水工環(huán)地質(zhì)中重金屬污染特征對比及來源解析研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0054-06

中圖分類號：X142文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Characteristic Comparison and Source Analysis of Heavy Metal Pollution in Hydraulic Environment Geology

Ma Guoliang

（Henan Fourth Geological and Mineral Resources Survey Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 45Oo0o，China）

Abstract：Theheavymetalpolutioninthehydraulicenvironmentisoneoftheimportantissesinthecurrentenvironmentalfield. Inordertofacilitatetheevelopmentoffectivecontrolmeasuresintefuture，comparativesudyandsourceanalysisofavyetal polutioncharacteristicsinhydulicviromentalglogrepropodbydvidingteesamplingreastocolltcorespondingam ples.AfterproceingeaetaleementsndteirontentereetectedDataprocesingsoftareasusedtoatitiallalye thepolltionracteristcsofaetalmntsalulatetotetialologcalsidefaetalementsndalyte corelatiobetweeneachheavymetalelementasthetargetThecoelationcoeficientofheavymetalelementsasusedtoanalyzethe sourceofheavmetalelementsTheresultsindicatethattherearedferencesinheavymetalcontentinhydraulicengineringadenvironmental geology，with complexpollution sourcesand significant migration of heavy metal elements.

Keywords：hydraulicringgeology；heavymetalpollution；polutioncharacteristics；sourceanalysis；ecological environment

前言

重金屬在自然界中分布廣泛，對人類的生活和健康有著較大影響。由于重金屬本身的生物累積性，在自然環(huán)境中會產(chǎn)生遷移變化，不僅會隨著食物進(jìn)入到人體內(nèi)，同時還會對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞[1-2]。水、土、大氣和地質(zhì)是影響人類生存環(huán)境的重要因素，其中水工環(huán)地質(zhì)的影響尤為顯著[3-4]，主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，水工環(huán)地質(zhì)是整個環(huán)境的基礎(chǔ)和框架，存在的質(zhì)量和狀況直接影響到水環(huán)境、土地資源、礦產(chǎn)資源等其他環(huán)境要素的質(zhì)量和水平；另一方面，水工環(huán)地質(zhì)中的重金屬污染也是水工環(huán)地質(zhì)中一項重要內(nèi)容，對水環(huán)境、土地資源等環(huán)境要素[5-6]有著嚴(yán)重影響。

由于重金屬具有較強(qiáng)的生物累積性，因此在進(jìn)入環(huán)境后很難被分解和氧化，會在生物體內(nèi)大量積累并隨著食物鏈進(jìn)行逐級傳遞，最終在人體內(nèi)形成長期積累而導(dǎo)致對人體健康造成嚴(yán)重危害[7]。為此，了解水工環(huán)地質(zhì)中重金屬污染特征及其來源是指導(dǎo)環(huán)境治理、保證人體安全健康的重要內(nèi)容[8]文章以水工環(huán)地質(zhì)為研究重點，結(jié)合以往的研究資料與實地考察數(shù)據(jù)研究水工環(huán)地質(zhì)中重金屬的污染特征和來源，盡可能完善相關(guān)研究內(nèi)容，解決當(dāng)前的污染問題，為生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與治理提供支持。

材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究采用野外取樣調(diào)查與實驗分析測試結(jié)合的方式。選擇的研究區(qū)域氣候類型主要為亞熱帶季風(fēng)氣候，該區(qū)域降水較為集中且降水量較大，在降雨過程中容易導(dǎo)致水土流失和水土污染[9]。該地區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)含量較高，但同時也存在著重金屬污染問題。由于區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜、地貌多樣，所以在不同的地理位置和地質(zhì)條件下，該區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境存在著較大差異。

在該區(qū)域存在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，同時也是重金屬污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。該區(qū)域內(nèi)重金屬污染的主要來源包括農(nóng)業(yè)污染、采礦污染以及廢水排放等[10]。農(nóng)業(yè)污染往往是因為農(nóng)業(yè)種植、生產(chǎn)過程中使用各種藥物或化肥等物質(zhì)造成的。采礦污染主要是由于工業(yè)生產(chǎn)過程中的采礦和冶煉等活動對土壤和地下水造成了嚴(yán)重危害。廢水排放包括人們的日常生活用水和工業(yè)聚集區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的工業(yè)廢水。以該區(qū)域作為研究區(qū)域，從水工環(huán)地質(zhì)上分別取樣進(jìn)行重金屬污染的相關(guān)分析與討論。

