土壤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及空間分布的研究

游佐佳，孟勤憲，曾前勇，鄒凱

（遂寧市環(huán)境保護(hù)局，四川 遂寧 629000）

1 概況

某廠有近百年歷史，先后從事鹽業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)藥制造、鉛蓄電池生產(chǎn)及非法電鍍等活動(dòng)。該廠區(qū)的廠界緊鄰河流，該河流下游10公里為應(yīng)急水源地，為縣城幾十萬人提供應(yīng)急生活用水。廠區(qū)一面背靠山體，其余三面均被基本農(nóng)田包圍，涉及基本農(nóng)田面積近千畝，周邊農(nóng)戶2000余戶。調(diào)查弄清該廠區(qū)土壤污染狀況及各項(xiàng)污染物的危害程度，進(jìn)行修復(fù)治理工作，防治污染物向周邊基本農(nóng)田、河流水系滲透，保護(hù)附近居民生命健康安全，開展該地塊土壤詳查及土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。

2 采樣地布點(diǎn)分析

該廠區(qū)從事過的行業(yè)種類較多，并有許多未知生產(chǎn)活動(dòng)。為了判斷污染物的種類及分布情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及場(chǎng)地內(nèi)外的污染源分布、水文地質(zhì)條件及污染物遷移和轉(zhuǎn)化等因素，選擇適合該場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和采樣方法，摸清污染物在土壤中的可能分布。調(diào)查監(jiān)測(cè)按照《場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》和《場(chǎng)地環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》要求[1、2]，經(jīng)對(duì)比系統(tǒng)隨機(jī)布點(diǎn)法、專業(yè)判斷布點(diǎn)法、分區(qū)布點(diǎn)法、系統(tǒng)布點(diǎn)法等適用條件，確定采用系統(tǒng)布點(diǎn)法進(jìn)行布點(diǎn)詳查，該方法適用于各類污染場(chǎng)地的情況，特別是污染分布不明確或污染分布范圍較大的情況。根據(jù)不同單元分塊實(shí)際情況設(shè)置采樣區(qū)，混合土樣采集有蛇形、對(duì)角線形、梅花形三種采集方法，兼顧采樣點(diǎn)的均勻性和代表性，使用蛇形布點(diǎn)法采集混合樣[3]。

場(chǎng)地采樣點(diǎn)位確定后，各采樣點(diǎn)垂直方向的土壤采樣深度可根據(jù)污染源的位置、遷移和地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)等進(jìn)行綜合判斷設(shè)置。由于對(duì)場(chǎng)地信息了解不足，難以合理判斷采樣深度，該場(chǎng)地按0.5～2m等間距設(shè)置采樣位置。需要調(diào)查監(jiān)測(cè)的面積近2萬m2，共布設(shè)了17個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)該廠區(qū)歷史生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)，結(jié)合前期試探性監(jiān)測(cè)調(diào)查結(jié)果，主要針對(duì)7項(xiàng)污染物做分析測(cè)試（總鎘、總銅、總汞、總鉻、總砷、總鉛、總鎳）。每個(gè)采樣點(diǎn)分3個(gè)斷面，分別取0.2m、1m、2m三個(gè)土層深度的土樣，共計(jì)54個(gè)混合土樣，每個(gè)點(diǎn)位實(shí)測(cè)7種污染物，共獲得357個(gè)污染數(shù)據(jù)。

3 土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法

該方法利用某項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)值與該項(xiàng)污染物的標(biāo)準(zhǔn)值的比值，得出評(píng)價(jià)結(jié)果。由于污染物的標(biāo)準(zhǔn)值沒有一個(gè)統(tǒng)一的限值，需根據(jù)污染場(chǎng)地修復(fù)后的利用情況確定，本次采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-2008）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中居住用地的限值作出評(píng)價(jià)。根據(jù)不同地層的采樣結(jié)果分析，51個(gè)點(diǎn)位各對(duì)7項(xiàng)重金屬的含量檢測(cè)，得出357個(gè)污染數(shù)據(jù)，并進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

