高祥冠，常 江

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院城市規(guī)劃研究所，江蘇 徐州 221116；2.太原科技大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山西 太原 030001)

在礦產(chǎn)資源開(kāi)采、加工、利用過(guò)程中，產(chǎn)生的污染物的數(shù)量和速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其環(huán)境承載能力，引起了礦區(qū)的環(huán)境污染。對(duì)于煤炭產(chǎn)區(qū)，煤礦塌陷地的重金屬污染問(wèn)題為重中之重[1-7]。重金屬污染不僅會(huì)限制礦區(qū)自身發(fā)展，而且會(huì)影響礦區(qū)周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活安全，尤其是重金屬通過(guò)食物鏈的富集作用，最終將影響到食物鏈頂端人類(lèi)自身安全，而且重金屬環(huán)境污染對(duì)人與環(huán)境的威脅是長(zhǎng)期的、隱性的和不可逆的。因此，近年來(lái)礦區(qū)重金屬污染的研究已經(jīng)成為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究熱點(diǎn)之一[8-14]，這對(duì)于礦區(qū)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)也是具有實(shí)踐意義的。

本文以徐州九里湖地區(qū)塌陷地為研究對(duì)象，首先通過(guò)遙感圖分析了九里湖區(qū)的土地利用的變化，在此前提下，按照《徐州市城市總體規(guī)劃(2010～2020年)》的不同功能區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)采樣，使用GIS技術(shù)分析Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Hg、As在塌陷地土壤中的分布格局，并通過(guò)土地利用的變化分析其可能重金屬污染的來(lái)源。以徐州市土壤背景值為依據(jù)，通過(guò)比值法和地質(zhì)積累指數(shù)法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。研究獲得的成果可以直接指導(dǎo)九里湖區(qū)域的重金屬污染治理，并對(duì)未來(lái)九里湖區(qū)域生態(tài)修復(fù)建設(shè)和發(fā)展規(guī)劃有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于徐州市城北九里湖地區(qū)，位于徐州市主城區(qū)西北部。區(qū)域內(nèi)有煤炭、鐵、高嶺土等礦產(chǎn)資源，是徐州市煤炭、電力、建材工業(yè)基地，主要有龐莊礦、張小樓礦、夾河礦和王莊礦。研究范圍九里湖地區(qū)31.27 km2，目前已塌陷面積16.07 km2，占研究區(qū)的51.39%，由于采煤塌陷存在塌陷穩(wěn)沉過(guò)程，根據(jù)龐莊礦、張小樓礦等礦的井下工作面布置圖，未來(lái)研究區(qū)將有超過(guò)83.35%土地逐步塌陷。受徐州地區(qū)高潛水位地質(zhì)條件的影響，該地區(qū)的塌陷地中常伴有季節(jié)性積水和常年積水的現(xiàn)象，其中8.37 km2為常年積水區(qū)即本文所指“九里湖”，圍繞“九里湖”還有季節(jié)性積水區(qū)7.7 km2。受積水影響，伴有土壤肥力退化，這些塌陷地成為粉煤灰及煤矸石堆放場(chǎng)，或垃圾堆放場(chǎng)，有害物質(zhì)浸出。因此，九里湖地區(qū)是典型受塌陷侵?jǐn)_，污染較為嚴(yán)重的地區(qū)。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源與分析處理

九里湖區(qū)土地利用變化研究采用的遙感數(shù)據(jù)包括1個(gè)時(shí)相的spot-1全色數(shù)據(jù)和1個(gè)時(shí)相spot-5全色數(shù)據(jù)。spot-1數(shù)據(jù)軌道號(hào)285-281，接收于1998年11月1日，分辨率為10 m；spot-5數(shù)據(jù)軌道號(hào)285-281，接收于2014年5月2日，分辨率為2.5 m。以工作站版ArcView為平臺(tái)，采用遙感圖像的信息提取技術(shù)，從遙感影像上發(fā)現(xiàn)有關(guān)地物的空間結(jié)構(gòu)與形態(tài)信息，解譯結(jié)果為1998年和2014年九里湖區(qū)土地利用圖(圖1和圖2)。

圖1 1998年九里湖區(qū)土地利用圖

2.2 九里湖區(qū)土壤重金屬調(diào)查采樣點(diǎn)設(shè)計(jì)

