孫一豪

李夢雨

姚 朋*

后工業(yè)時代的城市發(fā)展轉(zhuǎn)型不斷加速，傳統(tǒng)制造業(yè)逐漸衰落，伴隨著工廠企業(yè)的拆遷或封停，產(chǎn)生了大量閑置的和被污染的土地，即棕地，亦稱褐色土地或棕土。當前世界各國對于棕地的界定與認知并不完全相同，但卻都面臨著如何將這些土地進行集約高效的再利用，進而實現(xiàn)再生和可持續(xù)發(fā)展的問題。近年來風景園林學(xué)科不斷介入棕地再生，成為應(yīng)對工業(yè)時代遺留弊病與促進棕地再次融入城市土地利用的有效手段。

在國外研究中，以Web of Science網(wǎng)站核心合集作為信息統(tǒng)計源，時間跨度定位2010—2020年，以“棕地”(brownfield)作為關(guān)鍵詞，疊加“規(guī)劃”(planning)、“設(shè)計”(design)、“風景園林”(landscape architecture)等關(guān)鍵詞進行檢索，剔除載文中的重復(fù)文獻后留下50篇棕地再生風景園林學(xué)途徑的相關(guān)文獻。經(jīng)分析，近10年內(nèi)國外棕地景觀再生途徑的研究內(nèi)容主要集中在開發(fā)組織與社會政策[1-4]、場地評估與分析[5-7]、景觀手段介入方式[8-10]、棕地再生成果評價[11-14]等方面。以上研究對于景觀途徑棕地再生方法的頂層設(shè)計、宏觀原理以及具體應(yīng)對手段較為翔實，然而缺乏對棕地中污染物的量化研究。針對棕地污染特征研究的科學(xué)量化評價手段多集中與地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生態(tài)科學(xué)領(lǐng)域，包括Ferrara V等利用MIVI傳感器對棕地污染物濃度進行量化檢測[15]；測定污染元素含量后通過內(nèi)梅羅指數(shù)法[16-17]及漢克森指數(shù)法[18]等指數(shù)方法對場地進行污染元素的定量評價。這些量化研究缺乏在空間上銜接棕地污染本體與后續(xù)生態(tài)修復(fù)手段的有效介質(zhì)。

國內(nèi)學(xué)界對棕地問題的研究也涵蓋了諸多方面。以中國知網(wǎng)作為來源，疊加“棕地”“風景園林”作為關(guān)鍵詞獲得相關(guān)研究文獻后分析，可知研究內(nèi)容主要集中在國外棕地再生頂層設(shè)計綜述[19-21]、國內(nèi)外案例分析[22-24]以及再生成果評價指標與體系[25-27]，總體來看定性研究較多而定量研究不足。此外，近年來對于城市建設(shè)用地中土壤污染類型與程度的界定，我國出臺了《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)作為棕地中污染土壤治理的規(guī)范標準。其中，對土壤中重金屬與無機物污染元素含量制定了篩選值與管制值，并規(guī)定土壤污染元素含量低于篩選值可以忽略不計，高于管制值則存在著人體健康不可接受的風險，因此需在后續(xù)規(guī)劃設(shè)計中采取風險管控或修復(fù)措施。而高于篩選值、低于管制值的污染土壤則需進行進一步的調(diào)查評估，以采取有效處理措施。

