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1、走进统计时代的土壤污染风险管控和修复汇报人:龙 涛 研究员生态环境部南京环境科学研究所国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室2023年6月16日第七届土壤与地下水峰会第七届土壤与地下水峰会 研究背景与进展 建设用地调查数据统计分析 地块尺度背景含量统计分析 总结与展望 研究背景与进展 建设用地调查数据统计分析 地块尺度背景含量统计分析 总结与展望 土壤污染防治法第三十五条土壤污染风险管控和修复,包括土壤污染状况调查和土壤污染风险评估、风险管控、修复、风险管控效果评估、修复效果评估、后期管理等活动。“风险管控和修复”涉及的超标判断与统计问题对土壤污染状况调查报告评审表明污染物含量超过土壤污
2、染风险管控标准的建设用地地块,土壤污染责任人、土地使用权人应当按照国务院生态环境主管部门的规定进行土壤污染风险评估。土壤污染防治法 第六十条建设用地土壤污染风险管控标准 GB36600-2018建设用地土壤中污染物含量等于或低于风险筛选值风险一般可以忽略建设用地土壤中污染物含量高于风险筛选值开展详细调查建设用地土壤中污染物含量等于或低于风险管制值开展风险评估判断是否需要采取措施建设用地土壤中污染物含量高于风险管制值对人体健康通常存在不可接受风险具体地块土壤中污染物含量超筛选值但等于或低于土壤环境背景值水平不纳入污染地块管理根据土壤和地下水检测结果进行统计分析,确定地块关注污染物种类、浓度水平和
3、空间分布。建设用地土壤污染状况调查技术导则 HJ25.1-2019法律法规标准要求 无视了分析测试的不确定性 结果再现性差 容易受到局部点位的干扰现实状况现状:目前大部分地块调查评价仍然采用样品最大浓度(逐样品比对)判定 19.9算合格,20.1算超标;这次采超标,下次采达标;1个局部点位的轻微异常,就会把地块拖入冗长的风险评估、修复、验收流程中。图“a”描述了对高浓度区域的常见误解,显示了具有明确边缘的同质分组。图“b”更真实地表示了这些区域以及浓度较低的邻近区域。资料来源:Deana Crumbling,2019。背景数据场地数据内在机理土壤异质性是土壤检测数据变异性的最重要原因。关心平均
4、浓度,但是检测分析所平均尺度与决策所关心的平均尺度之间存在极度不匹配。附着砷的微小氢氧化铁颗粒,显示为浅色沉积物(红色箭头)。含砷的铁矿物块散布在由硅酸盐矿物形成的“干净”颗粒中。Roger Brewer,HDOH,2012在同一块土壤中,一些颗粒会携带非常高的污染,而其他颗粒几乎没有。化学分析的消解或提取平均了该质量内的微观异质性。6个间距小于1英尺的10.5g样品的平均铅浓度,结果在 90-2047 mg/kg之间。Deana Crumbling,2019某些类型土壤颗粒的污染物载量与分析质量之间的关系是数据可变性的重要原因,它解释了土壤数据通常呈对数正态数据分布的观察结果。ITRC.,2
5、020土壤异质性发生在所有空间尺度上,从微观土壤颗粒到景观,但唯一有价值的尺度是与决策尺度相匹配的尺度。低于这个水平的异质性可以被认为是噪音。ITRC.,2020M=20m*20m*1m*1.5t/m3 =600tm=5gm/M=8.310-9我国现状混合样品法基于统计计算的方法ISOISO 18400-104:2018土壤质量-采样-Part 104:策略介绍了统计方法和增量混合方法英国比较土壤浓度数据和浓度阈值.美国(EPA、ASTM)超级基金风险评估指南支撑指南:计算浓度范围一系列统计学方法文件(置信上限等)部分州也在使用增量混合方法挥发性污染物单独管理(蒸气入侵指南)主要国家、地区及国
6、际组织解决思路日本(挥发性有机化合物)(30m 网格中的 1 个点)(重金属等)(30m网格内部分目标断面5点等混)(农药等)(30m网格内部分目标断面5点等混)土壌汚染調査及講措置関指針同解説德国 重金属/多环芳烃(多点混合样品)苯系物和氯代烃(单样品)荷兰 重金属/矿物油/多环芳烃(多点混合样品)优点:保留了样品浓度的空间分布特性;科学支撑更加充分;可以定量分析样品的浓度分布特征;缺点:实施成本更高超标数值可能面临政策和舆论风险EPA关键技术文件1989评估达到清理目标的方法:卷一 土壤与固体介质1992超级基金风险评估指南支撑指南:计算浓度范围1997环境应用中的对数正态分布2002计算