2014年3月、7月、11月和2015年1月，根據(jù)《徐州市城市總體規(guī)劃(2010～2020年)》的不同功能區(qū)和受采煤塌陷最為嚴(yán)重的區(qū)塊，選定了采樣區(qū)域并設(shè)定了10個(gè)采樣點(diǎn)(圖3)，進(jìn)行了4次采樣，使用GPS定位儀進(jìn)行采樣點(diǎn)的定位并采集樣本。樣點(diǎn)坐標(biāo)及1998年、2016年土地用途和規(guī)劃用途見(jiàn)表1。全部樣本在經(jīng)過(guò)消解后，分析土壤中Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Hg、As等重金屬含量，其中Cu、Cd、Pb、Zn、Cr由原子發(fā)射光譜測(cè)定，Hg、As由原子熒光光譜測(cè)定，土壤pH值用電位法進(jìn)行測(cè)定，全部數(shù)值取三個(gè)時(shí)間所獲數(shù)值的平均值。

圖2 2014年九里湖區(qū)土地利用圖

圖3 九里湖區(qū)重金屬樣點(diǎn)分布圖

3 結(jié)果與討論

3.1 1998～2014年九里湖區(qū)土地利用變化分析

通過(guò)對(duì)1998年、2014年兩個(gè)時(shí)相的遙感影像處理結(jié)果的分析，利用GIS統(tǒng)計(jì)工具可獲得九里湖區(qū)的各土地利用類(lèi)型總面積和動(dòng)態(tài)變化幅度(表2)。可以了解九里湖區(qū)土地利用變化總的態(tài)勢(shì)。

由表2可見(jiàn)，1998～2014年，耕地面積減少30.35%，主要是由于塌陷水域的增加和工礦企業(yè)的發(fā)展，少部分是開(kāi)發(fā)了居住用地和交通用地，很少一部分耕地轉(zhuǎn)化為林地。水域用地面積增加37.42%，以及隨著煤炭的開(kāi)采，引起塌陷積水面積的增多，部分林地被淹沒(méi)。已治理的塌陷水體也大都被治理為魚(yú)塘或濕地公園。交通用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地的變化幅度較大，分別增加了84.44%和59.29%。交通用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地增加說(shuō)明九里湖區(qū)的工礦業(yè)在這十年間發(fā)展很快。居住用地面積增加了0.43 km2。林地面積增加了0.29 km2。結(jié)合從2014年以來(lái)對(duì)九里湖區(qū)的實(shí)地踏勘，在區(qū)域內(nèi)有近30家的工業(yè)企業(yè)。由此可見(jiàn)，九里湖區(qū)近20年來(lái)工礦業(yè)的大力發(fā)展，已經(jīng)引起了區(qū)域地表景觀的變化，受采空區(qū)和采煤塌陷的影響，造成了地表和地下水位的變化，形成諸多塌陷濕地，造成嚴(yán)重的土壤重金屬污染。

3.2 重金屬測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果(表3)中可見(jiàn)，該七種重金屬元素在土壤中的富集程度大小排列為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>Zn>As。結(jié)合對(duì)照《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》，目前Zn、Hg、As、Cr的含量滿足標(biāo)準(zhǔn)， Cu、Cd、Pb的含量均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。與徐州背景值相比，只有Zn、As低于背景值，Hg、Pb、Cu、Cd、Cr的含量全部高于背景值。

表1 樣點(diǎn)坐標(biāo)及1998年、2016年土地用途和規(guī)劃用途一覽表

表2 1998～2014年九里湖區(qū)土地覆被變化

表3 九里湖區(qū)土壤中重金屬含量平均值

注：背景值采用1989年徐州市土壤質(zhì)量檢驗(yàn)所的數(shù)據(jù)，Zn標(biāo)準(zhǔn)值參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 九里湖區(qū)土壤重金屬富集分布分析及評(píng)價(jià)

九里湖區(qū)重金屬分析采用ArcView工作站版，對(duì)比1989年徐州市重金屬背景值，參考1998～2014年土地利用變化，分析了重金屬在九里湖區(qū)的富集度和重金屬可能的污染源。參考目前主流的重金屬危害評(píng)價(jià)[15-18]，本研究對(duì)九里湖區(qū)土壤重金屬環(huán)境的評(píng)價(jià)從重金屬含量比背景值的倍數(shù)和地質(zhì)累積指數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)(表4)。

