陳勁松,張 穎,蒲生彥*
(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059;2.成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610059;3.成都理工大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)
大量工業(yè)在“退二進(jìn)三”和“退城進(jìn)園”等政策的號(hào)召下由城市遷往郊區(qū)或進(jìn)入規(guī)劃工業(yè)園區(qū)。工業(yè)企業(yè)遷出后原場(chǎng)址土壤與地下水均可能受到不同程度的污染,針對(duì)部分土地利用性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽≌⒐补芾砼c公共服務(wù)用地的地塊,應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)規(guī)定對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行污染狀況調(diào)查,對(duì)其中的超標(biāo)地塊,須進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)估與修復(fù)治理。
土壤和地下水重金屬污染是我國(guó)環(huán)境污染亟需解決的問(wèn)題之一。土壤和地下水重金屬污染主要指Cd、Cu、Hg、As、Pb、Cr、Ni和Zn 8種重金屬物質(zhì)通過(guò)下滲、遷移等行為,造成土壤和地下水中的重金屬濃度超過(guò)建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)篩選值,直接或間接地危害人體健康和生態(tài)系統(tǒng)安全。由于受區(qū)域水文地質(zhì)條件的影響,賦存于污染場(chǎng)地土壤中的重金屬物質(zhì)在地下水水力作用下,會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)散至場(chǎng)地周邊區(qū)域,增加了污染場(chǎng)地修復(fù)的難度。因此,通過(guò)污染場(chǎng)地的調(diào)查結(jié)果準(zhǔn)確地解析出場(chǎng)地重金屬污染的空間分布特征具有重要的意義。
本文以某煉鐵廠遺留污染場(chǎng)地作為研究區(qū)域,定量分析了該場(chǎng)地土壤和地下水中重金屬污染的空間分布特征及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),以期為重金屬污染場(chǎng)地調(diào)查修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
該煉鐵廠占地面積約5.2萬(wàn)m。該煉鐵廠1995年建成,2011年關(guān)停,運(yùn)行期間主要生產(chǎn)鋼鐵、大型模具等。目前該廠區(qū)土地利用性質(zhì)擬由“第二類用地”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗谝活愑玫亍?,地面建筑?jīng)拆遷后遺留出大片污染場(chǎng)地待修復(fù)。待修復(fù)的污染地塊按照運(yùn)行期間的工作性質(zhì)主要分為7個(gè)區(qū)域,分別為原配料廠區(qū)域、鑄鐵車間區(qū)域、熱力車間區(qū)域、5號(hào)高爐區(qū)域、3及4號(hào)高爐區(qū)域、邊坡區(qū)域、空白區(qū)域。整個(gè)研究區(qū)地勢(shì)北高南低、西高東低,地面標(biāo)高在180.0~300.0 m之間。該研究區(qū)域廣泛出露第四系沖洪積層和人工填土層,下伏基巖主要為砂巖、泥巖互層,其中泥巖原生多孔性在成巖階段已經(jīng)消失,砂巖的孔隙性呈現(xiàn)不同程度的保留,區(qū)域內(nèi)地下水賦存以上層滯水和基巖裂隙水為主。地下水主要接受大氣降雨、溝水的補(bǔ)給,排泄至周邊的河道之中,其徑流主要受含水介質(zhì)及侵蝕基準(zhǔn)面的控制。
依據(jù)《建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.1—2019)和《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.2—2019)系統(tǒng)布點(diǎn)的原則,在研究區(qū)域內(nèi)共設(shè)置了226個(gè)采樣點(diǎn),分階段進(jìn)行鉆探采樣,土壤和地下水樣品中重金屬監(jiān)測(cè)指標(biāo)為As、Cd、Pb、Hg、Ni。其中,初步調(diào)查采樣階段設(shè)置采樣點(diǎn)位23個(gè),運(yùn)用XRF進(jìn)行快速測(cè)定;詳細(xì)調(diào)查采樣階段和補(bǔ)充采樣階段共設(shè)置203個(gè)采樣點(diǎn)位。所有樣品均運(yùn)送至專業(yè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。本次共采集土壤樣品598個(gè)、地下水樣品7個(gè),研究區(qū)域采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。
圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area