1 研究方法

基于以上研究綜述，本文力求引入科學(xué)量化的評價方法介入棕地本體的污染評價，從而為后續(xù)生態(tài)修復(fù)及景觀規(guī)劃策略空間布局的制定提供科學(xué)支撐。瑞典著名地球化學(xué)家Hakanson(1980)提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法(也稱潛在生態(tài)指數(shù)法、漢克森指數(shù)法)是目前最被認可的評價重金屬污染程度的方法之一[28]。其基礎(chǔ)邏輯為根據(jù)土壤重金屬實測值與背景參考值計算重金屬元素的污染系數(shù)。隨后結(jié)合重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)計算場地單一重金屬與多個重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)，并以此作為評價場地重金屬污染程度的量化依據(jù)。同時以上數(shù)據(jù)可以通過地理信息系統(tǒng)平臺(以下稱GIS平臺)進行空間分布的圖示表達。潛在生態(tài)危害指數(shù)法可以科學(xué)、定量地評價場地中土壤情況，結(jié)合GIS平臺的分析將污染程度落位于場地空間之上，更加直觀地指導(dǎo)后續(xù)基于土壤污染治理的規(guī)劃設(shè)計策略的提出。具體操作流程如圖1。

圖1 潛在生態(tài)危害指數(shù)法分析及應(yīng)用流程

1.1 研究區(qū)域

本次研究選定河北省邯鄲市復(fù)興區(qū)內(nèi)的西湖庫區(qū)，總面積約為300hm2。場地內(nèi)存在沁河與輸元河2條河流，在中心匯聚形成西湖庫區(qū)，用于城市行洪。場地原為邯鄲鋼鐵場煉鋼廠區(qū)，現(xiàn)基本已經(jīng)搬遷完畢。

場地南側(cè)存在一個建材廠，內(nèi)部存有高爐以及鐵軌；西北角為邯鄲西環(huán)駕?？荚噲?。場地西南角，鐵路北側(cè)為一處未被使用的廢棄地，場地內(nèi)堆滿生活垃圾；東側(cè)廣場現(xiàn)有硬質(zhì)鋪裝，但處于閑置狀態(tài)，沒有得到利用。場地內(nèi)存有大面積棕地，包括北側(cè)拆遷廠房地塊、南側(cè)垃圾填埋地、東側(cè)建材工廠以及其內(nèi)部的水渣堆放地(圖2)。推測金屬原材料與煉鋼水渣堆放場地中，重金屬元素會隨雨水下滲，造成土壤污染；同時由于生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)存在一條軟質(zhì)駁岸明渠，因此不排除工業(yè)污水在渠中排放并滲透污染其兩側(cè)河岸土壤的可能。

圖2 研究區(qū)域用地現(xiàn)狀

1.2 土壤取樣與理化檢測

對于以上推測的土壤污染情況，通過土壤取樣以求得污染類型與污染程度確切數(shù)據(jù)。土壤取樣是指對調(diào)查場地土壤樣品的科學(xué)化采集以及后續(xù)的分析測試。據(jù)此可以深入了解目標場地的土地使用、生產(chǎn)管理以及土壤的質(zhì)量等級。土壤取樣為后期的土地品質(zhì)評價提供有力支持。由于本次設(shè)計場地接近矩形，因此采用五點取樣法中的“X”樣方采集方式，即按“X”形布設(shè)取樣點后采取場地土方(圖3)。

圖3 場地土壤取樣點布置

隨后送檢，進行土壤理化分析并取得化驗結(jié)果(表1)。根據(jù)樣方理化數(shù)值，依據(jù)我國《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)，可以初步判定出低于篩選值與高于管制值的區(qū)域。

表1 樣方土壤理化指標檢測結(jié)果(單位：mg/kg)

2 分析過程

2.1 單一重金屬元素潛在生態(tài)風險系數(shù)計算

首先依據(jù)式(1)進行單一重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)的計算。

式中，為計算出的單一重金屬的污染系數(shù)；為土壤中某一項重金屬質(zhì)量比實測值，由于涉及多個樣方點的測量結(jié)果，因此選用平均值；為目標重金屬元素的背景參考值，是基于土壤環(huán)境背景含量的統(tǒng)計值。Ei指在一定時間條件下，僅受地球化學(xué)過程和非點源輸入影響的土壤中元素或化合物的含量，計算中參考場地所在河北省的重金屬質(zhì)量比背景值[29]；為目標重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)，反映該元素在水相、土壤和生物間的影響關(guān)系，用于衡量重金屬元素對生物造成的危害程度。本文采用漢克森指定的標準化毒性系數(shù)[30]。經(jīng)計算，場地單一重金屬元素潛在生態(tài)風險指數(shù)結(jié)果見表2。