表4 九里湖區(qū)土壤重金屬地質(zhì)累積指數(shù)

由表4可知，各元素重金屬含量比背景值的倍數(shù)與地質(zhì)積累指數(shù)成正比關(guān)系。Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Hg、As的平均含量分別是徐州市土壤背景值的5.75倍、42.72倍、4.22倍、0.99倍、1.96倍、12.5倍和0.32倍，由此可知，Cu、Cd、Pb、Cr、Hg等5種重金屬元素在土壤中富集較為嚴(yán)重，其中Cd的富集程度最大，達(dá)到42.7倍；而Zn、As的平均含量均比土壤背景值低，尤其是As，其含量?jī)H為背景值的0.3倍。該七種重金屬元素在土壤中的富集程度大小排列為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>Zn>As。地質(zhì)累積指數(shù)(index of geo-accumulation，Igeo)是一種研究環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)，地質(zhì)累積指數(shù)法在評(píng)價(jià)過(guò)程中主要考慮元素相對(duì)于自然本底值的富集性，更側(cè)重于從自然角度評(píng)價(jià)。通過(guò)計(jì)算可知各元素平均危害程度依次為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>As>Zn。通過(guò)比較，各元素重金屬含量比背景值的倍數(shù)與地質(zhì)積累指數(shù)成正比關(guān)系，兩者的分析結(jié)果基本一致。下文介紹了Cd、Cu、Pb、Hg的分布情況，可見(jiàn)Cd、Cu、Pb、Hg是九里湖區(qū)土壤重金屬治理工作的重點(diǎn)(圖4和圖5)。

研究區(qū)域內(nèi)Cu元素的土壤富集在東北部有一個(gè)明顯的高值帶，其次在九里湖西湖有一個(gè)較高值帶。最高值在樣點(diǎn)10，含量為118.7 mg/kg，是徐州市土壤背景值的9.41倍，其位置毗鄰東城井礦；其次為樣點(diǎn)9，含量為93.8 mg/kg，處于粉煤灰填埋場(chǎng)；再次為樣點(diǎn)8，含量為90.2 mg/kg，處于龐莊煤礦。Cu含量最低值在樣點(diǎn)5，含量為48.4 mg/kg，處于張小樓窯廠，是徐州市土壤背景值的3.84倍?？傮w來(lái)看研究區(qū)域Cu的平均含量為徐州市土壤背景值的5.75倍，因此該區(qū)域?qū)儆贑u富集區(qū)。從地質(zhì)積累指數(shù)來(lái)看，Cu在樣點(diǎn)1至樣點(diǎn)7都是2級(jí)中度污染，在樣點(diǎn)8、樣點(diǎn)9、樣點(diǎn)10是3級(jí)較強(qiáng)度污染；其原因可能是由于樣點(diǎn)8是龐莊煤礦，作為一座幾十年的老礦區(qū)，土壤中Cu污染嚴(yán)重是必然的；樣點(diǎn)10附近有銅業(yè)公司，在開(kāi)采、冶煉銅的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種重金屬污染，尤其是Cu污染；樣點(diǎn)9有嚴(yán)重的Cu污染可能是由于當(dāng)?shù)爻Ｄ甓逊欧勖夯宜?，因?yàn)榻?jīng)采樣測(cè)定當(dāng)?shù)胤勖夯业腃u含量123.5 mg/kg大于該地土壤中的Cu含量。