該污染場(chǎng)地土壤樣品中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni的濃度篩選值依據(jù)規(guī)范《土壤環(huán)境質(zhì)量——建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中地塊利用類型的不同(保護(hù)對(duì)象暴露情況)進(jìn)行劃定,由于該污染場(chǎng)地未來(lái)規(guī)劃大部分劃分為“第一類用地”,故本次土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以“第一類用地”土壤中重金屬濃度篩選值為準(zhǔn)(見(jiàn)表1);由于該煉鐵廠距離長(zhǎng)江較近,且周邊規(guī)劃存在居民用地,故地下水樣品中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni濃度的篩選值以《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類地下水的標(biāo)準(zhǔn)限值為準(zhǔn)(見(jiàn)表1)。
表1 “第一類用地”土壤和地下水中重金屬濃度的篩選值(單位:mg/kg)Table 1 Screened values of heavy metal concentrationsin soil and groundwater of the“first typeland” (unit:mg/kg)
1.4.1 污染負(fù)荷指數(shù)法
污染負(fù)荷指數(shù)法主要反映污染物的污染等級(jí)對(duì)總體污染的貢獻(xiàn)程度。場(chǎng)地土壤重金屬污染負(fù)荷指數(shù)計(jì)算公式如下:
CF
=C
/C
(1)
(2)
(3)
式中:CF
為場(chǎng)地土壤中重金屬i
的污染指數(shù);C
和C
分別為場(chǎng)地土壤中重金屬i
的實(shí)際監(jiān)測(cè)濃度和背景值(mg/kg),該區(qū)域土壤中As、Cd、Pb、Hg和Ni的背景值分別為4.42 mg/kg、0.26 mg/kg、27.03 mg/kg、0.05 mg/kg和30.20 mg/kg;P
為場(chǎng)地土壤重金屬某采樣點(diǎn)重金屬的污染負(fù)荷指數(shù);P
為場(chǎng)地土壤重金屬總體污染負(fù)荷指數(shù);n
為場(chǎng)地土壤采樣的重金屬個(gè)數(shù);m
為場(chǎng)地土壤重金屬采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。其中,P
≤1為無(wú)污染;
1<P
≤2為輕微污染;
2<P
≤3為中度污染;P
>3為重度污染。P
與P
的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一致。1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法
潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法基于生物有效性、相對(duì)貢獻(xiàn)度及空間位置差異等特點(diǎn),可綜合反映土壤重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響潛力,也是目前常用的場(chǎng)地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法之一。場(chǎng)地土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式如下:
(4)
式中:RI
為場(chǎng)地土壤多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);C
和C
分別為場(chǎng)地土壤中重金屬i
的實(shí)測(cè)濃度和背景值(
mg/kg)
;E
為場(chǎng)地土壤中某種重金屬i
的潛在生態(tài)危害系數(shù);T
為場(chǎng)地土壤中單一污染物i
的毒性系數(shù),其中,重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni的毒性系數(shù)分別為10、30、5、40、和1;F
為場(chǎng)地土壤中單個(gè)重金屬i
的污染系數(shù)。場(chǎng)地土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表2。
表2 場(chǎng)地土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification criteria for potential ecologicalrisk of heavy metal polution in soil
2.1.1 土壤中重金屬濃度的檢測(cè)結(jié)果
研究區(qū)土壤中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni濃度的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 研究區(qū)土壤中重金屬濃度的檢測(cè)結(jié)果Table 3 Testing results of heavy metals concentration inthe soil of the study area
由表3可知,該煉鐵廠污染場(chǎng)地土壤中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni均有不同程度檢出,土壤中5種重金屬濃度均超標(biāo),超標(biāo)率分別為5.40%、0.33%、3.18%、2.34%和1.34%;土壤中重金屬超標(biāo)倍數(shù)及檢出率最大的為Ni元素,超標(biāo)倍數(shù)達(dá)49.40倍,而超標(biāo)倍數(shù)及檢出率最小的為Cd元素,超標(biāo)倍數(shù)為1.55倍;此外,土壤中重金屬的變異系數(shù)變化范圍為78.14%~596.69%,處于強(qiáng)變異水平,表明該污染場(chǎng)地土壤中重金屬濃度分布不均,局部污染較為嚴(yán)重。
2.1.2 地下水中重金屬濃度的檢測(cè)結(jié)果