表2 場地單一重金屬元素潛在生態(tài)風險指數(shù)計算

在得到單一重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)后，便可以與潛在生態(tài)危害指數(shù)法中給出的重金屬潛在生態(tài)指數(shù)分級標準中的系數(shù)(表3)分析確定場地單個重金屬元素的風險等級。

表3 重金屬潛在生態(tài)指數(shù)分級標準[25]

2.2 土壤重金屬密度空間分布圖

以上系數(shù)的計算只是將場地空間視作一個整體進行評價，并不能了解每種元素的具體潛在風險程度以及在場地內(nèi)的空間分布，因此研究引入ArcGIS平臺進行空間分析，根據(jù)樣方檢測將上述單個重金屬元素潛在生態(tài)指數(shù)計算結(jié)果進行空間落位，明確各元素的空間分布及數(shù)量特征。

2.3 多個重金屬潛在生態(tài)風險綜合指數(shù)

接著，根據(jù)式(2)計算場地多種重金屬潛在生態(tài)風險綜合指數(shù)RI。

式中，為上文計算的單一重金屬元素生態(tài)風險系數(shù)。經(jīng)計算，場地多個重金屬潛在生態(tài)風險綜合指數(shù)為934。對比表4給出的風險分級標準可知，整個場地土壤生態(tài)環(huán)境在重金屬污染層面具有強生態(tài)風險。

表4 重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)分級標準

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)空間分布圖

為了更加具體明確地了解場地中重金屬污染的分布情況，再次引入ArcGIS平臺進行上述指數(shù)結(jié)果的圖示化表達(圖4)。

圖4 場地土壤多個重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)空間分布

3 研究結(jié)果

通過單一重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)(以下簡稱“風險系數(shù)”)可以發(fā)現(xiàn)，場地中的鉻元素與鉛元素的風險系數(shù)分別為3.2與27.6，分級屬于輕微生態(tài)風險，基本可以忽視；銅元素和鎳元素的風險系數(shù)分別為50.0與67.0，分級屬于中等生態(tài)風險，在空間上較集中的分布在場地西側(cè)與東側(cè)邊界，應(yīng)進行相應(yīng)的分析后提出處理措施；而砷元素、鎘元素和汞元素的風險系數(shù)分別為105.0、205.8與476.0，分級屬于較強生態(tài)風險以上，砷元素呈點狀分布，鎘元素與汞元素則呈面狀分布。以上3種元素均會對場地中的生物健康產(chǎn)生威脅，需要采取相應(yīng)的凈化措施。

從單一重金屬污染空間分布特征來看，場地西側(cè)邊界附近主要為無機物砷元素的污染，原場地為村民自墾農(nóng)田及季節(jié)性濕地，推測產(chǎn)生污染原因為使用農(nóng)藥遺留的大面積無機物面源污染；場地南側(cè)澗溝村附近主要為金屬元素鉻污染，原場地為鋼材廠堆放鋼渣的區(qū)域，地表大部分為混凝土澆筑的硬質(zhì)鋪裝，少量為裸土，推測造成污染的原因為鋼渣中的鉻元素隨雨水下滲而導(dǎo)致了污染；場地東側(cè)工業(yè)棕地附近主要為鎘和鎳污染，原場地為鋼材加工廠房與邯鋼技校區(qū)域，推測污染來源為鋼鐵冶煉以及制作合金過程中，產(chǎn)生的包含2種元素的工業(yè)廢棄物被掩埋所導(dǎo)致。

