朱曉星 王仕彬

(福建省閩東南地質大隊，泉州，362021)

一般來講，重金屬是指密度大于4.0 g/cm3的約60種元素或密度大于5.0 g/cm3的約45種元素[1]，但從環(huán)境污染方面講，重金屬主要是指具有毒性的Pb、Hg、Cr、Cd、Cu、Zn、Ni、Sb、Be、Tl等元素，以及具有毒性且某些性質與重金屬相似的類金屬As等污染物[2]。金屬制品業(yè)、有色金屬冶煉和加工業(yè)、皮革及其制品業(yè)、化學原料和化學制造業(yè)的工業(yè)場地產(chǎn)生的大量廢棄污染物，通過大氣沉降、地表徑流和地下水淋濾等轉移轉化作用，使得過量的重金屬元素進入土壤[3]，超過土壤的自凈能力，致使土壤中重金屬含量明顯高于原生背景值，造成土壤質量惡化，并且嚴重威脅著人體健康，全國城市工業(yè)企業(yè)搬遷而遺留的污染場地超過50萬個，其中重金屬污染場地占了相當大的比例[4]，迫切需要采取措施對重金屬污染場地進行土壤修復。

目前，國際上對于重金屬污染場地的土壤修復技術很多，美國超級基金在對污染場地選擇修復技術時，重點考慮的因素包括修復效果、修復成本和修復時間等[5]。在污染場地修復技術篩選過程中往往需要借助不同的決策方法，如何高效地治理污染場地，選擇適合的修復技術具有重要的現(xiàn)實意義。有研究曾指出需將科學與經(jīng)驗相結合來進行修復技術的選擇，根據(jù)以往的經(jīng)驗，往往采用表面上花費較低的修復技術，最終導致修復效果不理想，造成更大的經(jīng)濟損失[6]。對于污染場地，修復技術的適用性是影響修復效果的關鍵因素。美國超級基金對重金屬污染場地修復技術的篩選規(guī)定了基本程序，確定了9個篩選原則以確定最終的修復技術。李安婕等[7]運用多屬性決策分析方法對修復技術進行偏好排序以篩選出適宜的修復技術。該次研究擬建立適合重金屬污染場地的修復技術篩選指標體系，利用層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP法)和逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，簡稱TOPSIS法)對污染場地土壤修復技術進行科學評價，以期為國內重金屬污染場地選擇合適的修復技術提供參考。

1 國內重金屬污染場地土壤修復技術概述

相比于歐美國家40多年的發(fā)展，我國污染場地土壤修復產(chǎn)業(yè)仍屬新興行業(yè)，起步較晚，基礎薄弱，仍處在技術完善及試點階段，尚缺乏成熟的技術、設備及工程應用[8，9]。

在國內，受城市土地經(jīng)濟價值的影響，污染場地修復的最終目的多是用于商業(yè)開發(fā)再利用，選擇的場地修復技術應具有二次污染風險小、修復周期短、穩(wěn)定性高等特點。近幾年國內也開展了一些關于重金屬污染場地治理的試點與示范工程(表1)。當前國內重金屬污染場地土壤修復工程較多采用的修復技術包括阻隔填埋、固化/穩(wěn)定化、化學淋洗、土壤洗脫、化學氧化/還原、植物修復等技術，各修復技術的適用條件、技術成熟度、修復周期、污染物去除率、成本等情況匯總(表2)。

表1 國內部分已開展的污染場地修復工程實例

表2 重金屬污染場地土壤修復技術匯總

注：①土壤類型：1—細黏土；2—中粒黏土；3-淤質黏土；4—黏質壤土；5—淤質壤土；6—淤泥；7—砂質黏土；8—砂質壤土；9—砂土。②污染物類型：a—揮發(fā)性；b—半揮發(fā)性；c—重碳水化合物；d—殺蟲劑；e—無機物；f—重金屬。③技術成熟度：M—廣泛應用，技術成熟；S—規(guī)模應用，技術仍需改進；P—中試階段，技術尚未規(guī)模應用。

