湖北省鐘祥市竹皮河污灌區(qū)土壤重金屬Cd和As污染預(yù)測探討

鄭雄偉, 嚴(yán)向軍, 鄭國權(quán)

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

土壤重金屬預(yù)測預(yù)警是指對一定時期的土壤重金屬污染狀況進(jìn)行預(yù)測、分析與評價,確定土壤質(zhì)量變化的趨勢、速度以及達(dá)到某一變化限度的時間等,按需要適時地給出變化和惡化的各種警戒信息及相應(yīng)對策[1-2]。目前,土壤重金屬污染預(yù)警主要有空間分布預(yù)測[3]、污染狀態(tài)預(yù)警、污染趨勢預(yù)警[4-5]和污染速率預(yù)警等幾種類型。重金屬空間分布預(yù)測的實質(zhì)是利用各種插值計算方法對已知采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值分析,從而分析重金屬的空間分布規(guī)律。污染狀態(tài)預(yù)警類似于污染程度評價,實質(zhì)上是對目前環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)的判定。后兩者常常根據(jù)重金屬累積速率和社會經(jīng)濟(jì)因素對其未來趨勢進(jìn)行預(yù)測,并根據(jù)一定“警戒線”進(jìn)行預(yù)警。目前,對重金屬污染趨勢預(yù)警和污染速率預(yù)警的方法常見的有超標(biāo)年限預(yù)測模型、灰色聚類模型、情景預(yù)測法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等多種。而本文選擇根據(jù)勻速累積模式對鐘祥市竹皮河污灌區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行預(yù)測預(yù)警。

1 研究區(qū)概況

竹皮河發(fā)源于荊門市砂子嶺西麓,屬漢江小支流,是荊門市城區(qū)內(nèi)唯一的自然河流,也是鐘祥市匯入漢江的八大支流之一。它流經(jīng)鐘祥市石牌鎮(zhèn)康橋湖農(nóng)場的西南邊陲,在石牌鎮(zhèn)的石牌閘注入漢江。該流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū),光照時間長,熱量豐富,無霜期長,雨熱同期。該區(qū)多年平均氣溫15～16℃,年無霜期達(dá)270 d,多年平均降雨量912 mm,最大年降雨量1 349.7 mm,最小年降雨量573.9 mm,降雨主要集中在4-10月,約占全年降水總量的83%左右,大暴雨多發(fā)生在7-8月份。竹皮河屬季節(jié)性雨源河流,多年平均流量6.92 m3/s,最枯流量0.1 m3/s。原河道斷面為梯形,河寬5～42 m,水深0.5～4 m。出口石牌閘閘底高程37 m。

根據(jù)野外實際調(diào)查,區(qū)內(nèi)有磷肥廠、煉油廠、熱電廠等大中型污染企業(yè),沿石牌鎮(zhèn)竹皮河存在一個污染帶,兩岸污染的范圍約1 km,面積約為66.39 km2(圖1)。

2 研究數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源于湖北省人民政府與國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局在2004年合作開展的《湖北省江漢流域經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查》項目以及湖北省“金土地”工程首個試點項目《湖北省鐘祥市土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(一期)》的采樣數(shù)據(jù)。

2004年通過《湖北省江漢流域經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查》項目采集的樣品分析經(jīng)過對8個土壤一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的分析,方法的精密度和準(zhǔn)確度能滿足《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》要求,其分析配套方案合理。監(jiān)控樣質(zhì)量指標(biāo)ΔlgC和標(biāo)準(zhǔn)偏差λ(GSS)、內(nèi)檢合格率、報出率等質(zhì)量參數(shù)合格率均在95%以上,能滿足《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》要求,分析質(zhì)量可靠,分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2014年在竹皮河污灌區(qū)對土壤和灌溉水進(jìn)行了系統(tǒng)的采樣,共采集樣品374件,其中土壤樣品335件,灌溉水39件。

對土壤樣品,采用梅花布點法,采集0～20 cm的表層土壤,去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團(tuán)塊等雜物。為增加土壤樣品的代表性,采樣以1處為主,在采樣點周圍50 m范圍內(nèi)多點采集3～5個子樣組合為一個樣品[6]。