式中：

Ki為i項(xiàng)污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)；

Ci為i項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)值，mg/kg；

C0i為i項(xiàng)污染物的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。

采用單項(xiàng)污染指數(shù)法對(duì)357個(gè)污染數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，所有點(diǎn)位Cu、Ni、Hg、Cr呈無污染狀態(tài)，該地塊重金屬污染物為鉛、砷和鎘。其中鎘不同地層評(píng)價(jià)結(jié)果顯示都呈現(xiàn)重度污染，表層土重度污染程度占近53%。鉛呈中度污染，砷呈輕度污染，往地層深度加深污染程度減弱。通過統(tǒng)計(jì)357個(gè)樣品數(shù)據(jù)，受污染的土壤樣品占26.6%，其中輕微污染占14%，輕度污染占5.6%，中度污染占2.2%，重度污染占4.8%。需要指出的是重度污染樣品中全部由重金屬鎘造成；中度污染樣品中鎘占75%、鉛占25%；輕度污染樣品中鎘占15%，砷占45%、鉛占40%。由各重金屬污染程度占比來看：鎘＞鉛＞砷＞鉻=銅=鎳=汞。結(jié)果如圖1。由于該方法只對(duì)單一污染物作出評(píng)價(jià)，僅能判斷單點(diǎn)位受某一重金屬污染程度，缺乏對(duì)各項(xiàng)污染物的綜合評(píng)價(jià)，不能綜合反映該地塊的污染程度。

表2 單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖1 土壤樣品污染結(jié)果統(tǒng)計(jì)示意圖

3.2 內(nèi)羅梅指數(shù)法

內(nèi)羅梅指數(shù)法[4]是一種兼顧極值的綜合評(píng)價(jià)方法，不但考慮了各項(xiàng)污染因子的平均污染濃度，而且還反映了污染最嚴(yán)重的污染因素，避免了人為主觀權(quán)重因素的影響。內(nèi)羅梅指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)，從清潔安全到重度污染，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

式中：

Kin為i項(xiàng)污染物的內(nèi)羅梅指數(shù)；

Ci（最大值）為i項(xiàng)污染物的最大值，mg/kg；

Ci（平均值）為i項(xiàng)污染物的平均值，mg/kg 。

通過計(jì)算不同重金屬污染的Kin值，能夠清晰判斷出該污染地塊不同地層受重金屬的污染程度。評(píng)價(jià)結(jié)果反映出不同地層都受到鎘的嚴(yán)重污染，表層還受到鉛和砷的中度污染，1～2m地層受到鉛和砷的輕度污染。從不同地層不同重金屬的污染程度來看：Cd＞Pb=As＞Cu=Cr=Hg=Ni。

表3 內(nèi)羅梅指數(shù)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.3 地質(zhì)累計(jì)指數(shù)法

地質(zhì)累計(jì)指數(shù)[5]又稱為Muller指數(shù)，于20世紀(jì)60年代晚期起源于歐洲。該方法定量研究沉積物及相關(guān)物質(zhì)中重金屬的污染程度，不但考慮了沉積成巖作用自然地質(zhì)過程造成的影響，同時(shí)重點(diǎn)體現(xiàn)人為生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的影響。因而此方法是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)，反應(yīng)了重金屬的遷移變化特征和人為活動(dòng)的影響。

其中：

Ii為i項(xiàng)污染物的地質(zhì)累計(jì)指數(shù)；

Ci為i項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)值，mg/kg；

Coi為i項(xiàng)污染物的背景值，mg/kg。

1.5 為修正系數(shù)，用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其它影響。

地質(zhì)累計(jì)指數(shù)分為七個(gè)等級(jí)（forstner），從0級(jí)到6級(jí)污染程度從無到極強(qiáng)，不同級(jí)別表示重金屬的不同污染程度，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果見表4。