研究區(qū)地下水中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni濃度的檢測(cè)結(jié)果,見(jiàn)表4。
由表4可知,該煉鐵廠污染場(chǎng)地地下水中重金屬As、Ni均有檢出,但地下水中重金屬僅As濃度超標(biāo),超標(biāo)率為28.57%,超標(biāo)倍數(shù)為1.10,且場(chǎng)地內(nèi)地下水pH值呈中性,表明該場(chǎng)地地下水重金屬整體污染程度較低。
表4 研究區(qū)地下水中重金屬濃度的檢測(cè)結(jié)果Table 4 Testing results of heavy metals concentration inthe groundwater of the study area
本文針對(duì)研究區(qū)土壤和地下水中濃度超標(biāo)的重金屬元素運(yùn)用“克里格”空間插值法對(duì)不同深度土壤中重金屬濃度的空間分布進(jìn)行描述性分析,即探討不同深度條件下土壤和地下水中As、Cd、Pb、Hg和Ni污染的空間分布特征。
2.2.1 土壤中重金屬污染的空間分布特征
研究區(qū)不同深度土壤中As、Cd、Pb、Hg和Ni污染的空間分布特征和污染占比,見(jiàn)圖2至圖7。
圖2 研究區(qū)不同深度土壤中As污染的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of As pollution in the different depth of soil of the study area
(1) 土壤As污染:研究區(qū)土壤As污染水平方向主要集中在3、4號(hào)高爐區(qū)域和邊坡區(qū)域,其余5個(gè)區(qū)域土壤中As濃度均低于土壤重金屬濃度篩選值,土壤As污染垂直方向主要集中在0~2 m人工填土層(見(jiàn)圖2);土壤中As濃度最大值為90.90 mg/kg(見(jiàn)表3),位于3、4號(hào)高爐區(qū)域的西北角,深度為1.5 m;3、4號(hào)高爐區(qū)域土壤As污染的影響深度最深達(dá)7.5 m,邊坡區(qū)域土壤中As污染的影響深度最深達(dá)5.5 m;土壤中As污染范圍隨地層深度的增加,其污染羽面積呈逐步減小的趨勢(shì),這主要是由于隨著地層深度的增加,場(chǎng)地內(nèi)土壤由表層人工填土(厚度為0.1~3.0 m)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈谒募o(jì)粉質(zhì)黏土(厚度為2.5~5.0 m)、砂巖、泥巖(厚度為4.5~13 m),土壤滲透系數(shù)逐步減小所致。
(2) 土壤Cd污染:研究區(qū)土壤Cd污染水平方向主要集中在3、4號(hào)高爐區(qū)域的西北角,污染面積較小,僅有2個(gè)采樣點(diǎn)位土壤中Cd濃度超標(biāo),土壤中Cd污染垂向上呈表層污染,深度為2.0 m(見(jiàn)圖3);土壤中Cd濃度最大值和超標(biāo)倍數(shù)分別為31.10 mg/kg和1.55倍(見(jiàn)表3);整個(gè)研究區(qū)土壤中Cd污染較輕,但由于其具有毒理性質(zhì),對(duì)人體的傷害較大,故土壤中重金屬Cd濃度仍是本次污染場(chǎng)地調(diào)查的重點(diǎn)對(duì)象之一。
圖3 研究區(qū)土壤中Cd污染的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of Cd pollution in the soil of the study area
(3) 土壤Pb污染:研究區(qū)土壤Pb污染水平方向主要集中在邊坡區(qū)域的西南側(cè)和3、4號(hào)高爐區(qū)域與邊坡區(qū)域的交界處,土壤Pb污染垂向方向主要集中在人工填土層和第四紀(jì)粉質(zhì)黏土層(見(jiàn)圖4);土壤中Pb濃度最大值為4 879 mg/kg,位于邊坡區(qū)域南側(cè)靠近3、4號(hào)高爐區(qū)域處,超標(biāo)倍數(shù)達(dá)12.20倍(見(jiàn)表3);邊坡區(qū)域土壤中Pb污染的影響深度最深達(dá)5.5 m,3、4號(hào)高爐區(qū)域土壤中Pb污染的影響深度最深達(dá)6.5 m;邊坡區(qū)域土壤中Pb污染的污染羽分布面積較大,查閱相關(guān)歷史資料得以證實(shí),這主要是由于該煉鐵廠生產(chǎn)期間產(chǎn)生的廢料常年堆積于該區(qū)域,導(dǎo)致該區(qū)域土壤中Pb濃度超標(biāo)極為嚴(yán)重,同時(shí)在地層巖性的變化下,土壤中Pb濃度隨著地層深度的增加而減小,其污染羽面積呈逐步減小的趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)。
圖4 研究區(qū)不同深度土壤中Pb污染的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of Pb pollution in the different depth of soil of the study area
(4) 土壤Hg污染:研究區(qū)土壤Hg污染主要集中在邊坡區(qū)域與3、4號(hào)高爐區(qū)域交界處的西南角和5號(hào)高爐區(qū)域的東南角,土壤Hg污染垂直方向主要集中在人工填土層和第四紀(jì)粉質(zhì)黏土層(見(jiàn)圖5);土壤中Hg濃度最大值為60.40 mg/kg,位于邊坡區(qū)域與3、4號(hào)高爐區(qū)域交界處,超標(biāo)倍數(shù)達(dá)7.55倍(見(jiàn)表3);土壤中Hg污染的影響深度最深達(dá)5.5 m,5號(hào)高爐區(qū)域土壤中Hg污染主要呈表層污染,邊坡區(qū)域和3、4號(hào)高爐區(qū)域土壤中Hg污染隨地層深度的增加,其污染羽面積呈減小的趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)。