7、危险废物场地暴露点浓度置信上限2002使用伽马分布估计暴露点浓度区间2004ProUCL发布,并持续更新2006基于带有低于检出限观测值的未知总体的95%均值置信上限的计算2014用于证明符合修复目标的95%置信上限的计算指南阶段一阶段二阶段三EPA(美国)的相关进展-1989污染物浓度零假设清洁备择假设污染 零假设污染 备择假设清洁UL 上限LL 下限时间背景水平触发修复行动修复初期修复过程中未观测到显著污染触发合规监测合规监测返回合规监测明确了场地浓度分布与背景、标准之间的统计学关系浓度分布基于风险的标准EPA(美国)的相关进展-1992由于对于场地浓度均值的估计存在不确定性,一般认为应当
8、使用95%置信上限。95%置信上限提供了合理的信心保证场地真实均值不会被低估。对数正态分布UCL的计算超级基金风险评估指南支撑指南:计算浓度范围正态分布UCL的计算EPA的相关进展-ProUCL 5.2(2022年更新)国内现状 部分地块的调查报告中使用了浓度置信上限的方法来比对筛选值,并通过了专家评审(砷);HJ25.3 风险评估导则中提出:如某一地块内关注污染物的检测数据呈正态分布,可根据检测数据的平均值、平均值置信区间上限值或最大值计算致癌风险和危害商。HJ25.5效果评估导则中,当样品量8个时,允许采用统计分析方法判定是否达到修复目标(均值的95%置信上限)。HJ/T166标准中规定了
9、农用地混合样品的采集,对于建设用地土壤均未提出混合样品;HJ25.5效果评估导则中提出效果评估时,重金属和半挥发性有机物可以采集混合样品;HJ 25.2采样检测导则中提出了调查时混合样的采集方法,并说明挥发性污染物不允许混合样;GB/T 42489-2023土壤质量 决策单元-多点增量采样法使用了决策单元-多点增量混合样的方法,较传统的混合样品方法更为科学。国家制定了一系列统计学方法标准,可能涉及的包括:GB/T 3358 统计学词汇与符号 GB4086统计分布数值表 GB4882正态性检验 GB4883正态样本异常值的判断和处理混合样品相关标准情况建设用地统计方法相关情况统计学相关标准情况均
10、值的95%置信区间概念示意 污染物浓度服从(均值60,标准差8)的正态分布 采集9个样品,均值服从(均值60,标准差1)的正态分布污染物95%的置信度分布在4476范围内4476均值95%的置信度分布在5862范围内586295%均值置信上限95%均值置信下限背景数据场地数据超标判断问题的3种类型XS样本XX1,X2,X3,S样本XX1,X2,X3,样本Y Y1,Y2,Y3,地块砷最大值21,平均值15筛选值/目标值均值的95%UCL=17均值15均值13筛选值/目标值类型1数值比数值类型2分布比数值类型3分布比分布超标判断问题的3种类型类型1数值比数值类型2分布比数值类型3分布比分布初步调查
11、超筛选值评判 详细调查超筛选值评判 详细调查超背景值评判 效果评估超目标值评判地块、区块超对照区评判地块背景统计方法调查数据评判方法风险评估统计方法区域背景统计方法效果评估统计方法效果评估导则调查统计指南区域背景指南地块背景指南现 状标志性标准GB/T 42489-2023土壤质量 决策单元-多点增量采样法建设用地土壤污染状况调查数据统计技术指南(已立项)HJ 1185-2021区域性土壤环境背景含量统计技术导则地块尺度土壤环境背景含量统计技术导则(在研)混合采样方法超标判断与统计区域背景含量地块背景含量3.33.3基于基于现代采样理论的增量采样方法现代采样理论的增量采样方法通过收集特定区域大
12、量土壤增量样品(混合样)进行实验室分析,从而提供来自特定土壤体积(定义为决策单元(DU)或采样单元(SU))的样本中具有代表性的污染物浓度ISM采样工具示例采样工具示例问题:土壤污染在不同尺度具有较强的空间变异性。解决方案:在统计学方法指导下,通过大量采样、选择性混样并检测的方式,高效率地确定决策区域的污染物含量水平。在降低不确定的同时,有效控制检测成本。国家标准土壤质量 决策单元-多点增量采样法已发布。土壤质量 决策单元-多点增量采样法区域性土壤环境背景含量统计技术导则为区分土壤自然背景和人为污染建立技术方法基础 研究背景与进展 建设用地调查数据统计分析 地块尺度背景含量统计分析 总结与展望