統(tǒng)計(jì)顯示，該地塊未受到鉻、鎳、銅重金屬污染（0級(jí)），汞處于1級(jí)無污染到中污染狀態(tài)，砷污染狀態(tài)處于0～4級(jí)，處于中污染狀態(tài)以上占62.8%。鉛污染狀態(tài)處于1～5級(jí)，處于強(qiáng)污染狀態(tài)以上占60.7%。鎘的污染狀態(tài)處于4～6級(jí)，處于極強(qiáng)污染污染占比70.5%。由此該地塊受重金屬污染程度排序：鎘＞鉛＞砷＞汞＞鉻（0級(jí)）=鎳（0級(jí)）=銅（0級(jí)）。

表4 地質(zhì)累計(jì)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.4 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)[6]能夠直觀反映各項(xiàng)重金屬污染物的污染程度及其在時(shí)間、空間上的變化趨勢(shì)，該方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5，評(píng)價(jià)模式為：

首先計(jì)算單項(xiàng)污染物的污染系數(shù)：

然后計(jì)算某點(diǎn)污染負(fù)荷指數(shù)（PLI）：

最后計(jì)算某一區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)（PLIzone）：

式中：

Ci表示i項(xiàng)重金屬污染物的實(shí)測(cè)值，mg/kg ；

Coi表示i項(xiàng)重金屬污染物的背景值，mg/kg ；

CFi表示i項(xiàng)重金屬污染物的污染系數(shù)；

PLI表示某點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)；

PLIzone表示某區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)。

該區(qū)域共布置了17個(gè)采樣點(diǎn)，結(jié)合重金屬的污染特性，選取表層20cm處的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用魏復(fù)盛[7]等發(fā)表的中國土壤環(huán)境背景值研究中的背景值進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)計(jì)算表明，該地塊17個(gè)點(diǎn)位中3個(gè)點(diǎn)位的PLI值處于2≤PLI＜3，強(qiáng)污染程度點(diǎn)位占17.6%。14個(gè)點(diǎn)位的PLI值均大于3，且5#點(diǎn)位PLI值最高為6.85，可見該點(diǎn)位的污染程度，最終極強(qiáng)污染程度點(diǎn)位達(dá)82.4%。該受污染地塊污染指數(shù)達(dá)4.96，處于極強(qiáng)污染程度。

4 污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布

污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是環(huán)境管理部門決策的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布圖具有直觀性，有助于研究污染物的空間分布及污染特征情況。利用Surfer軟件具有強(qiáng)大插值和繪制圖件的特點(diǎn)，能形象直觀地展現(xiàn)污染場(chǎng)地污染物在空間上的分布情況，為防治污染擴(kuò)散和后續(xù)治理工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

首先在Surfer中新建一個(gè)工作表，分為A、B、C三列，A、B對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)坐標(biāo)，C對(duì)應(yīng)每個(gè)點(diǎn)位的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)值（這里采用單因素評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值），形成一個(gè)數(shù)據(jù)表格，然后在網(wǎng)格數(shù)據(jù)中找到這一數(shù)據(jù)表格，點(diǎn)擊打開網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并進(jìn)行網(wǎng)格化插值，生成一個(gè)grd文件數(shù)據(jù)，最后在地圖中新建等值線圖找到并打開grd文件，就形成簡易的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布圖，最后經(jīng)過進(jìn)一步修飾，得到高質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布圖。采用單因素評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)不同地層深度（20cm、100cm、200cm），不同采樣點(diǎn)位位置（17個(gè)采樣點(diǎn)）及不同污染物評(píng)價(jià)結(jié)果（Cd、As、Pb），得出該污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布圖（見圖2、圖3、圖4）。

5 結(jié)論

（1）通過不同監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方法的對(duì)比分析，結(jié)合該污染場(chǎng)地歷史生產(chǎn)活動(dòng)、地形地貌和地質(zhì)水文特性，科學(xué)選用系統(tǒng)布點(diǎn)法，蛇形采集混合土樣，保證各采樣點(diǎn)土樣數(shù)據(jù)具有代表性和有效性。