2 污染場地土壤修復技術篩選方法

2.1 修復技術篩選流程

修復技術篩選就是對各修復技術的優(yōu)缺點進行綜合評價，結合具體污染場地的場地條件、修復目標以及修復要求等選出適宜的修復技術，基本流程如(圖1)所示。

圖1 污染場地修復技術篩選流程Fig.1 Flowchart for selection of contaminated site remediation technologies

2.2 建立修復技術篩選指標體系

污染場地修復技術的篩選要考慮修復技術的經(jīng)濟性、環(huán)境友好性和技術適用性等多個因素，每個因素又各自包含了多個指標， 是一個多層次的決策分析問題，因此要構建一個多層次的修復技術篩選指標體系(圖2)。 該次研究參考張倩等[10]并根據(jù)實際情況建立的修復技術篩選指標體系分為場地條件(B1)、技術條件(B2)、經(jīng)濟條件(B3)和環(huán)境條件(B4)4個因素，并從4個因素中選取了16項指標(C1～ C16)。各指標可通過評分法獲得各備選修復技術的評分參數(shù)(表3)。

圖2 污染場地修復技術篩選指標體系Fig.2 Index system of selection of contaminated site remediation technologies

表3 修復技術指標評價標準

2.3 篩選指標權重確定方法

對于多參數(shù)決策問題中指標權重的確定有很多方法，包括AHP法、專家評價法、調查統(tǒng)計法、成本效益分析法等。其中，AHP法是一種定性和定量分析相結合的決策方法，通過將與決策有關的因素分解成目標、因素和指標等層次，在各指標之間進行兩兩比較，定量計算得到各指標的權重。此次采用AHP法計算各指標的權重。計算步驟如下[11]。

(1)對同一層次的各指標對于上一層次因素的重要程度進行判斷，構建出評價指標的判斷矩陣， 表示B層第i個指標與第j個指標的相對重要程度，以標度進行量化，量化標度值(表4)，此量化標度值可采用專家打分法確定。

表4 指標相對重要性量化

注：兩相鄰等級之間的中間值為8，6，4，2，1/2，1/4，1/6，1/8。

(2)首先將判斷矩陣A中的每一列進行歸一化：

(3)將歸一化處理后的矩陣再按行求和：

(4)將向量B=(B1，…，Bn)T歸一化處理，得到屬性權重向量：

(5)計算判斷矩陣最大特征值：

在計算出某一層(C層)各個指標的單排序權重后，用上一層(B層)因素本身的權重加權綜合，即可計算出C層總排序權重。

(6)判斷矩陣的一致性檢驗：

①計算一致性指標(Consistent Index，簡稱CI)：

②確定隨機一致性指標(Random Index，簡稱RI)，Saaty給出了RI值，由指標篩選體系，可知道n=4，查得RI=0.90。

③計算一致性比率(Consistence Rate，簡稱CR)：

當CR<0.1，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，那么判斷矩陣A的最大特征值對應的特征向量即為權向量。在多層次分層的情況下，用上一層(B層)因素本身的權重，對一致性指標CI以及隨機一致性指標RI進行加權求和，可得到總層次的CI值和RI值，進行總層次的一致性判斷。

2.4 最適宜修復技術排序方法

筆者采用TOPSIS法進一步篩選出最適合污染場地的土壤修復技術。采用TOPSIS法的目的是在備選的修復技術中找到一個最理想的修復技術[12]從而解決決策問題。具體步驟如下[13]如下。

(1)假設多參數(shù)決策問題由最初的決策矩陣Y={yij}，首先進行歸一化處理，得到規(guī)范化的決策矩陣Z={zij}，公式：

(2)根據(jù)AHP法確定的指標權重向量ω=(ω1，ω2…ωn)T將規(guī)范化決策矩陣加權規(guī)范，得到加權規(guī)范矩陣X={xij}，公式如下：