圖5 研究區(qū)不同深度土壤中Hg污染的空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of Hg pollution in the different depths of soil of the study area
(5) 土壤Ni污染:研究區(qū)土壤Ni污染水平方向主要集中在5號(hào)高爐區(qū)域的中部和南部邊緣帶,土壤Ni污染垂向方向僅集中在深度為2~4 m和4~6 m處;土壤中Ni濃度最大值為741 mg/kg,位于5號(hào)高爐區(qū)域的南部邊緣帶(見(jiàn)圖6);但土壤中Ni濃度未呈現(xiàn)出隨地層深度的增加而減小的趨勢(shì),這主要是因?yàn)?號(hào)高爐區(qū)域的南部邊緣帶表層堆積了巨厚的建筑拆遷雜填土,原煉鐵廠表層土壤被覆蓋,導(dǎo)致鉆勘取樣深度增加??傮w而言,研究區(qū)土壤Ni污染呈表層污染狀態(tài)。
圖6 研究區(qū)土壤中Ni污染的空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of Ni pollution in the different depths of soil of the study area
綜上所述,研究區(qū)土壤中重金屬濃度超標(biāo)在空間上呈點(diǎn)狀污染分布,根據(jù)其污染范圍擬合面積、濃度和污染深度,土壤中上述5種重金屬的污染程度由低到高排序?yàn)椋篊d 圖7 研究區(qū)不同深度土壤中重金屬污染的占比Fig.7 Proportion of soil heavy metal pollution at different depths 2.2.2 地下水中重金屬污染的空間分布特征 研究區(qū)地下水中重金屬濃度超標(biāo)點(diǎn)位的空間分布,見(jiàn)圖8。 圖8 研究區(qū)地下水中重金屬濃度超標(biāo)點(diǎn)位的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the points exceeding the standard in the groundwater of the study area 由圖8可見(jiàn),研究區(qū)地下水中重金屬濃度超標(biāo)點(diǎn)位主要分布在3、4號(hào)高爐區(qū)域的中部及北側(cè),超標(biāo)類型為地下水As污染,地下水中As濃度最大值為0.11 mg/L。研究區(qū)域整體上地下水污染較輕,這可能是因?yàn)橥寥乐亟饘僭谙聺B過(guò)程中發(fā)生了一定的氧化還原反應(yīng),生成的產(chǎn)物溶解度較低,不易溶解于地下水中;同時(shí),研究區(qū)域一帶降雨較為頻繁,局部地下水循環(huán)較快,不易呈現(xiàn)地下水中各組分的局部富集。 2.3.1 土壤重金屬污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià) P P 圖9 研究區(qū)土壤重金屬污染負(fù)荷指數(shù)空間分布圖Fig.9 Evaluation results of soil heavy metal pollution load index of the study area 由圖9可見(jiàn),研究區(qū)土壤重金屬重度污染、中度污染、輕微污染和無(wú)污染區(qū)域的占比分別為67.23%、2.72%,21.73%和8.32%;從空間分布上看,場(chǎng)地土壤重金屬污染區(qū)域仍以3、4號(hào)高爐區(qū)域?yàn)橹行南蛲鈹U(kuò)展,這與第2.2.1節(jié)分析結(jié)果一致,從而進(jìn)一步說(shuō)明了場(chǎng)地土壤重金屬污染與3、4號(hào)高爐區(qū)域生產(chǎn)工藝有直接關(guān)系。 2.3.2 土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià) 根據(jù)公式(4),計(jì)算研究區(qū)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),對(duì)場(chǎng)地土壤中重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),其計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。 表5 研究區(qū)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)Table 5 Potential ecological risk index assessment resultof heavy metals in the soils of the study area RI2.3 研究區(qū)土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
圖10 研究區(qū)土壤多種重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 指數(shù)空間分布圖Fig.10 Spatial distribution of potential ecological risk index of heavy metals in the soil of the study area
(1) 研究區(qū)土壤和地下水中重金屬濃度存在一定的超標(biāo)現(xiàn)象,土壤中重金屬濃度超標(biāo)率由低到高依次排序?yàn)镃d (2) 研究區(qū)土壤重金屬污染與原煉鐵廠的生產(chǎn)工藝密切相關(guān);地下水中重金屬濃度超標(biāo)率較小,呈現(xiàn)該現(xiàn)象的原因與重金屬在土壤中的自身性質(zhì)和局部地下水自我循環(huán)有一定的關(guān)系。 (3) 研究區(qū)土壤中重金屬垂向遷移主要受地層巖性變化的影響較大。總體而言,研究區(qū)土壤重金屬污染垂向方向主要集中在表層0~2 m處,僅存在個(gè)別重金屬污染深度較深的現(xiàn)象。 RI