table 5 Ecological security resistance factors of the abandoned field in the small-scale industrial enterprise

3.4 小型工業(yè)廢棄場地的生態(tài)安全評估

根據(jù)小型工業(yè)廢棄場地的污染等級及其最小累積阻力,利用2.6.1節(jié)所述方法進行該廢棄場地的生態(tài)安全評估.根據(jù)式(2),將污染源污染等級劃分結(jié)果(本案例為5)與最小累積阻力(本案例為4.1250)相除,得到該廢棄場地的生態(tài)安全評估指標:=1.212.

3.5 小型工業(yè)廢棄場地生態(tài)修復方案比選與優(yōu)化

3.5.1 生態(tài)修復方案設(shè)計與比選 根據(jù)小型工業(yè)廢棄場地的生態(tài)安全評估結(jié)果,進行生態(tài)修復方案的設(shè)計時,一方面應降低污染源的污染等級,另一方面應重點在累積阻力最小的南向遷移路線上通過改變用地類型或增設(shè)人工設(shè)施來增大累積阻力.針對該廢棄場地Pb、Zn、As、Cd等重金屬污染特征和濃度水平,通過預實驗研究建議選擇高羊茅和黑麥草作為人工種植的草類修復植物.高羊茅和黑麥草在該廢棄場地的重金屬污染濃度水平下均可存活生長,且其對4種重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)均>1.特別地,高羊茅對Zn和Pb的富集效果明顯,富集系數(shù)分別達1.2和1.6;黑麥草對Cd、Zn和Pb的富集系數(shù)分別達到3.0、2.8和2.5,表明其對上述重金屬均有良好的修復作用和耐受能力[1].此外,可配合選擇對相應污染物耐受能力較強的刺兒菜和狗尾草等本土草類,以及大葉黃楊、小葉紫檗和毛白楊等具有水土保持和污染截留作用的灌木和喬木等,共同構(gòu)成人工—自然及喬—灌—草聯(lián)合生態(tài)修復方案.本案例研究提出如下2種生態(tài)安全格局構(gòu)建備選方案:

方案一:在小型工業(yè)廢棄場地內(nèi)大面積種植具有重金屬Cd修復功能的灌木,覆蓋面積80%,其余部分種植具有Cd修復功能的草類,覆蓋面積20%,該方法使得Cd污染濃度能夠降低40%,而其他重金屬污染物濃度降低15%,不改變其他景觀單元的用地類型和現(xiàn)狀.

方案二,在小型工業(yè)廢棄場地內(nèi)混合種植針對不同重金屬具有修復功能的灌木和草類,覆蓋面積分別為40%和30%,其余部分種植不具修復功能的喬木以滿足水土保持和景觀化的需求,覆蓋面積為15%,該方法使得各類重金屬污染濃度均降低20%;同時在南向遷移路線內(nèi)建筑用地中增設(shè)人工污染物去除工程設(shè)施,重金屬去除效率達35%.

根據(jù)前文所述方法,對上述2個備選方案重新進行污染場地生態(tài)安全評估,結(jié)果如下:

對于方案一,廢棄場地污染等級降為4級,西向、東北向和南向三條遷移路線的累積阻力分別增加為4.2745、4.2445和4.2210,南向路線仍為累積阻力最小遷移路線,該廢棄污染場地生態(tài)安全評估指標:=0.948.

而方案二,廢棄場地污染等級仍為5級,西向、東北向和南向三條遷移路線的累積阻力分別增加為4.2623、4.2323和4.3705,累積阻力最小的遷移路線已變更為東北向路線,該廢棄污染場地生態(tài)安全評估指標:=1.181.

根據(jù)上述方案計算結(jié)果可以看出,對于本研究案例中的小型工業(yè)廢棄場地,由于污染物濃度較高,對廢棄場地本身的生態(tài)修復工程能夠通過降低廢棄場地污染等級而更加有效的降低其生態(tài)安全評估指標值.當設(shè)置生態(tài)修復技術(shù)評估的可接受標準為≤1時,方案一為可接受方案,方案二為不可接受方案,前者的生態(tài)修復效果要明顯優(yōu)于后者.

3.5.2 生態(tài)修復方案優(yōu)化 然而對于方案二,可做進一步調(diào)整,如:在廢棄場地內(nèi)大面積種植Cd金屬修復灌木,覆蓋面積為60%,以及Cd金屬修復草類,覆蓋面積為40%,使得Cd金屬污染物濃度降低40%,其他金屬污染物濃度降低10%;同時在南向遷移路線內(nèi)編號為5的建筑用地中增設(shè)人工污染物攔截與去除工程設(shè)施,攔截的重金屬去除效率達35%.