通過多個重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)空間分布圖可知，面積近半數(shù)的陸地處于較強生態(tài)風險以上，主要分布于場地東側(cè)、南側(cè)的工業(yè)棕地以及西側(cè)農(nóng)田，廠房拆遷地、垃圾填埋地以及村落周圍土地也存有較強生態(tài)風險的區(qū)域。場地邊界雖然存有單一重金屬高密度聚集的情況，然而由于毒性響應(yīng)系數(shù)較低等原因，普遍表現(xiàn)為中度或輕微生態(tài)風險。

綜上，通過對場地土壤樣方的采集與理化分析，結(jié)合國家標準中給定的相關(guān)元素的篩選值與管制值，以及漢克森指數(shù)法得出的場地土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)空間分布，可以全面、科學(xué)地了解場地土壤重金屬所處的污染類型、污染程度以及空間分布情況，并可以此為研究基礎(chǔ)，明確以風景園林為主要途徑的棕地污染凈化策略。

4 結(jié)論——分級管控、分類治理的景觀營建策略

由前文分析可知，目標場地受過去工業(yè)生產(chǎn)的影響，土壤和水體存在一定程度的污染，且不同區(qū)域的污染類型和污染程度均不相同，呈現(xiàn)出類別性差異和區(qū)域性分布的特點。除土壤污染外，經(jīng)測定水體上游沁河中存在著重金屬污染，水體質(zhì)量為地表水體IV類，中部庫區(qū)水體氮、磷超標，水體污染對下游居民的用水安全構(gòu)成威脅。針對以上土壤和水體污染問題，漢克森指數(shù)法的應(yīng)用能夠在空間上確定污染邊界，進而在景觀營建時準確落位，針對性地采用技術(shù)措施，從而因地制宜地實現(xiàn)棕地修復(fù)與再生的目標。

對于上述污染，傳統(tǒng)的理化方法投資成本大，且需要專業(yè)的管理維護，同時理化凈化試劑的使用不當有可能在整個凈化過程中產(chǎn)生二次污染。與此同時，近期學(xué)界提出的基于自然手段的生態(tài)污染治理方法(Nature Based Solution，NBS)，可通過細致分析場地中不同地塊的污染程度與污染類型設(shè)置凈化策略，并且發(fā)揮風景園林學(xué)科的橋接作用，將基于自然的生態(tài)污染治理方法與場地景觀設(shè)計進行有機融合。

4.1 分級管控——基于污染強度劃定游憩等級

本次規(guī)劃設(shè)計中，通過前文計算的生態(tài)風險指數(shù)將場地進行生態(tài)風險分級，并制定分級管控策略。強潛在生態(tài)風險區(qū)域呈點狀分布在場地東側(cè)的原鋼材工廠、農(nóng)田濕地及場地西側(cè)邊界，總面積約11.6hm2。強生態(tài)風險意味著土壤對生態(tài)環(huán)境或生物健康影響惡劣且劇烈，可引發(fā)人體產(chǎn)生多種疾病，如致突變、致畸形、致癌等[31]，通常需進行高強度且長時效的治理方式，因此將指數(shù)處于高生態(tài)風險的區(qū)域設(shè)置為低游憩等級，將空間隔離、凈化和限制觀賞作為主要的景觀設(shè)計策略(圖5)。

