汾河沿岸汞的變化規(guī)律分析及防治

祁 彧,樊貴盛

(太原理工大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院; b.水利科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030024)

汾河沿岸汞的變化規(guī)律分析及防治

祁 彧a,樊貴盛b

(太原理工大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院; b.水利科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030024)

以汾河典型斷面下河床土壤中的汞為研究對(duì)象,通過實(shí)地測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M,對(duì)汾河沿岸汞的來源和分布狀況進(jìn)行了研究分析。研究結(jié)果表明:重金屬汞多集中在土壤的表層40～100 cm之間;表層土壤汞的主要來源于人為源中的污水灌溉,且汞的污染范圍多在距兩岸150 m的范圍內(nèi);汾河深層土壤汞污染主要為長(zhǎng)時(shí)間河槽向兩岸灘地的遷移積累。文末針對(duì)汾河沿岸的汞污染現(xiàn)狀提出了相應(yīng)的修復(fù)方案。

汾河;重金屬;汞污染;分布規(guī)律;修復(fù)方案

近些年,隨著國民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,大量生活和工業(yè)廢污水排入河中,致使汾河水質(zhì)惡化,嚴(yán)重影響了沿岸景觀和居民的身心健康,是山西水資源與水生態(tài)問題最為典型的流域[1]。因此,該流域水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)綜合治理方案的實(shí)施,與汾河流域的社會(huì)發(fā)展、沿岸的生態(tài)環(huán)境和人民生活息息相關(guān)。重金屬汞,是唯一在常溫下呈液態(tài)并易流動(dòng)的金屬,汞及其化合物不僅具有較強(qiáng)的生物毒性,被認(rèn)為是河海岸帶少數(shù)受限制的生物機(jī)體內(nèi)一種主要的污染物[2]?？梢?研究汾河沿岸重金屬的污染狀況分析及其修復(fù)技術(shù)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

目前,相關(guān)河流水體及環(huán)境中重金屬汞的研究相當(dāng)普遍,其主要包括以下幾個(gè)方面:

1) 土壤重金屬汞的來源、時(shí)空分布和污染現(xiàn)狀的研究[3-5];

2) 汞在土壤中吸附和運(yùn)移方面的研究[6-7];

3) 土壤汞污染對(duì)植物的毒害[8-10]；

4) 重金屬汞污染土壤修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)的探討[11]。

上述研究多集中于河流、城市土壤和礦區(qū)土壤中汞污染領(lǐng)域,然而,相關(guān)河流沿岸土壤尤其汾河沿岸汞污染現(xiàn)狀及其修復(fù)技術(shù)研究報(bào)道較少。筆者以汾河典型斷面下河床土壤中的汞為研究對(duì)象,對(duì)汾河沿岸重金屬汞的分布狀況進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室模擬,進(jìn)一步分析了重金屬汞沿汾河沿岸的分布規(guī)律和影響因素,并針對(duì)汾河沿岸汞的污染現(xiàn)狀提出了相應(yīng)的修復(fù)方案,為汾河河道的治理和水土修復(fù)提供了理論和技術(shù)支撐。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

1.1 典型斷面的選擇

汾河干流全長(zhǎng)為694 km,基于河流特征,汾河可分為上中下游三段:太原蘭村以上為上游、蘭村至洪洞石灘為中游、中游斷面以下至萬榮縣廟前村入黃河口為下游[12]。依據(jù)汾河干流各監(jiān)測(cè)斷面的歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果,汾河中游段及下游段水質(zhì)污染情況較為嚴(yán)重,因此本文選取汾河干流的太原市清徐貫家堡和臨汾市堯都區(qū)斷面河床土壤作為現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn),采樣點(diǎn)均為汾河主河道的主要控制點(diǎn),基本能反映汞在汾河中游及下游灘地土壤中的分布規(guī)律。清徐地區(qū)土壤汞背景值約為0.08 mg/kg,,臨汾地區(qū)約為0.04 mg/kg[13]。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

典型斷面土壤的理化指標(biāo)如表1所示。

表1 典型斷面土壤的理化性狀指標(biāo)

1.3 采樣方法

以清徐典型汾河斷面為例,其主要采樣位置分布見圖1所示,其中,此以河床臨水邊界為起點(diǎn)(記為0 m),向河道一側(cè)灘地范圍內(nèi)延伸,每隔30 m取一處采樣點(diǎn),記為30，60，90，120，150 m。縱向分布以地下水位線為基準(zhǔn),記為垂直方向的起始點(diǎn)(0 cm),向上或向下每隔40 cm取一次土樣,即,向下依次為0～40，40～80，80～120，…，360～400 cm,向上依次為0～(-40)，(-40)～(-80) cm，…的層次分層采集實(shí)驗(yàn)室中的試驗(yàn)土樣。