xij=ωi·ziji=1,…m；j=1,…n

3 實例研究

3.1 重金屬污染場地背景

某電鍍集控區(qū)占地面積7.33 hm2，位于中國東南沿海泉州市，所屬37家電鍍企業(yè)于2008年8月全面關停，進行了整體搬遷。由于該集控區(qū)的建設時間早，管道老化破損，電鍍廢水滲入地下導致場地土壤遭受到重金屬污染。在再次開發(fā)利用前對該場地的土壤樣品進行采樣分析，發(fā)現(xiàn)該場地存在重金屬污染，污染特征因子為銅、鋅、鉻、鎳，以“展覽會用地土壤環(huán)境質量評價標準(暫行)”(HJ350-2007)中不同用地類型(居住用地和商業(yè)用地)的標準限值進行評估，均有不同程度的超標；以適用于商業(yè)用地的B級土地利用類型的土壤標準限值為標準，銅超標為47.5%，最大超標為16.97倍；鋅超標為33.4%，最大超標為10.92倍；鉻超標為2.7%，鎳超標為0.9%。

該電鍍集控區(qū)場地微地貌屬河流流域下游海積平原，地層上部埋深3 m以內以雜填土、粉質黏土、粗中砂為主，透水性強，滲透系數(shù)為0.27×10-2～3.6×10-2cm/s，容易受污染，為該場修復工作的重點；2～8 m主要為淤泥和淤泥夾砂，呈流塑狀，顆粒極細，透水性極差，滲透系數(shù)為3.6×10-7cm/s，厚度大于2 m，在污染場地范圍內均有分布，可作為天然防滲襯層，防止以下土層受污染；8～20 m主要為殘積砂質黏性土，14 m以下見花崗巖基巖。

通過污染場地健康風險評估結果表明，此污染場地部分地塊土壤中重金屬含量較高，存在較大的健康風險，需進行工程修復的地塊面積約為9 000 m2，最大污染深度為2 m，污染土方量約18 000 m3。

3.2 修復技術初篩

根據(jù)場地踏勘調查和資料收集，同時受項目工期所限制，擬采用異位修復技術進行場地修復。結合場地條件、修復目標及修復要求，從國內應用成熟的重金屬污染場地修復技術中初步篩選出的修復技術為阻隔填埋(T1)、固化/穩(wěn)定化(T2)、土壤洗脫(T3)、化學氧化/還原(T4)、植物修復技術(T5)。依據(jù)修復技術篩選指標體系，對照修復技術指標評價標準對初篩技術的16項指標進行量化評分，評分結果如(表5)所示。

3.3 篩選指標權重確定

針對篩選指標體系，通過專家問卷調查、咨詢的方式，對指標C1～C16的相對重要性作出標度判斷，按照指標相對重要性量化中1～9代表極不重要—極重要進行量化，再用AHP法對各指標進行分層比較和計算，并通過一致性檢驗，可得到篩選指標體系各指標的權重，計算結果如(表6)所示。

3.4 最適宜修復技術確定

表5 最初決策矩陣

表6 各層指標權重計算結果

注：① B層CR=0.045<0.1；②C層CR=0.057,0.09,0.058,0<0.1；③總層次CR=0.058<0.1，

利用TOPSIS法對各修復技術進行綜合評價排序；將表5的最初決策矩陣歸一化和表6中的C層總排序權重加權，得到加權規(guī)范矩陣；再根據(jù)公式計算得出各技術的綜合評價指數(shù) ，最終計算結果如(表7)所示。

表7 最終計算結果

由最終計算結果可以知道，根據(jù)5個備選修復技術的綜合評價指數(shù)，修復技術的適宜程度排序為T2、T1、T4、T5、T3，其中T2固化/穩(wěn)定化是該重金屬污染場地相對最適宜的修復技術。該污染場地的建設單位采用固化/穩(wěn)定化作為該場地污染土壤修復技術，施工后達到修復目標，與筆者篩選出的修復技術相符。該實例對指導重金屬污染場地修復技術篩選具有一定的實際意義。

4 結論

(1)該研究系統(tǒng)梳理了重金屬污染場地修復技術選擇路線，構建了污染場地修復技術篩選指標體系，運用AHP法和TOPSIS法進行污染場地修復技術篩選的決策，并成功應用于某電鍍污染場地的修復技術篩選。

(2)AHP法可避免對指標權重的忽視，TOPSIS法可克服在不易定量化指標上的主觀性，聯(lián)合利用可更科學客觀地解決修復技術決策問題，為建設場地的重金屬污染土壤修復技術的篩選決策問題提供參考。