圖1 研究區(qū)范圍圖Fig.1 The range map of the study area

灌溉水樣品共39件,其中1件為重復(fù)樣,6件在竹皮河流域取樣;采用手持GPS定點,進(jìn)行水樣采集。水樣采集時間為2014年8月15-18日,是農(nóng)作物的灌溉期。

樣品測試工作由武漢綜合測試巖礦中心完成,嚴(yán)格按照國家多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查規(guī)程進(jìn)行土壤樣品測定,土壤樣品進(jìn)行了 Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、Mo、Mn、B、N、Co、I、F、Se、Sr、Ge、P、Org.C、S、Cl、Fe、Na、K、Ca、Mg、Si和pH等29項指標(biāo)測試;灌溉水樣品分析指標(biāo)為23項,具體為pH、As、Mo、Se、Cr+6、K、N、Ba、Pb、Zn、Cu、Cd、Hg、Mn、Fe、P、Co、氯化物、氟化物、硝酸鹽、高錳酸鉀指數(shù)、總硬度、溶解性總固體,獲得了豐富的反映土壤和灌溉水質(zhì)量的地球化學(xué)數(shù)據(jù),分析質(zhì)量水平優(yōu)于相關(guān)要求,滿足規(guī)范要求。

3 土壤環(huán)境質(zhì)量和灌溉水質(zhì)量現(xiàn)狀

3.1 土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)要求,采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995二級標(biāo)準(zhǔn),按照公式(1),計算土壤污染物i的單項污染指數(shù)Pi:

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Ci為土壤中i指標(biāo)的實測濃度;Si為污染物i在GB15618中給出的二級標(biāo)準(zhǔn)值。

按照表1所示的土壤單項污染指數(shù)環(huán)境地球化學(xué)等級劃分界限值,分別進(jìn)行1∶50 000的單指標(biāo)土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分。

結(jié)果表明,研究區(qū)鎘和砷兩種元素污染較嚴(yán)重。鎘污染以輕度污染為主,少數(shù)地段為中度污染;主要集中在康橋湖農(nóng)場、銅橋村、鄭坪村、熊洲村、胡沖村、皮集村和彭墩村,污染面積為5.44 km2,占竹皮河流域的8.19%。

砷目前為輕度污染,主要集中在康橋湖農(nóng)場、銅橋村、鄭坪村和彭墩村,污染面積為4.79 km2,占竹皮河流域的7.22%。

汞和鎳局部有少量污染,鉻、鉛、銅、鋅沒有污染。

表1 土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分界限值Table 1 Soil environmental geochemical classification of the boundary value

3.2 灌溉水質(zhì)量現(xiàn)狀

3.2.1 空間分布特征

(1) 酸堿度。在石牌—柴湖地區(qū),農(nóng)田灌溉水pH值一般為6.42～9.79,平均值為7.86,背景值為8.00。以堿性為主,僅石牌鎮(zhèn)竹皮河表現(xiàn)為弱酸—中性,酸性最強(qiáng)點位于竹皮河銅橋村段,其余大部分為中性—堿性,柴湖鎮(zhèn)南部崗南村—雙河村—后營村一帶為強(qiáng)堿性。

(2) Cd。Cd離子區(qū)內(nèi)地表水中Cd離子檢出率僅有21%,共檢出8件,其中6件為竹皮河所采樣品,另2件樣品Cd量也明顯低于竹皮河樣品,說明石牌—柴湖地區(qū)Cd含量低,而竹皮河中Cd含量較高。

(3) Pb。Pb離子區(qū)內(nèi)地表水38樣品中,Pb離子僅檢出6件,其中5件為竹皮河樣品,反映出區(qū)內(nèi)灌溉水Pb離子含量普遍低,而竹皮河含量相對較高。

(4) Hg。Hg離子區(qū)內(nèi)地表水中Hg離子平均含量0.063 μg/L,含量范圍0.025 6～1.548 μg/L,背景值0.059 μg/L。高值區(qū)只要分布在柴湖鎮(zhèn)魚池村、崗南村—田坑村—雙河村結(jié)合部;低值區(qū)主要是皮竹河樣品點,包括彭墩村、鄭坪村北緣、銅橋村西南、耿巷村—紅金村結(jié)合部,從分析數(shù)據(jù)來看,竹皮河6個樣品僅檢出一個,反映出竹皮河Hg極低。

