汾河沿岸汞的变化规律分析及防治

祁 彧,樊贵盛

(太原理工大学 a.环境科学与工程学院; b.水利科学与工程学院, 太原 030024)

汾河沿岸汞的变化规律分析及防治

祁 彧a,樊贵盛b

(太原理工大学 a.环境科学与工程学院; b.水利科学与工程学院, 太原 030024)

以汾河典型断面下河床土壤中的汞为研究对象,通过实地测量和实验室土柱实验模拟,对汾河沿岸汞的来源和分布状况进行了研究分析。研究结果表明:重金属汞多集中在土壤的表层40～100 cm之间;表层土壤汞的主要来源于人为源中的污水灌溉,且汞的污染范围多在距两岸150 m的范围内;汾河深层土壤汞污染主要为长时间河槽向两岸滩地的迁移积累。文末针对汾河沿岸的汞污染现状提出了相应的修复方案。

汾河;重金属;汞污染;分布规律;修复方案

近些年,随着国民经济和工农业生产的发展,大量生活和工业废污水排入河中,致使汾河水质恶化,严重影响了沿岸景观和居民的身心健康,是山西水资源与水生态问题最为典型的流域[1]。因此,该流域水生态系统保护与修复综合治理方案的实施,与汾河流域的社会发展、沿岸的生态环境和人民生活息息相关。重金属汞,是唯一在常温下呈液态并易流动的金属,汞及其化合物不仅具有较强的生物毒性,被认为是河海岸带少数受限制的生物机体内一种主要的污染物[2]。可见,研究汾河沿岸重金属的污染状况分析及其修复技术具有重要的社会和经济意义。

目前,相关河流水体及环境中重金属汞的研究相当普遍,其主要包括以下几个方面:

1) 土壤重金属汞的来源、时空分布和污染现状的研究[3-5];

2) 汞在土壤中吸附和运移方面的研究[6-7];

3) 土壤汞污染对植物的毒害[8-10]；

4) 重金属汞污染土壤修复技术现状与趋势的探讨[11]。

上述研究多集中于河流、城市土壤和矿区土壤中汞污染领域,然而,相关河流沿岸土壤尤其汾河沿岸汞污染现状及其修复技术研究报道较少。笔者以汾河典型断面下河床土壤中的汞为研究对象,对汾河沿岸重金属汞的分布状况进行了实地测量和实验室模拟,进一步分析了重金属汞沿汾河沿岸的分布规律和影响因素,并针对汾河沿岸汞的污染现状提出了相应的修复方案,为汾河河道的治理和水土修复提供了理论和技术支撑。

1 现场测量

1.1 典型断面的选择

汾河干流全长为694 km,基于河流特征,汾河可分为上中下游三段:太原兰村以上为上游、兰村至洪洞石滩为中游、中游断面以下至万荣县庙前村入黄河口为下游[12]。依据汾河干流各监测断面的历史监测结果,汾河中游段及下游段水质污染情况较为严重,因此本文选取汾河干流的太原市清徐贯家堡和临汾市尧都区断面河床土壤作为现场采样点,采样点均为汾河主河道的主要控制点,基本能反映汞在汾河中游及下游滩地土壤中的分布规律。清徐地区土壤汞背景值约为0.08 mg/kg,,临汾地区约为0.04 mg/kg[13]。

1.2 土壤理化性质分析

典型断面土壤的理化指标如表1所示。

表1 典型断面土壤的理化性状指标

1.3 采样方法

以清徐典型汾河断面为例,其主要采样位置分布见图1所示,其中,此以河床临水边界为起点(记为0 m),向河道一侧滩地范围内延伸,每隔30 m取一处采样点,记为30，60，90，120，150 m。纵向分布以地下水位线为基准,记为垂直方向的起始点(0 cm),向上或向下每隔40 cm取一次土样,即,向下依次为0～40，40～80，80～120，…，360～400 cm,向上依次为0～(-40)，(-40)～(-80) cm，…的层次分层采集实验室中的试验土样。

图1 典型断面取土剖面分层及采样位置分布示意图

1.4 数据测量

首先,将采集回的土样平铺于洁净的纸上,按压成碎块,放于实验室内阴凉通风处自行风干;其次,采用0.149 mm的孔径尼龙筛对自然风干的土样筛滤,并制成满足分析要求的土壤样品,将其装于样品袋中;最后,将所制的土样移交太原市土壤肥料测试中心进行测量。