研究區(qū)內(nèi)Cd的分布大致為西北部與東南部含量偏低，中部偏高。該研究區(qū)內(nèi)有兩個(gè)明顯的高值帶，分別為龐莊礦矸石堆及九里湖東湖的粉煤堆處。最高值在樣點(diǎn)8，含量為20.3 mg/kg，是徐州市土壤背景值的70倍，從空間上來(lái)看，應(yīng)該受到龐莊煤礦的影響；其次為樣點(diǎn)9，含量為18.2 mg/kg，此處位于九里湖西湖岸；再次為樣點(diǎn)3，含量為15.4 mg/kg。Cd含量最低值在樣點(diǎn)5，位于張小樓村窯廠附近，含量為3.1 mg/kg，是徐州市土壤背景值的17倍?？傮w來(lái)看，研究區(qū)Cd的平均含量為徐州市土壤背景值的42.72倍，因此該區(qū)域?qū)儆贑d富集區(qū)。從地質(zhì)積累指數(shù)來(lái)看Cd在樣點(diǎn)5是3級(jí)污染，在樣點(diǎn)1、樣點(diǎn)2、樣點(diǎn)4、樣點(diǎn)6、樣點(diǎn)7、樣點(diǎn)10是5級(jí)污染，在樣點(diǎn)3、樣點(diǎn)8、樣點(diǎn)9是6級(jí)污染；整個(gè)研究區(qū)的Cd污染都很?chē)?yán)重，主要是由于該研究區(qū)是采煤塌陷區(qū)，煤礦生產(chǎn)及以燃煤為主要能源的企業(yè)周?chē)鶦d元素的富集都十分明顯。

圖4 九里湖區(qū)土壤Cd、Cu、Pb、Hg含量等值線圖

圖5 九里湖區(qū)土壤Cd、Cu、Pb、Hg地質(zhì)積累指數(shù)等值線圖

研究區(qū)內(nèi)Pb的分布大致為東北部與西南部含量高，西北部及中部比較低。該研究區(qū)龐莊礦東城井及樣點(diǎn)3種植區(qū)有兩個(gè)高值帶，最高值在樣點(diǎn)10，含量為89.8 mg/kg，位于東城井礦，是徐州市土壤背景值的5.5倍。其次為樣點(diǎn)3，含量為85.5 mg/kg；再次為樣點(diǎn)6，含量為78.1 mg/kg，樣點(diǎn)3和樣點(diǎn)6都處于農(nóng)作物種植區(qū)。Pb含量最低值在樣點(diǎn)5，位于張小樓村窯廠，含量為41.7 mg/kg，是徐州市土壤背景值的2.6倍。總體來(lái)看，研究區(qū)土壤基本上全部受到Pb污染。從地質(zhì)積累指數(shù)來(lái)看Pb在樣點(diǎn)5、樣點(diǎn)8是1級(jí)污染，在其余樣點(diǎn)則是2級(jí)污染；在礦區(qū)及燃煤為主要能源的企業(yè)會(huì)以Pb為特征，樣點(diǎn)5的Pb含量低可能是因?yàn)殡m然該區(qū)域有一個(gè)小窯廠，但其污染能力有限，并且周?chē)际欠N植區(qū)，農(nóng)作物的生長(zhǎng)把部分重金屬吸收。

研究區(qū)內(nèi)Hg的分布大致呈自東向西逐漸降低的趨勢(shì)。Hg含量的最大值在樣點(diǎn)10，位置毗鄰東城井礦，含量為0.236 mg/kg，是徐州市土壤背景值的23.6倍，其次是樣點(diǎn)2，處于九里湖西湖湖岸，含量為0.200 mg/kg，是徐州市土壤背景值的20倍，再次為樣點(diǎn)3，含量為0.169 mg/kg。Hg含量最低值在樣點(diǎn)7，是張小樓礦的住宅區(qū)，含量為0.034 mg/kg，為徐州市土壤背景值的3.4倍。從地質(zhì)積累指數(shù)來(lái)看Hg在樣點(diǎn)7是2級(jí)污染，在樣點(diǎn)4、樣點(diǎn)6、樣點(diǎn)8、樣點(diǎn)9是3級(jí)污染，在樣點(diǎn)1、樣點(diǎn)2、樣點(diǎn)3、樣點(diǎn)5、樣點(diǎn)10是4級(jí)污染。雖然研究區(qū)土壤中Hg含量都在國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；但是考慮到該地區(qū)Hg背景值比較小和Hg毒性較大，加之近十幾年的其含量呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此該研究區(qū)的Hg污染較為嚴(yán)重。

3.4 重金屬測(cè)試結(jié)果對(duì)城市規(guī)劃的指導(dǎo)