1.2 樣品采集

在野外現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查過程中，采集具有代表性的樣品進(jìn)行分析。一般情況下，對地質(zhì)環(huán)境和污染特征的研究主要采用地質(zhì)剖面法、野外調(diào)查采樣法和室內(nèi)分析法。而樣品采集的方式有兩種，一種是在野外現(xiàn)場直接進(jìn)行取樣，另一種則是將采集的樣品運回實驗室后，使用專門的儀器和設(shè)備對其進(jìn)行檢測。例如，在對某礦區(qū)重金屬污染特征進(jìn)行研究時，在礦區(qū)內(nèi)選取了3個不同的采樣點，每個采樣點分別采集了1＼～3個樣品，然后利用專業(yè)的儀器對樣品進(jìn)行檢測。而對于地質(zhì)樣品分析來說，首先對不同的地質(zhì)背景下重金屬污染特征進(jìn)行分析，然后再根據(jù)相應(yīng)的污染特征來確定采樣點。在野外地質(zhì)調(diào)查過程中，通常情況下以河流、湖泊、濱海濕地、山體等作為基本的研究對象。在采集完樣品后要使用專業(yè)的儀器進(jìn)行檢測和分析。這就需要在采樣過程中對采集到的樣品進(jìn)行合理規(guī)劃和有效控制。

在野外地質(zhì)調(diào)查過程中，為了確保樣品采集的有效性和科學(xué)性，對采樣點的分布情況進(jìn)行合理規(guī)劃。采樣點的分布按照“先遠(yuǎn)后近、先密后疏、先主后次”的原則進(jìn)行。在進(jìn)行采樣點選擇時，考慮到當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛蔡卣?、污染源分布情況和水文條件等。除此之外，在對地質(zhì)樣品進(jìn)行分類整理后，按照不同的污染類型進(jìn)行合理規(guī)劃。在對采樣點的選址時，充分考慮到地質(zhì)背景條件和土壤性質(zhì)等因素，盡量選擇具有代表性的采樣點。將重點放在地下水資源比較豐富的區(qū)域，或土壤較貧瘠且交通較為便利的區(qū)域等。

根據(jù)水工環(huán)地質(zhì)的研究需求，劃分三個采樣區(qū)域。在確定點位中心后，劃分 20m×20m 采樣范圍，對于工礦用地以及城鎮(zhèn)周邊土壤采集深度為0～60cm ，對于農(nóng)用地土壤采集 0～20cm 土壤樣本。在開始采集樣品前，將土地表面的植物、碎石等雜物清理干凈，利用采樣鏟垂直向下切割與標(biāo)準(zhǔn)要求相近的土方，使用木鏟清除表面土壤后，將樣品置于聚乙烯軟墊上，再戴上丁晴手套后混合樣品，清理雜質(zhì)。在實驗室內(nèi)，對樣品進(jìn)行研磨和過篩，處理后冷藏避光保存，等待后續(xù)化學(xué)分析。

對于水體中的樣品采集，使用采樣瓶采集水樣后，去除里面混合雜質(zhì)，再使用聚乙烯容器盛裝處理后水樣，同時保存好表面沉積物，將其作為研究樣本的一種，去除雜物后保存至自封袋中，避光保存后等待化學(xué)分析。

1.3 檢測分析

對于土壤樣品化學(xué)分析來說，主要內(nèi)容包括重金屬含量的測定和重金屬形態(tài)的分析，一般情況下，對于不同的重金屬元素采用不同的分析手段。一般情況下，采用的是原子吸收光譜法。在進(jìn)行原子吸收光譜法分析時，通常情況下是采用石墨爐原子吸收分光光度計對樣品中的金屬元素進(jìn)行測定，測定結(jié)果能夠達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而在對樣品進(jìn)行形態(tài)分析時，一般情況下會采用全量消解法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法等。對于樣品中重金屬元素的含量測定來說，主要是利用ICP－AES方法。對于水體樣本的化學(xué)檢測，根據(jù)不同的項目采用不同方式。具體內(nèi)容見表1。

表1中分光光度法的具體使用情況由重金屬元素確定。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

文章依據(jù)水工環(huán)地質(zhì)的特征，選取了3個不同采樣點，各個采樣點的數(shù)據(jù)存在一定的差異性，在后續(xù)分析上需要保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。因此，在實際操作中，利用Kriging插值法，將三個區(qū)域分別劃分為不同的網(wǎng)格，分別對三個區(qū)域進(jìn)行采樣，并利用相應(yīng)的分析軟件對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時保證數(shù)據(jù)分析可靠性。在此基礎(chǔ)上，對水工環(huán)地質(zhì)中重金屬的來源進(jìn)行解析。