表5 污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖2 受鎘污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布圖（20cm、100cm、200cm）

圖3 受鉛污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布圖（20cm、100cm、200cm）

（2）現(xiàn)場(chǎng)土樣數(shù)據(jù)經(jīng)過各評(píng)價(jià)方法系統(tǒng)分析，從單項(xiàng)污染指數(shù)法開始，評(píng)價(jià)單一污染物，判斷單點(diǎn)位受某一重金屬污染程度，得到該地塊受重金屬污染程度為：鎘＞鉛＞砷＞鉻 = 銅 = 鎳 = 汞。到內(nèi)羅梅指數(shù)法，同時(shí)考慮污染物的極值和均值影響，綜合評(píng)價(jià)得出各項(xiàng)重金屬的污染程度：Cd＞Pb = As＞Cu = Cr = Hg = Ni。再到地質(zhì)累計(jì)指數(shù)法，考慮重金屬沉積作用及人類活動(dòng)的共同影響，評(píng)價(jià)結(jié)果：鎘＞鉛＞砷＞汞＞鉻（0級(jí)）= 鎳（0級(jí)）= 銅（0級(jí)）。最后采用污染負(fù)荷指數(shù)法，得到該污染地塊污染指數(shù)達(dá)到4.96，處于極強(qiáng)污染程度。通過四種不同評(píng)價(jià)方法得到結(jié)果，該地塊主要受重金屬鎘、鉛、砷的污染，特別是重金屬鎘，不同地層均受到不同程度的污染，且達(dá)到最嚴(yán)重的污染程度。

圖4 受砷污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布圖（20cm、100cm、200cm）

（3）利用Surfer軟件直觀清晰地解析了各地層不同點(diǎn)位受污染重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)空間分布情況，從空間分布圖可看出，受污染點(diǎn)位主要集中在1#、4#、5#、6#、9#、10#和16#點(diǎn)位，其中以5#點(diǎn)位的污染程度最嚴(yán)重，其PLI值達(dá)到6.85，屬極強(qiáng)污染程度。

（4）經(jīng)過場(chǎng)地科學(xué)布點(diǎn)，采集土壤監(jiān)測(cè)分析，將結(jié)果數(shù)據(jù)運(yùn)用不同的評(píng)價(jià)分析方法綜合評(píng)價(jià)，得出該地塊受重金屬污染不同程度并排序，最終確定該地塊主要受重金屬鎘、鉛、砷污染，再運(yùn)用Surfer軟件在空間上模擬出不同地層不同點(diǎn)位受污染程度，直觀形象地展現(xiàn)了結(jié)果，為下一步如何開展治理修復(fù)，采取何種修復(fù)方法打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)也為政府決策部門如何實(shí)現(xiàn)對(duì)該場(chǎng)地的風(fēng)險(xiǎn)管控，隔離、阻斷污染源提供了依據(jù)。

[1] HJ 25.1-2014 場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則 [S].

[2] HJ 25.2-2014 場(chǎng)地環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則 [S].

[3] 姜勇.土壤污染調(diào)查布點(diǎn)及樣品采集技術(shù)研究[J].科技資訊，2009（29）： 137-138.

[4] 錢慶騰，方淑波，喬亞軍，成海，印春生.鹽城海岸帶土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)比較研究[J].環(huán)境污染與防治，2016，12（38）：43-48.

[5] 鄧曉霞，鄒艷虹，陳璐，張文波，杜麗娟，米艷華，段紅平.個(gè)舊礦區(qū)周邊水稻土重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)警[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2016，35（6）：88-93.

[6] 范拴喜，甘卓亭，李美娟，張掌權(quán)，周旗.土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（17）：310-315.

[7] 魏復(fù)盛，陳靜生，吳燕玉，鄭春江.中國土壤環(huán)境背景值研究[J].環(huán)境科學(xué)，1991，12（4）：12-19.

[8] 蔡建楠，陸海云，黃文生，黃華，張穎姬.Surfer軟件在環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2010，36（5）：45-47.