在《徐州市城北開(kāi)發(fā)區(qū)總體規(guī)劃規(guī)劃》中，九里湖地區(qū)的城市規(guī)劃主要用地類(lèi)型為三類(lèi)：居住用地(22.35%)、農(nóng)業(yè)用地(58.47%)、一類(lèi)工業(yè)用地(17.48%)，規(guī)劃中建議控制工業(yè)污染，塌陷地復(fù)墾后重點(diǎn)發(fā)展城郊生態(tài)農(nóng)業(yè)及漁業(yè)養(yǎng)殖[19]。根據(jù)本研究上述結(jié)果分析，九里湖地區(qū)塌陷地不僅改變了原有的地表地貌，而且受高潛積水影響，土壤存在諸多重金屬等有害物質(zhì)的潛在危害，如發(fā)展城郊生態(tài)農(nóng)業(yè)，在農(nóng)作物、漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)品中，存在重金屬等有害物質(zhì)會(huì)隨食物鏈而轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。因此，發(fā)展城郊生態(tài)農(nóng)業(yè)的規(guī)劃方向并不適宜。

本研究認(rèn)為未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)，重金屬等污染物還將存在，九里湖地區(qū)塌陷地復(fù)墾到可利用狀態(tài)后，不能簡(jiǎn)單地再繼續(xù)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本研究根據(jù)九里湖地區(qū)塌陷地的分布及特點(diǎn)，從生態(tài)安全、人居安全的角度，因地制宜、科學(xué)謀劃，結(jié)合城市發(fā)展，提出九里湖地區(qū)城市規(guī)劃與塌陷地綜合利用模式(表5)。在控制重金屬污染源的基礎(chǔ)上，一方面將重金屬污染的土地作為建設(shè)用地，用于二類(lèi)工業(yè)用地和二類(lèi)居住用地，將重金屬污染土地封存隔離，這是一種較為被動(dòng)的處理方法，但是可以解決城市用地緊張問(wèn)題。另一方面，將重金屬污染的土地作為生態(tài)林地和城市濕地，利用植物修復(fù)技術(shù)，如黑麥草、雜草龍葵等重金屬富集植物來(lái)豐富景觀效果和降低重金屬污染，這是一種較為積極處理方法，進(jìn)而達(dá)到建設(shè)生態(tài)宜居城市的目的。

表5 九里湖地區(qū)塌陷地復(fù)墾措施與城市規(guī)劃建議

4 結(jié) 論

徐州九里湖地區(qū)近年來(lái)土地利用的變化表明，1998～2014年，林地面積減少30.35%，水域用地面積增加37.42%，是由于采煤塌陷積水面積的增多，部分林地被淹沒(méi)。交通用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地分別增加了84.44%和59.29%，說(shuō)明2000年后九里湖地區(qū)的工礦業(yè)迅速發(fā)展。結(jié)合實(shí)地踏勘，九里湖地區(qū)有多家煤礦企業(yè)及煤炭附屬工業(yè)，其開(kāi)采出的煤炭、煤矸石，燃燒形成的粉煤灰必然會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)赝寥喇a(chǎn)生重金屬污染。土壤重金屬調(diào)查結(jié)論顯示，九里湖區(qū)土壤重金屬的富集程度為Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>Zn>As，從地質(zhì)積累指數(shù)來(lái)看各元素平均危害程度依次為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>As>Zn，目前Zn、Hg、As、Cr的含量滿足標(biāo)準(zhǔn)，Cu、Cd、Pb的含量均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。與徐州背景值相比，只有Zn、As低于背景值，Hg、Pb、Cu、Cd、Cr的含量全部高于背景值。結(jié)合以上，Cd、Cu、Pb、Hg是九里湖區(qū)土壤重金屬治理工作的重點(diǎn)。在本研究數(shù)據(jù)和分析評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，本文對(duì)九里湖地區(qū)的城市規(guī)劃用地類(lèi)型和規(guī)劃方向給出了建議。塌陷穩(wěn)沉后，煤矸石、粉煤灰回填治理用于城市建設(shè)用地，分別作為二類(lèi)工業(yè)用地和二類(lèi)居住用地，發(fā)展生態(tài)工業(yè)園和生態(tài)宜居區(qū)。塌陷深度大或深度不確定地區(qū)，進(jìn)行水陸復(fù)合濕地生態(tài)修復(fù)，發(fā)展城市生態(tài)林地和城市濕地公園，結(jié)合關(guān)閉礦井工業(yè)建筑和設(shè)施，發(fā)展煤炭工業(yè)遺址旅游和生態(tài)休閑旅游，提升九里湖片區(qū)品質(zhì)。