3.2.2 評價結(jié)果

按照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)用水資源質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(NY/T396—2000),選取砷、鎘、鉻、銅、鉛、鋅、汞7項指標(biāo)進(jìn)行評價,區(qū)內(nèi)灌溉水質(zhì)量除竹皮河污灌帶外屬于尚清潔(圖4)。

圖2 石牌—柴湖地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量As污染現(xiàn)狀圖Fig.2 The present situation map of soil environmental quality As pollution of Shipai-Chaihu area1.鎮(zhèn)政府駐地;2.居民地;3.村名及村界;4.高速公路;5.公路;6.小路;7.水系;8.石牌鎮(zhèn)/柴湖鎮(zhèn)分界線;9.房屋;10.水體;11.建筑用地及道路用地。

4 土壤重金屬污染預(yù)警預(yù)測數(shù)學(xué)模型

4.1 土壤重金屬污染的基本規(guī)律

改革開放以來,中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn),考慮工業(yè)發(fā)展對土壤的影響可追溯到20世紀(jì)70年代中期。雖然之前工業(yè)發(fā)展程度低,其對土壤也有一定影響,但可概略地濃縮于5年左右。這樣,就可以把土壤零污染年設(shè)為1973年。截至2002年,土壤中重金屬污染積累歷史約為30年。范迪富等研究認(rèn)為:工業(yè)發(fā)達(dá)程度越高,速度越快,對土壤污染的“貢獻(xiàn)”就越大,每年對土壤中污染物的疊加,不是等量的,對土壤的污染也不是等速的,而是加速的[7]。當(dāng)然人們在環(huán)境保護(hù)方面作出的一切努力,使工業(yè)發(fā)展對土壤的影響維持在一個特定的水平上。因此,環(huán)境保護(hù)意識強(qiáng)的地區(qū),其工業(yè)發(fā)展對土壤質(zhì)量影響是等速的,反之是加速的。分析認(rèn)為,土壤的污染過程可歸納為兩個階段:一是加速階段,二是勻速階段。

4.2 污染超標(biāo)年限預(yù)測模型

由于研究區(qū)主要是鎘和砷2種重金屬元素污染,本文僅介紹鎘和砷兩種元素超標(biāo)年限預(yù)測?！逗笔〗瓭h流域經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查》中的調(diào)查數(shù)據(jù)是1個樣/4 km2,而《湖北省鐘祥市土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(一期)》的調(diào)查數(shù)據(jù)是4-6個樣/km2,在實際數(shù)據(jù)處理過程中,以相同范圍內(nèi)4 km2為基本單元,將土地質(zhì)量地球化學(xué)評價項目中落在同一范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均值計算。

竹皮河的污染主要來自上游的污染,由于近年來實施了兩輪水污染綜合治理,加上部分重污染企業(yè)(如煉油廠等)陸續(xù)遷離市區(qū),同時采取一列措施控制“三廢”排放,城市環(huán)境逐漸得到改善,土壤重金屬污染也逐漸得到了應(yīng)有的關(guān)注?；谝陨戏治?把土壤零污染年設(shè)為2004年,將2004年作為臨界年份,本文認(rèn)為從2004年到現(xiàn)在的污染程度是勻速的,即從2004年在江漢流域進(jìn)行的1∶25萬的多目標(biāo)區(qū)域調(diào)查到本次的農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查,每年污染的增量大致上是相等的。這是本次建立土地安全質(zhì)量預(yù)警預(yù)測的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)模型如下:

圖3 石牌—柴湖地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量Cd污染現(xiàn)狀圖Fig.3 The present situation map of soil environmental quality Cd pollution of Shipai-Chaihu area1.鎮(zhèn)政府駐地;2.居民地;3.村名及村界;4.高速公路;5.公路;6.小路;7.水系;8.石牌鎮(zhèn)/柴湖鎮(zhèn)分界線;9.房屋;10.水體;11.建筑用地及道路用地。

單位重量土壤重金屬污染元素現(xiàn)累積量(Q)計算公式:

A=(a-b)/10

(2)

式(2)中:A為淺層土壤某元素每年的增量值;a為某元素本次含量值;b為某元素2004年含量值。

Q=A×N

(3)