13、建设用地土壤污染状况调查数据统计与分析技术指南总体思路本指南在土壤污染防治管理中的应用:初步采样调查阶段:开展数据的初步统计,原则上采用最大检出浓度表征地块污染物浓度水平,布点满足要求情况下可以开展详细统计,根据数据分布采用相应的95%浓度均值置信上限 详细采样调查阶段:对于不挥发或半挥发污染物,鼓励开展详细统计,满足要求情况下,根据数据分布采用相应的95%浓度均值置信上限;允许采用最大检出浓度表征地块污染物浓度水平。挥发性污染物采用最大检出浓度表征地块污染物浓度水平 风险评估阶段:基于详细调查阶段工作,采用最大检出浓度或95%浓度均值置信上限表征污染物浓度水平,开展评估计算本指南关键工作环节
14、:初步统计详细统计判断决策效果评估修复或风险管控风险评估详细采样调查初步采样调查第一阶段调查编制原则科学性经济性易用性 科学性与易用性的平衡:复杂的模型科学性更强,但是无法大规模应用,无法服务于管理;简单的模型,需要在数据量上或者评估结果的保守性上做出牺牲;科学性与经济性的平衡:初步调查阶段点数要求低,数据分析思路上趋于保守;详细调查关注指标少,而且有义务摸清污染情况,要求点数满足统计分析要求;易用性与经济性的平衡:保留选择最简单的思路(基于最大检出浓度),但结论最保守,可能带来过度修复;鼓励更加充分的调查和科学的模型使用,通过提高调查投入(成本投入和技术投入),节约后续的修复成本。以统计学为
15、科学基础工作程序及内容1-数据准备2-分布检验3-统计计算4-判断决策开始审核调查数据基本统计量描述指标初步筛选数据集划分数据集分布判定计算数据集浓度水平结束比较筛选值/管制值筛选风险评估关注污染物及计算暴露浓度风险评估判断决策-与标准的比较风险评估过程中,若开发规划已明确,可结合开发规划重新调整决策单元的划分,开展调查数据的统计分析工作。不适用于VOCs污染物超筛选值判定风险评估暴露浓度污染物未开展详细统计分析最大检出浓度超过筛选值(或管制值)最大检出浓度污染物已开展详细统计分析决策单元内该污染物的浓度均值95%置信上限超过筛选值(或管制值)决策单元内该污染物的浓度均值95%置信上限判断决策
16、-局部污染的处理要求调查评估认为决策单元内污染物风险可接受,但存在局部点位超过可接受风险水平的,应当对相应点位及周边进行清理或采取一定的风险管控措施。清理完成或风险管控措施实施后,需判断是否达到清理目标或管控要求,判定方法参照HJ25.5执行。第三十九条实施风险管控、修复活动前,地方人民政府有关部门有权根据实际情况,要求土壤污染责任人、土地使用权人采取移除污染源、防止污染扩散等措施。场地实际数据验证对于23个污染地块进行了标准适用性验证重金属/PAHs污染场地,有两个地块采用统计方法后,认定为没有风险(均为砷污染场地,单一点位超标)。研究背景与进展 建设用地调查数据统计分析 地块尺度背景含量统
17、计分析 总结与展望地块污染判断 判断:不超背景值,未受到污染 尺度:首选地块尺度背景值(美、澳、加),有允许利用区域背景值(无合适背景地块、节约调查成本,密歇根州、德克萨斯州)修复目标值下限确定 污染地块修复目标不应小于背景(美、加)风险交流(USEPA)在风险表征中:应包括高背景浓度及其对场地风险贡献的讨论 在风险沟通上:应全面、公开、明确地向公众描述和传达背景浓度可能带来的风险地块土壤环境背景主要作用(国际)判断地块土壤是否污染重要依据 土壤法中土壤污染是指”因人为因素导致某种物质进入陆地表层土壤,.,危害公众健康或者破坏生态环境的现象。”孙书记在2022环境保护工作会议“要在精准治污上下
18、更大功夫.,在水污染治理中,我们要充分考虑自然因素的影响,实事求是地开展水质评价、考核和排名,.”一般选择土壤背景值进行比较,不超背景,常认为是自然因素的原因,地块未受到污染。作为土壤修复目标值确定的主要考虑因素 HJ25.4:土壤修复目标值的确定应分析比较土壤风险控制值、GB 36600规定的筛选值和管制值、地块所在区域土壤中目标污染物的背景含量以及国家和地方有关标准中规定的限值,.,合理提出修复目标值。作为修复后土壤外运管理的重要依据 HJ25.5:若修复后土壤外运到其他地块,.,或采用接收地土壤背景浓度与.筛选值较高者作为评估标准值。地块土壤环境背景主要作用(我国)标准制订情况我国相关标