對調(diào)整后的方案二進行重新評估,其廢棄場地污染等級降為4級,西向、東北向和南向三條遷移路線的累積阻力分別達到4.2885、4.2585和4.3930,累積阻力最小的遷移路線已變更為東北向路線,該廢棄污染場地生態(tài)安全評估指標:=0.939.

調(diào)整后的方案二與原方案一均已達到可接受標準(￡1),但其生態(tài)安全評估指標已低于方案一,表明其生態(tài)修復效果優(yōu)于方案一,可作為該廢棄場地生態(tài)修復技術(shù)的優(yōu)選方案.該優(yōu)選方案已在相應廢棄場地的生態(tài)修復研究與工程建設(shè)中得以應用,結(jié)果表明通過生態(tài)安全評估和優(yōu)化,能夠為實際生態(tài)修復方案提供指導,證實了其合理性與有效性.

4 關(guān)于陸域廢棄場地微尺度生態(tài)安全定量化評估的討論

本研究針對陸域廢棄場地的微尺度生態(tài)修復技術(shù)需求,從生態(tài)安全角度提供了一種可操作性強的評估與優(yōu)化方法,較傳統(tǒng)單一修復技術(shù)的選擇層次更高、整體性更強.特別的,該方法綜合考慮了陸域廢棄場地的污染程度和污染物遷移阻力,對微尺度生態(tài)安全評估更加科學和準確;并考慮到了不同陸域廢棄場地類型、污染程度,以及廢棄場地及周邊區(qū)域的水文地質(zhì)、社會經(jīng)濟、植被特征等多因素對最小累積阻力的影響,使生態(tài)安全評估結(jié)果更加全面和系統(tǒng).

然而,廢棄場地的生態(tài)修復相對物理化學修復而言所需的時間更長,通常需要幾年甚至幾十年方能達到修復目標,本研究所提出的生態(tài)安全評估與優(yōu)化技術(shù)方法重點關(guān)注生態(tài)修復的最終效果,對于修復效率仍需根據(jù)相應目標和技術(shù)進行估算.此外,目前在本研究的阻力因子體系構(gòu)建中,阻力因子等級劃分和阻力系數(shù)確定主要采用專家打分法等半定量化方法,雖然通過多層次、全覆蓋的指標體系設(shè)計,確保了阻力因子體系的系統(tǒng)性,但對于具體參數(shù)設(shè)置仍存在一定的主觀性.然而,由于不同的陸域廢棄場地污染特性不同,水文地質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)等條件不同,難以形成適用于全部廢棄場地的單一阻力因子參數(shù)和體系.因此,為了確保評估與方案比選結(jié)果的科學性,在進行污染場地和區(qū)域范圍調(diào)查時應通過全面調(diào)研, 因地制宜的明確關(guān)鍵要素并在阻力因子體系中充分體現(xiàn),以降低體系參數(shù)的不確定性.

5 結(jié)論

本研究基于景觀生態(tài)學中累積阻力模型的基本思路,為我國陸域廢棄場地的生態(tài)安全評估與優(yōu)化提供了一種科學方法,重點包括場地調(diào)查、場地污染等級劃分、阻力因子體系構(gòu)建與模型分析、生態(tài)安全指標評估以及方案比選與優(yōu)化等步驟,解決了宏觀景觀格局優(yōu)化模型無法適用于廢棄場地的微尺度實際問題,并進一步展示了該生態(tài)安全評估與優(yōu)化方法在陸域廢棄場地的具體應用,解決了我國陸域廢棄場地生態(tài)修復技術(shù)的科技需求.

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* 責任作者, 副教授, yanzhao@bnu.edu.cn

Ecological security evaluation and optimization system for microscale remediation of abandoned terrestrial field

TAN Hao-bo, ZHAO Yan*, SUN Zheng, CHEN Jia-jun, MA Jun-wei

(School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2016,36(7)：2169~2177

Aiming to the technical needs in ecological restoration of the abandoned terrestrial fields, a practical evaluation and optimization system was suggested from the perspective of ecological security. The system mainly included site investigation, classification of contamination, establishment of resistance factor and model analysis, ecological security evaluation, as well as comparison and optimization of remediation strategies. Besides, a specific case was presented to apply this ecological security evaluation and optimization system at a typical contaminated site. This study provided a scientific and quantitative method for the strategy determination of microscale ecological remediation in abandoned terrestrial field.

contaminated siteecological rehabilitation；security pattern；resistance factorminimum cumulative resistance (MCR) model

X53

A

1000-6923(2016)07-2169-09

譚豪波(1993-),男,江西上饒人,北京師范大學碩士研究生,主要研究方向為固體廢物處理處置技術(shù)與管理.

2015-12-14

國家科技計劃課題(-01)