圖1 典型斷面取土剖面分層及采樣位置分布示意圖

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)量

首先,將采集回的土樣平鋪于潔凈的紙上,按壓成碎塊,放于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)陰涼通風(fēng)處自行風(fēng)干;其次,采用0.149 mm的孔徑尼龍篩對(duì)自然風(fēng)干的土樣篩濾,并制成滿足分析要求的土壤樣品,將其裝于樣品袋中;最后,將所制的土樣移交太原市土壤肥料測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 重金屬汞沿橫斷面的垂向分布

圖2為清徐和臨汾臨水處取樣點(diǎn)1重金屬汞沿橫斷面垂直分布的測(cè)量結(jié)果,分別見圖2-a和2-b。由圖2中的測(cè)量結(jié)果可知:

1) 兩地的重金屬汞在土壤中0～300 cm范圍內(nèi)分布極不穩(wěn)定,隨著土壤深度的增加,汞含量呈下降趨勢(shì),深度達(dá)到400 cm后,汞的含量逐漸趨于穩(wěn)定;

2) 重金屬汞主要分布于土壤的表層40～100 cm之間。

2-a 清徐橫斷面

2-b 臨汾臨水處

圖2-a和2-b對(duì)比可知,臨汾取樣點(diǎn)1的重金屬汞的含量明顯高于清徐,其中,汞在土壤100 cm附近的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,這是由于洪水上灘或農(nóng)民取用污染水進(jìn)行灌溉,使得重金屬汞隨著水分進(jìn)入土壤中,而臨汾的土壤多是中堿性土壤,導(dǎo)致進(jìn)入土壤中的汞易與土壤組分發(fā)生吸附、絡(luò)合、沉淀反應(yīng),形成穩(wěn)定性不同的形態(tài)而集中在表層[14]。

2.2 重金屬汞沿水平方向的分布規(guī)律

2.2.1灘地表層汞的水平分布

圖3為清徐和臨汾段汾河沿岸表層土壤中不同取樣點(diǎn)汞含量的水平分布圖,分別見圖3-a和3-b。由圖3總體數(shù)據(jù)可看出,隨著離汾河主干道水平距離增加,土壤表面汞含量呈現(xiàn)不規(guī)則分布,臨汾表層土壤在取樣點(diǎn)2(即距河床臨水邊界30 m)處汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,其值為0.5 mg/kg,其附近污染也較為嚴(yán)重,而清徐表層土壤距河床臨水邊界的60～150 m之間汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。以上測(cè)試結(jié)果表明,兩地距河床臨水邊界0～150 m的水平距離范圍內(nèi)表層土壤的汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均已超過山西省土壤中汞的背景值。

3-a 清徐

3-b 臨汾

研究發(fā)現(xiàn),汾河兩岸重金屬汞的來源主要有三方面:其一,汾河兩岸灘地的灌溉長(zhǎng)年采用汾河水,汾河水中重金屬元素會(huì)在土壤中富集和分散,污染表層的耕作區(qū)土壤[15];其二,重金屬汞作為土壤的溶質(zhì),從汾河水中向兩岸灘地遷移;其三,大氣中的重金屬通過長(zhǎng)時(shí)間的沉降,積累在土壤表層。根據(jù)分子擴(kuò)散理論,溶質(zhì)在土壤中會(huì)從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散,即汞離子會(huì)從汾河向?yàn)┑財(cái)U(kuò)散,并呈降低趨勢(shì)。然而,臨汾和清徐的兩岸灘地30～150 m的范圍內(nèi)土壤表面汞離子卻高于0 m處,這充分說明此兩處區(qū)域的土壤表層汞污染物主要來源于汾河水灌溉耕地,其汾河水中汞的自身遷移影響較小。

2.2.2灘地深層汞的水平分布

圖4為清徐和臨汾灘地深層(以地下水位320～360 cm為例)土壤中汞含量的水平分布圖。由圖可以看出土壤深層汞含量隨著離汾河主干道水平距離的增加而降低。由圖4-b可知,臨汾地區(qū)河床臨水邊界的0～60 m之間的灘地深層土壤汞含量超出山西省土壤中汞的背景值,與清徐地區(qū)相應(yīng)取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)差距很小。圖4-a顯示清徐地區(qū)臨水邊界的60～150 m之間的灘地深層土壤汞含量較高,與當(dāng)?shù)胤诤优R水處相當(dāng),并超出山西省土壤中汞的背景值。這主要來自于該層土壤位于地下水位320～360 cm,來自表層的污水灌溉和大氣沉降的汞經(jīng)過土壤的吸附、絡(luò)合和沉淀作用,大多富集在土壤的表層,很難遷移到這里。該層處于飽和狀態(tài),其中的汞主要由于汾河水的橫向遷移,即通過溶質(zhì)的對(duì)流作用、擴(kuò)散作用和機(jī)械彌散作用遷移。