2 結(jié)果與分析

2.1重金屬含量統(tǒng)計特征

根據(jù)實際采集的研究區(qū)重金屬污染樣本的檢測情況，利用數(shù)據(jù)處理軟件整理出各個采樣區(qū)域的統(tǒng)計結(jié)果。采樣區(qū)域1的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，數(shù)據(jù)單位為 mg/L，

其中，區(qū)域1為工業(yè)聚集區(qū)域的土－水界面污染流重金屬污染統(tǒng)計特征，通過分析可知，該區(qū)域的土－水界面污染流中檢測到的重金屬有S Ni，Pb，Zn ，其中 ΔCd，Ni，Pb 的最小值均為0.001，說明該重金屬元素檢出有限，與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，部分樣本符合I類標(biāo)準(zhǔn)，但是另外幾種重金屬元素檢出遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，樣本重金屬污染較為嚴(yán)重。區(qū)域2為工礦區(qū)域的土壤重金屬污染統(tǒng)計特征，以國家土壤標(biāo)準(zhǔn)值和背景值作為依據(jù)，對比觀察表中數(shù)據(jù)可以看出，沉積物中 Ni，Cu，Zn，Cd 金屬元素的含量與標(biāo)準(zhǔn)值相近，而 Cr，Pb，Hg 的含量比較高，其中 的含量遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，重金屬污染比較嚴(yán)重。區(qū)域3為水體沉積物中的重金屬污染統(tǒng)計特征，表中顯示，除了 cr 和 Ni這兩種元素外，其他重金屬元素的平均值均超過了標(biāo)準(zhǔn)的土壤環(huán)境背 景值。

2.2 重金屬污染評價

在重金屬元素的污染評價中，參考以往的研究資料，采用潛在生態(tài)風(fēng)險評價法分析重金屬元素的污染程度，以評價結(jié)果作為依據(jù)進(jìn)行對比分析。潛在生態(tài)風(fēng)險評價法采用定量的方式劃分不同重金屬元素的污染影響以及多類型重金屬的綜合影響。計算公式如式（1）：

式（1）中， m 表示重金屬污染物的類型數(shù)量， R 表示重金屬潛在的生態(tài)危害指數(shù)， T_rⁱ 表示目標(biāo)的毒性反應(yīng)系數(shù)， C_i 表示元素的實測質(zhì)量分?jǐn)?shù)， E_rⁱ 表示污染物 χ_i 的污染程度， C_nⁱ 表示參比值。由此可得出研究區(qū)域重金屬生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果，選擇部分重金屬元素作為目標(biāo)，得到的結(jié)果見圖1。

觀察圖中顯示的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果，可以看出，在研究區(qū)域內(nèi)，重金屬元素Cd具有很強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險，在圖中顯示的重金屬元素中風(fēng)險指數(shù)最高，其中又以采樣區(qū)域3的Cd污染程度最高，說明重金屬元素Cd對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境危害較大。從整體上看，圖中顯示的重金屬元素潛在風(fēng)險指數(shù)的排序為重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險污染程度排序為 Cdgt;Pbgt;Cugt;Nigt;Zn ，在后續(xù)環(huán)境治理和保護(hù)上可以將其作為參考。

2.3重金屬元素相關(guān)性分析

研究水工環(huán)地質(zhì)中重金屬的來源時，以重金屬元素之間的相關(guān)性作為依據(jù)，統(tǒng)計各個重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)，對重金屬元素的來源進(jìn)行初步判斷，如果通過相關(guān)性分析結(jié)果確定幾種重金屬元素之間的相關(guān)性比較大，相關(guān)系數(shù)得分高，說明這幾種重金屬元素來源可能相同，反之，重金屬元素來源不同，進(jìn)而可以推斷出重金屬污染可能為復(fù)合污染。

重金屬元素相關(guān)性分析結(jié)果見表3。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，重金屬元素Cd與Ni、 金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)比較大，因此可得出，上述幾種重金屬元素具有同源性，將其與其他重金屬元素的相關(guān)系數(shù)對比觀察，可以確定研究區(qū)域的重金屬污染為典型的復(fù)合污染，并且其中幾種重金屬元素具有很大的遷移性，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)重金屬以復(fù)合污染的形式出現(xiàn)顯著積累。