式(3)中:A為淺層土壤某元素每年的增量值;N為年。

5 污染超標(biāo)年限預(yù)測預(yù)警

依據(jù)以上的數(shù)學(xué)模型,分區(qū)原則如下。

(1) 已污染區(qū):表層土壤含量值大于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 可預(yù)測土壤惡化年限區(qū):表層土壤含量值和基準(zhǔn)值小于或者等于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)同時表層土壤含量值大于基準(zhǔn)值。本文中所述的基準(zhǔn)值指的是2004年調(diào)查的基準(zhǔn)值。

(3) 無污染區(qū):表層土壤含量值小于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)同時小于基準(zhǔn)值。

(4) 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)采用GB15618—1995二級標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn),維護(hù)人體健康的土壤限制值。

從預(yù)測結(jié)果可以看出(表2),在重金屬勻速累積模式下,竹皮河污灌區(qū)土壤重金屬造成嚴(yán)重污染,土壤環(huán)境迅速惡化。As含量10年內(nèi)污染面積占11%,40年內(nèi)污染面積占比近50%,70年后污染面積占比近93%,92年以后全部污染;Cd含量10年內(nèi)污染面積占12%,30年內(nèi)污染面積占比超過50%,為63%,50年后污染面積占比近92%,75年以后全部污染(圖5-圖8)。

圖4 石牌—柴湖地區(qū)灌溉水綜合分等圖Fig.4 The comprehensive classification of irrigation water of Shipai-Chaihu area

圖5 研究區(qū)Cd元素污染年限推斷圖Fig.5 Pollution deduction diagram of Cd in the study area

年限元素AsCd現(xiàn)今已污染4．795．44107．248．432011．5419．743020．5842．044032．455．315043．5461．296053．7164．447061．7966．170年后66．3966．39備注92年全部污染75年全部污染

6 結(jié)論及建議

(1) 應(yīng)用勻速累積模式對竹皮河污灌區(qū)土壤重金屬污染趨勢進(jìn)行了預(yù)測預(yù)警,結(jié)果表明,雖然竹皮河污灌區(qū)表層土壤目前雖然有較大的環(huán)境容量,但是如果不注意環(huán)境保護(hù),在20-40年內(nèi)將會發(fā)生Cd及As的較大面積污染事件。

(2) 伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建議竹皮河上游的企業(yè)工廠做好污水處理工作,減少污水的納入量,從根本上切斷污灌區(qū)土壤的灌溉用水的污染源,科學(xué)合理地進(jìn)行污水灌溉,進(jìn)而控制土壤進(jìn)一步污染。

圖6 研究區(qū)As元素污染年限推斷圖Fig.6 Pollution deduction diagram of As in the study area

(3) 目前對重金屬的累積過程的研究還限于實驗室研究,對其野外的實際累積速率不清楚。因此,有必

要建立土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),定期對土壤進(jìn)行“體檢”,以便為污染趨勢預(yù)測預(yù)警研究提供更加準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料,及時發(fā)現(xiàn)存在的重金屬污染環(huán)境風(fēng)險。

(4) 本文雖在對土壤中重金屬累積速率計算的基礎(chǔ)上利用勻速累積模式進(jìn)行了預(yù)測預(yù)警分析,但應(yīng)該指出,這種預(yù)測方法是利用重金屬過去的累積特征來對未來趨勢進(jìn)行預(yù)測,當(dāng)未來環(huán)保措施和城市的發(fā)展?fàn)顩r等社會經(jīng)濟(jì)因素出現(xiàn)較大變化時,模型預(yù)報誤差將會增大。同時,這種模型也沒有很好地反應(yīng)重金屬在土壤系統(tǒng)中的賦存、遷移及轉(zhuǎn)化機(jī)制。因此,如何建立一個既能反映社會經(jīng)濟(jì)因素對城市土壤系統(tǒng)中重金屬累積的影響,又能反應(yīng)重金屬進(jìn)入土壤后的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的具有較高適應(yīng)性的預(yù)測預(yù)警模型將是未來研究的一個方向[8]。

圖7 研究區(qū)Cd元素污染推斷圖(從上到下,從左到右分別為10年、30年、50年、100年)Fig.7 Pollution deduction map of Cd in the study area

致謝:本文撰寫過程中,得到了湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊孫為國教授級高級工程師、胡瑞春高級工程師的精心指導(dǎo),在此一并表示感謝！

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圖8 研究區(qū)As元素污染推斷圖(從上到下,從左到右分別為10年、30年、50年、100年)Fig.8 Pollution deduction map of As in the study area

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