鄭雄偉, 嚴向軍, 鄭國權

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

土壤重金屬預測預警是指對一定時期的土壤重金屬污染狀況進行預測、分析與評價,確定土壤質量變化的趨勢、速度以及達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對策[1-2]。目前,土壤重金屬污染預警主要有空間分布預測[3]、污染狀態(tài)預警、污染趨勢預警[4-5]和污染速率預警等幾種類型。重金屬空間分布預測的實質是利用各種插值計算方法對已知采樣點數(shù)據(jù)進行空間插值分析,從而分析重金屬的空間分布規(guī)律。污染狀態(tài)預警類似于污染程度評價,實質上是對目前環(huán)境質量狀態(tài)的判定。后兩者常常根據(jù)重金屬累積速率和社會經(jīng)濟因素對其未來趨勢進行預測,并根據(jù)一定“警戒線”進行預警。目前,對重金屬污染趨勢預警和污染速率預警的方法常見的有超標年限預測模型、灰色聚類模型、情景預測法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型等多種。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)土壤重金屬污染進行預測預警。

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)康橋湖農場的西南邊陲,在石牌鎮(zhèn)的石牌閘注入漢江。該流域屬于亞熱帶季風區(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)野外實際調查,區(qū)內有磷肥廠、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調查局在2004年合作開展的《湖北省江漢流域經(jīng)濟區(qū)農業(yè)地質調查》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量地球化學評價(一期)》的采樣數(shù)據(jù)。

2004年通過《湖北省江漢流域經(jīng)濟區(qū)農業(yè)地質調查》項目采集的樣品分析經(jīng)過對8個土壤一級標準物質的分析,方法的精密度和準確度能滿足《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范》要求,其分析配套方案合理。監(jiān)控樣質量指標ΔlgC和標準偏差λ(GSS)、內檢合格率、報出率等質量參數(shù)合格率均在95%以上,能滿足《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范》要求,分析質量可靠,分析數(shù)據(jù)準確。

2014年在竹皮河污灌區(qū)對土壤和灌溉水進行了系統(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件為重復樣,6件在竹皮河流域取樣;采用手持GPS定點,進行水樣采集。水樣采集時間為2014年8月15-18日,是農作物的灌溉期。

樣品測試工作由武漢綜合測試巖礦中心完成,嚴格按照國家多目標地球化學調查規(guī)程進行土壤樣品測定,土壤樣品進行了 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項指標測試;灌溉水樣品分析指標為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量的地球化學數(shù)據(jù),分析質量水平優(yōu)于相關要求,滿足規(guī)范要求。

3 土壤環(huán)境質量和灌溉水質量現(xiàn)狀

3.1 土壤環(huán)境質量現(xiàn)狀

根據(jù)《土地質量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)要求,采用土壤環(huán)境質量標準GB15618—1995二級標準,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指標的實測濃度;Si為污染物i在GB15618中給出的二級標準值。

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

結果表明,研究區(qū)鎘和砷兩種元素污染較嚴重。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)境地球化學等級劃分界限值Table 1 Soil environmental geochemical classification of the boundary value

3.2 灌溉水質量現(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—后營村一帶為強堿性。

(2) Cd。Cd離子區(qū)內地表水中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 評價結果

按照中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準《農用水資源質量監(jiān)測技術規(guī)范》(NY/T396—2000),選取砷、鎘、鉻、銅、鉛、鋅、汞7項指標進行評價,區(qū)內灌溉水質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 土壤重金屬污染預警預測數(shù)學模型

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)濟發(fā)展突飛猛進,考慮工業(yè)發(fā)展對土壤的影響可追溯到20世紀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。范迪富等研究認為:工業(yè)發(fā)達程度越高,速度越快,對土壤污染的“貢獻”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]。當然人們在環(huán)境保護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)境保護意識強的地區(qū),其工業(yè)發(fā)展對土壤質量影響是等速的,反之是加速的。分析認為,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 污染超標年限預測模型

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年限預測。《湖北省江漢流域經(jīng)濟區(qū)農業(yè)地質調查》中的調查數(shù)據(jù)是1個樣/4 km2,而《湖北省鐘祥市土地質量地球化學評價(一期)》的調查數(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4 km2為基本單元,將土地質量地球化學評價項目中落在同一范圍內的數(shù)據(jù)進行算數(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有的關注?；谝陨戏治?把土壤零污染年設為2004年,將2004年作為臨界年份,本文認為從2004年到現(xiàn)在的污染程度是勻速的,即從2004年在江漢流域進行的1∶25萬的多目標區(qū)域調查到本次的農業(yè)地質調查,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量預警預測的數(shù)學基礎。數(shù)學模型如下:

圖3 石牌—柴湖地區(qū)土壤環(huán)境質量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 污染超標年限預測預警

依據(jù)以上的數(shù)學模型,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)境質量標準。

(2) 可預測土壤惡化年限區(qū):表層土壤含量值和基準值小于或者等于土壤環(huán)境質量標準同時表層土壤含量值大于基準值。本文中所述的基準值指的是2004年調查的基準值。

(3) 無污染區(qū):表層土壤含量值小于土壤環(huán)境質量標準同時小于基準值。

(4) 土壤環(huán)境質量標準采用GB15618—1995二級標準,該標準為保障農業(yè)生產(chǎn),維護人體健康的土壤限制值。

從預測結果可以看出(表2),在重金屬勻速累積模式下,竹皮河污灌區(qū)土壤重金屬造成嚴重污染,土壤環(huán)境迅速惡化。As含量10年內污染面積占11%,40年內污染面積占比近50%,70年后污染面積占比近93%,92年以后全部污染;Cd含量10年內污染面積占12%,30年內污染面積占比超過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 結論及建議

(1) 應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行了預測預警,結果表明,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,在20-40年內將會發(fā)生Cd及As的較大面積污染事件。

(2) 伴隨著經(jīng)濟的發(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,科學合理地進行污水灌溉,進而控制土壤進一步污染。

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)境質量監(jiān)測系統(tǒng),定期對土壤進行“體檢”,以便為污染趨勢預測預警研究提供更加準確的基礎資料,及時發(fā)現(xiàn)存在的重金屬污染環(huán)境風險。

(4) 本文雖在對土壤中重金屬累積速率計算的基礎上利用勻速累積模式進行了預測預警分析,但應該指出,這種預測方法是利用重金屬過去的累積特征來對未來趨勢進行預測,當未來環(huán)保措施和城市的發(fā)展狀況等社會經(jīng)濟因素出現(xiàn)較大變化時,模型預報誤差將會增大。同時,這種模型也沒有很好地反應重金屬在土壤系統(tǒng)中的賦存、遷移及轉化機制。因此,如何建立一個既能反映社會經(jīng)濟因素對城市土壤系統(tǒng)中重金屬累積的影響,又能反應重金屬進入土壤后的遷移轉化規(guī)律的具有較高適應性的預測預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,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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