3討論

3.1水工環(huán)地質(zhì)中重金屬污染特征對比分析

從水工環(huán)地質(zhì)中重金屬污染來源的角度進(jìn)行對比分析，可以得出以下結(jié)論：在不同環(huán)境背景下，重金屬的污染特征存在明顯差異。首先是地質(zhì)背景，由于地質(zhì)環(huán)境具有特殊性，在發(fā)生變化時會對環(huán)境造成巨大影響。如在地下水中，由于地表水的流動性強(qiáng)，在進(jìn)入到地下水中后會發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，從而對地下水造成污染；而在地表水和地下水相互作用下，重金屬的污染特征也會發(fā)生明顯變化。其次是水文背景，不同類型的水文背景會對重金屬污染特征產(chǎn)生明顯影響。例如在江河流域中，由于自凈能力較弱，因此污染物很容易被自然降解；而在湖泊和池塘中則不同，自凈能力較強(qiáng)，污染物的遷移轉(zhuǎn)化也比較緩慢。在雷雨天氣時重金屬的污染特征比較明顯；而在寒潮天氣時則會出現(xiàn)大氣沉降作用下重金屬污染物發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。

3.2水工環(huán)地質(zhì)中重金屬元素來源解析

在對水工環(huán)地質(zhì)中重金屬污染來源進(jìn)行解析的過程中，首先對地質(zhì)背景進(jìn)行分析，了解不同地質(zhì)背景下的重金屬來源。巖石的風(fēng)化和侵蝕過程會釋放其中的重金屬元素進(jìn)入環(huán)境。例如，在富含重金屬的母巖地區(qū)，風(fēng)化作用會導(dǎo)致重金屬隨水流遷移至水體或沉積物中。地質(zhì)構(gòu)造活躍的區(qū)域，如斷層帶，常伴隨有巖漿活動或巖石破碎，這些過程也會釋放大量重金屬元素至環(huán)境中。工業(yè)活動是重金屬污染的主要來源之一，特別是冶金、化工、電鍍等行業(yè)。這些行業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生含有重金屬的廢水、廢氣和固體廢棄物，如果處理不當(dāng)，會直接或間接地排入環(huán)境。農(nóng)藥、化肥的使用以及污水灌溉等農(nóng)業(yè)活動也是重金屬污染的重要來源，長期大量使用含重金屬的農(nóng)藥和化肥，會導(dǎo)致土壤和水體中重金屬含量升高。

將重金屬污染的統(tǒng)計特征、潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果與重金屬元素相關(guān)性分析結(jié)果相結(jié)合，對重金屬元素來源進(jìn)行解析。在重金屬污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，可能是污染企業(yè)聚集程度比較高，比如工業(yè)集中區(qū)域，另外，在礦產(chǎn)豐富的區(qū)域也存在較嚴(yán)重的重金屬污染，同時也會污染到附近的水體資源。在重金屬污染較輕的區(qū)域，產(chǎn)業(yè)發(fā)展集中度比較低，區(qū)域內(nèi)的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險也比較低，但是隨著產(chǎn)業(yè)聚集程度的提升，重金屬污染可能會逐漸增加。

4結(jié)束語

文章通過對水工環(huán)地質(zhì)中重金屬污染特征的對比分析，揭示了水工環(huán)地質(zhì)中重金屬的含量和特征。研究結(jié)果表明，水工環(huán)地質(zhì)中的重金屬污染主要來源于工業(yè)廢水排放、城市化進(jìn)程或農(nóng)業(yè)活動等。其中，造成重金屬污染較為嚴(yán)重的主要來源是工業(yè)廢水排放，廢水中含有大量的重金屬離子，如銅、鉛、鋅等。農(nóng)業(yè)活動中的農(nóng)藥和化肥使用也是重金屬污染的重要來源之一，這些物質(zhì)中的重金屬元素會在土壤中積累，進(jìn)而通過地表水和地下水進(jìn)入水體。在城市化進(jìn)程中，城市污水的排放和處理不當(dāng)也會導(dǎo)致重金屬污染。因此，在對水工環(huán)地質(zhì)進(jìn)行分析時，需要考慮到重金屬的來源和影響因素，并明確水工環(huán)地質(zhì)中重金屬污染來源的類型和主要特征，為后續(xù)工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

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