19、准情况:发布区域背景含量统计标准HJ1185-2021、未制订地块尺度背景标准国外相关标准情况:美国及相关州、加拿大相关省、意大利和法国发布了相关规范序号序号部门部门时间时间技术文件技术文件主要内容主要内容1US EPA国家工程论坛1995非正式技术指导文件废物场地土壤和沉积物中无机物背景浓度的确定背景取样地点的选择、采样程序选择中需考虑的因素、判断与背景场地上污染物含量之间是否存在显著差异的统计分析方法2US EPA2002超级基金超级基金场地土壤背景和化学浓度比较指南场地土壤背景和化学浓度比较指南是否有必要收集背景样本是否有必要收集背景样本、如何收集背景样本如何收集背景样本、评估背景数据评
20、估背景数据集集与场地污染数据差异性。与场地污染数据差异性。3肯塔基州环境保护委员会2004肯塔基州环境背景评估指南背景值确定方法、与背景比较程序场地背景的确定4威斯康星州自然资源局2013确定修复现场土壤污染物背景水平的指南背景采样区域选择、样品采集方法、比较方法(通过确定背景值进行比较)5佛罗里达州环保局2019背景和场地土壤中的化合物浓度比较指南背景采样区域选择、非统计的比较方法(直接比较、证据法)、统计的比较方法6加拿大BC省2019关于污染地块规则4:建立土壤背景浓度背景参考场地选择、样品采集与检测分析、比较方法(直接比较)7加拿大安大略省2021安大略省条例 153/04record
21、s of site condition part XV.1 of the act估算当地背景浓度标准,包括采样数量、采样位置、背景值确定方法8意大利APAT-ISS2006土壤中金属和类金属背景值的确定收集和分析现有数据、数据整合、数据集的构成、统计处理、背景值的确定9法国ADEME2018土壤背景值确定指南-场地尺度当地对照环境选择、数据收集与补充采样、统计分析为地块污染判断和地块土壤环境背景值确定提供方法 地块污染判断:判断地块土壤超标是否与人为因素无关 背景值确定:确定地块土壤环境背景值地块尺度土壤环境背景含量统计技术导则地块污染判断(判断地块土壤超标是否与人为因素无关)地块土壤环境背景
22、值确定信息综合研判地块与背景数据集比较标准定位标准总体思路信息综合研判信息综合研判(资料收集与分析、现场踏勘、人员访谈)地块与背景数据集比较地块与背景数据集比较(假设检验、地块与背景调查、数据分析比较)地块土壤环境背景值确定地块土壤环境背景值确定(数据获取、数据初步分析、背景值确定)第一部分:第一部分:判断地块土壤超标是否与人为因素无关第二部分:第二部分:地块土壤环境背景值确定怀疑地块土壤超标是非人为因素需要确定地块土壤环境背景值启动启动土壤目标元素或化合物通常为环境中普遍存在的无机元素,或非点源输入的持久性有机污染物如多环芳烃、多氯联苯等。研究背景与进展 建设用地调查数据统计分析 地块尺度背
23、景含量统计分析 总结与展望在土壤污染风险管控和修复中引入概率与统计学方法是全面、客观、科学表征土壤污染变异性、不确定性的必然趋势。优点:客观评估污染与风险,避免过度修复可望避免轻微污染地块、高背景地块进入名录,大量节省社会资源调查、评估、修复结果将具有更高的可重现性不足:采样数量更多后期社会、经济、行政资源的巨大节省技术要求更高开发相应的软件工具,免费提供总 结概率与统计学方法的应用展望1.采用概率风险评估和统计学方法,表征变异和不确定性单一的参数值合理最大暴露量污染物平均含量传统评估方法单一风险值单一阈值概率风险评估风险的概率分布基准阈值的变异与不确定性关键参数的全集污染物浓度分布暴露时长与
24、暴露量毒性因子分布精准定量设置保护水平2.采用统计学模型取代敏感性高、不确定性强的传统模型(蒸气入侵)上图:上图:J J-E E模型模型下图:统计学模型下图:统计学模型概率与统计学方法已经或即将被更广泛地应用到采样方法、背景表征、超标判定、风险评估等土壤环境管理环节中。致 谢 生态环境部 国家重点研发计划项目 场地土壤环境风险评估方法和基准(2018YFC1801101)团队骨干陈樯、吴运金等,清华苏州环境创新研究院 张磊、宋静等行业技术专家陈樯,生态环境部南京环科所正高级工程师吴运金,生态环境部南京环科所副研究员张 磊,南京大学环境学院副教授污染场地风险评估软件CRISK污染场地数据统计软件SiteStat谢谢!请批评指正南京环科所土壤重点实验室风险评估软件CRISK