圖5 低游憩等級區(qū)域景觀規(guī)劃策略

中潛在生態(tài)風險區(qū)域主要分布在東側(cè)的拆遷技校、原鋼材工廠、農(nóng)田濕地及場地西側(cè)邊界，多環(huán)狀包圍高潛在生態(tài)風險區(qū)域，總面積達55.1hm2。中生態(tài)風險意味著雖然區(qū)域土壤污染層級較低，但是可能存在部分單一重金屬或無機物元素超過國家標準中風險管制值的可能。同時，游客長時間與重金屬污染土壤接觸仍有健康風險，許多研究表明，存在于土壤環(huán)境中的鉛、鉻等重金屬元素會對兒童的神經(jīng)發(fā)育造成負面影響，引起兒童智力遲鈍和發(fā)育遲緩[31]，所以需控制進入中潛在生態(tài)風險場地的時間與方式。因此將指數(shù)處于中生態(tài)風險的區(qū)域設(shè)置為中游憩等級。由于這些區(qū)域中具有可以接觸的污染場地，因此在設(shè)計中增加了限制性游賞體驗的策略，作為游客介入場地的方式之一，增設(shè)覆蓋場地的棧道系統(tǒng)，保護游客健康并也形成立體交通體系，增加多重游憩體驗(圖6)。對于部分對游客沒有健康威脅的中度污染場地，采取開放的態(tài)度，使得游客可以近距離觀察、接觸與體驗這些污染凈化裝置，樹立更加深刻的防污染意識，發(fā)揮綠色空間的科普宣教功效。

圖6 中游憩等級區(qū)域景觀規(guī)劃策略

低生態(tài)風險區(qū)域意味著土壤只有輕微的、可忽略的污染或者基本無污染，游客進入不會影響身體健康，因此將指數(shù)處于低生態(tài)風險或無生態(tài)風險的區(qū)域設(shè)置為高游憩等級而不做特殊管控，設(shè)計策略上與一般景觀無較大差異。

4.2 分類治理——依據(jù)場地要素確定修復(fù)技術(shù)

經(jīng)上述分析研判，場地水體受工業(yè)生產(chǎn)影響和化肥農(nóng)藥污染，存在重金屬元素的污染和氮、磷元素的超標，土壤中潛在生態(tài)風險較大的元素有砷、鎘和汞。針對以上超標元素，根據(jù)場地要素制定了相應(yīng)的景觀化分類治理措施。

4.2.1 水體污染與處理

水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果(表5)顯示，位于上游的原工業(yè)生產(chǎn)場地中水渠中的水體存在一定程度的重金屬污染，水體質(zhì)量為地表水體IV類，中部庫區(qū)水體存在化肥農(nóng)藥污染導(dǎo)致的氮、磷超標。

表5 場地水體理化分析結(jié)果(單位：mg/L)

在現(xiàn)狀蓄洪區(qū)的基礎(chǔ)上，規(guī)劃全新的水域空間布局。將水域構(gòu)建成濕地系統(tǒng)，來應(yīng)對水體潛在的重金屬污染、無機物污染等問題，凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源、維護生物多樣性。

在核心區(qū)構(gòu)建潛流濕地，利用“基質(zhì)-植物-微生物”生態(tài)系統(tǒng)，改善水環(huán)境質(zhì)量。同時部分水域構(gòu)建“表流濕地+生態(tài)塘”水系統(tǒng)，表流濕地+生態(tài)塘的復(fù)合系統(tǒng)，對于河水中氮的去除起到很好的效果，具有很強的抗負荷沖擊能力，能起到凈化水質(zhì)和蓄滯洪澇的綜合作用[32-33]，共計構(gòu)建潛流濕地面積6.6hm2，表流濕地面積13.8hm2，實現(xiàn)對超過20萬m3水體的凈化。為控制整個場地的面源污染，以植被緩沖帶串聯(lián)散落場地的近10處的凈化型雨水花園，與小型濕地形成連續(xù)的水體凈化體系。經(jīng)過整個凈化作用，從而達到凈化雨水徑流的作用。

對于水體上游的重金屬污染與庫區(qū)的無機物污染問題，可采用植物根莖吸收的方式進行治理。例如，部分禾本科植物對土壤中的重金屬元素具有良好的固化作用[34-35]。此外，場地駁岸大部分采用自然駁岸，如草坡入水的方法，以增加治污植物的栽植面積，增強植物吸附治理效果。硬質(zhì)駁岸設(shè)置2～3級臺地，形成總計長約1 800m的硬質(zhì)駁岸，從而實現(xiàn)對水體的凈化。