4-a 清徐

4-b 臨汾灘地

3 土柱實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)室土柱實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為自制的室內(nèi)土壤水分入滲裝置。滲流裝置由供水系統(tǒng)(馬氏桶)和滲流土柱(包括供水室、入滲柱、排水室三部分)組成。所采用的樣品取自山西省汾河干流的太原市清徐貫家堡和臨汾市堯都區(qū)斷面河床土壤,采樣點(diǎn)均為汾河主河道的主要控制點(diǎn),基本能反映汞在汾河中游及下游河床土壤中的分布規(guī)律。所有實(shí)驗(yàn)用水均取自汾河小店橋河道原樣污水。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5-a和5-b分別為清徐和臨汾土柱入滲達(dá)到飽和一定時(shí)間后土壤中汞的含量變化。由圖中曲線可以看出,清徐和臨汾土壤中汞含量的總體分布規(guī)律一致,均呈現(xiàn)出波浪形分布,75 cm的汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值均大于0.1 mg/kg,而且清徐取樣點(diǎn)的汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于相應(yīng)的臨汾取樣點(diǎn),并在10～75 cm間出現(xiàn)明顯的波動(dòng),汞在75 cm以下均呈下降趨勢(shì),并趨于穩(wěn)定。

5-a 清徐

5-b 臨汾

4 汞污染的治理

Huckabee等人[16]的研究指出,不同的植物類型對(duì)汞的吸收富集程度不同。其中草本植物明顯地高于木本植物。張磊等人[17]通過對(duì)城市不同功能區(qū)的植物(柏樹、落葉松、法桐、黃楊、冬青)體內(nèi)汞含量的測(cè)定,結(jié)果表明不同的植物對(duì)汞的吸收累積能力不同,其中冬青和黃楊對(duì)汞的吸收累積能力較高。鄭冬梅等[18]通過對(duì)五里河沿岸一些常見的草本植物進(jìn)行研究,結(jié)果表明水蓼對(duì)汞具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)移能力,可選做植物提取方式的污染土壤修復(fù)。根據(jù)實(shí)地測(cè)量結(jié)果可以看出清徐和臨汾地區(qū)兩岸灘地150 m范圍內(nèi)土壤表層汞含量均超過山西土壤背景值,因此可采取以下措施：

1) 可在兩岸建立150 m寬的緩沖帶,并在緩沖帶內(nèi)施加氮、磷、鉀肥以提高土壤肥力。施加適當(dāng)?shù)氖乙哉{(diào)整土壤pH值。

2) 分別在兩岸緩沖帶內(nèi)種植超積累植物黃楊和水蓼。

3) 增施葉肥。該方法是以植物提取為中心以施肥施加石灰等措施為輔助，從而實(shí)現(xiàn)了植物、化學(xué)、工程等措施的有機(jī)結(jié)合。

5 結(jié)論

1) 汾河流域兩岸重金屬汞沿橫斷面垂直分布的測(cè)量結(jié)果表明,重金屬汞多集中在土壤的表層40～100 cm之間。

2) 汾河灘地表層土壤中的汞主要來源于人為源中的污水灌溉的不合理,其中后者為主要影響因素,而汾河水中汞的遷移影響較小,且汞的污染范圍多在距兩岸150 m的范圍內(nèi)。

3) 汾河深層土壤汞污染主要為長(zhǎng)時(shí)間河槽向兩岸灘地的遷移積累,而受污水灌溉影響較小。

4) 根據(jù)汾河的污染現(xiàn)狀以及實(shí)地調(diào)查,提出了汾河沿岸汞的修復(fù)宜采用生態(tài)修復(fù),以植物修復(fù)為主,化學(xué)強(qiáng)化、生物強(qiáng)化和酶學(xué)強(qiáng)化為輔的聯(lián)合修復(fù),對(duì)重金屬汞污染修復(fù)的同時(shí)提高汾河周圍的空氣環(huán)境質(zhì)量,這對(duì)山西省的汾河流域治理、綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)環(huán)保效益等具有重要的意義。

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(編輯：賈麗紅)

VariationRegulationandTreatmentsofHeavyMetalMercuryinFenheRiver

QIYua,FANGuishengb

(a.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China；b.CollegeofWaterResourcesScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The mercury content of riverbed soil in the representative emblematic section of Fenhe river basin was investigated via the field measurements and laboratory column experiments. The main source and distribution regularity of mercury were searched and analyzed. The obtained results show that the heavy metal mercury is typically found in topsoil between 40 cm and 100 cm, which comes mainly from the anthropogenic sewage irrigation and contaminates the topsoil within the range of 150 m away from the river. The mercury in the deeper soil is mainly derived from the long-term migration from the river channel into floodplain. Finally, the situation of mercury pollution in the Fenhe river basin was summarized and the corresponding treatment countermeasures were put forward.

Fenhe river;heavy metal;mercury pollutant;distribution regularity;treatment countermeasures

2013-07-02

山西省河道管護(hù)服務(wù)總站資助(2010-11)

祁彧(1980-)，男，太原人，博士研究生，主要從事污染控制與土壤中污染物遷移、修復(fù)等方面的研究，(Tel)18635140503

樊貴盛,男,教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)fanguis5507@263.net

1007-9432(2014)01-0102-04

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