4.2.2 土壤污染與處理

對于場地東側(cè)工業(yè)棕地土壤中鎘、鎳等重金屬元素超標的問題，可通過工業(yè)廢渣吸附、生物基質(zhì)固化及植物根莖吸收等相關(guān)技術(shù)手段進行治理。

通過某種工業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的工業(yè)廢料來凈化生態(tài)污染也是近年來學(xué)界不斷探討的生態(tài)修復(fù)方法之一。例如，對于場地東側(cè)工業(yè)棕地附近土壤中超標的鎘元素，污染面積達174.0hm2，可以通過添加赤泥陶粒進行吸附作用[36]。赤泥是制鋁過程中提取氧化鋁所產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物之一，將其添加進常用建筑材料陶粒的燒制過程中形成赤泥陶粒，這種新型環(huán)境功能材料表現(xiàn)為片狀聚集體，多孔結(jié)構(gòu)易團聚且抗壓好，為其吸附土壤中的重金屬元素提供了更優(yōu)的反應(yīng)條件。景觀規(guī)劃設(shè)計中可以根據(jù)場地特征設(shè)置不同的赤泥陶粒添加形式，同時對吸收鎘元素后的赤泥陶粒進行回收，作為建筑材料使用到園內(nèi)服務(wù)設(shè)施或構(gòu)筑小品的建設(shè)中，形成有益循環(huán)。通過添加赤泥陶粒，可覆蓋近200hm2土壤中的鎘污染，實現(xiàn)對場地內(nèi)鎘污染的治理。

對于場地東側(cè)工業(yè)棕地附近土壤中鎳元素超標的問題，作為重金屬原位固化技術(shù)之一的生物基質(zhì)修復(fù)為鎳元素的清除提供了可行的技術(shù)選擇[37]。將木屑做水熱處理形成水熱碳，通過定型處理后得到水熱碳棒。經(jīng)試驗，水熱碳可以有效降低60%土壤中的鎳，使得整個土壤生物毒性降低約30%。而碳棒的安插與設(shè)置可以通過藝術(shù)手段使其成為場地主題景觀的一部分，從而使得場地中的工業(yè)精神以景觀實體的形式得到轉(zhuǎn)譯與升華。通過水熱碳棒的應(yīng)用，可輻射面積達到88.3hm2，能夠固化超標的鎳元素，從而降低鎳元素對場地的污染。

5 結(jié)語

棕地再生是一個復(fù)雜和長時的過程，需要多學(xué)科的交叉合作與多專業(yè)的協(xié)同參與，更需要以科學(xué)為支撐的理論研究和以問題為導(dǎo)向的實踐創(chuàng)新，特別是對棕地污染類型與污染程度的定性、定量分析和對污染處理的策略制定。本文立足風景園林學(xué)科并以棕地景觀再生為出發(fā)點，通過融合與交叉多個學(xué)科的相關(guān)知識體系，力求科學(xué)研判土壤重金屬的污染程度、類型及空間分布，探討有效應(yīng)對工業(yè)污染、針對性地營建綠色空間和表達工業(yè)文化的、以風景園林途徑為主導(dǎo)的棕地再生策略，最終實現(xiàn)以棕地為空間載體、污染治理與景觀建設(shè)兼顧的目標。

研究中涉及生態(tài)工程學(xué)科的知識應(yīng)用還具有細化與探討的空間，例如土壤取樣方法中的網(wǎng)格尺度、對土壤污染治理的手段等，此外還應(yīng)結(jié)合場地的污染類型和程度，特別是預(yù)期景觀效果來制定具體修復(fù)方案?；谕寥乐亟饘贊撛谏鷳B(tài)風險評價的棕地景觀營建方法仍需更多的理論探索與實踐檢驗，方能形成持續(xù)性的方法體系，為我國新時代城市建設(shè)與更新不斷向科學(xué)化、精細化轉(zhuǎn)型提供借鑒和參考。

注：文中圖片均由作者繪制。