2 结果讨论与分析

2.1 重金属汞沿横断面的垂向分布

图2为清徐和临汾临水处取样点1重金属汞沿横断面垂直分布的测量结果,分别见图2-a和2-b。由图2中的测量结果可知:

1) 两地的重金属汞在土壤中0～300 cm范围内分布极不稳定,随着土壤深度的增加,汞含量呈下降趋势,深度达到400 cm后,汞的含量逐渐趋于稳定;

2) 重金属汞主要分布于土壤的表层40～100 cm之间。

2-a 清徐横断面

2-b 临汾临水处

图2-a和2-b对比可知,临汾取样点1的重金属汞的含量明显高于清徐,其中,汞在土壤100 cm附近的质量分数最大,这是由于洪水上滩或农民取用污染水进行灌溉,使得重金属汞随着水分进入土壤中,而临汾的土壤多是中碱性土壤,导致进入土壤中的汞易与土壤组分发生吸附、络合、沉淀反应,形成稳定性不同的形态而集中在表层[14]。

2.2 重金属汞沿水平方向的分布规律

2.2.1滩地表层汞的水平分布

图3为清徐和临汾段汾河沿岸表层土壤中不同取样点汞含量的水平分布图,分别见图3-a和3-b。由图3总体数据可看出,随着离汾河主干道水平距离增加,土壤表面汞含量呈现不规则分布,临汾表层土壤在取样点2(即距河床临水边界30 m)处汞的质量分数最高,其值为0.5 mg/kg,其附近污染也较为严重,而清徐表层土壤距河床临水边界的60～150 m之间汞的质量分数较高。以上测试结果表明,两地距河床临水边界0～150 m的水平距离范围内表层土壤的汞的质量分数均已超过山西省土壤中汞的背景值。

3-a 清徐

3-b 临汾

研究发现,汾河两岸重金属汞的来源主要有三方面:其一,汾河两岸滩地的灌溉长年采用汾河水,汾河水中重金属元素会在土壤中富集和分散,污染表层的耕作区土壤[15];其二,重金属汞作为土壤的溶质,从汾河水中向两岸滩地迁移;其三,大气中的重金属通过长时间的沉降,积累在土壤表层。根据分子扩散理论,溶质在土壤中会从浓度高的地方向浓度低的地方扩散,即汞离子会从汾河向滩地扩散,并呈降低趋势。然而,临汾和清徐的两岸滩地30～150 m的范围内土壤表面汞离子却高于0 m处,这充分说明此两处区域的土壤表层汞污染物主要来源于汾河水灌溉耕地,其汾河水中汞的自身迁移影响较小。

2.2.2滩地深层汞的水平分布

图4为清徐和临汾滩地深层(以地下水位320～360 cm为例)土壤中汞含量的水平分布图。由图可以看出土壤深层汞含量随着离汾河主干道水平距离的增加而降低。由图4-b可知,临汾地区河床临水边界的0～60 m之间的滩地深层土壤汞含量超出山西省土壤中汞的背景值,与清徐地区相应取样点的数据差距很小。图4-a显示清徐地区临水边界的60～150 m之间的滩地深层土壤汞含量较高,与当地汾河临水处相当,并超出山西省土壤中汞的背景值。这主要来自于该层土壤位于地下水位320～360 cm,来自表层的污水灌溉和大气沉降的汞经过土壤的吸附、络合和沉淀作用,大多富集在土壤的表层,很难迁移到这里。该层处于饱和状态,其中的汞主要由于汾河水的横向迁移,即通过溶质的对流作用、扩散作用和机械弥散作用迁移。

4-a 清徐

4-b 临汾滩地

3 土柱实验

3.1 实验介绍

实验室土柱实验所用设备为自制的室内土壤水分入渗装置。渗流装置由供水系统(马氏桶)和渗流土柱(包括供水室、入渗柱、排水室三部分)组成。所采用的样品取自山西省汾河干流的太原市清徐贯家堡和临汾市尧都区断面河床土壤,采样点均为汾河主河道的主要控制点,基本能反映汞在汾河中游及下游河床土壤中的分布规律。所有实验用水均取自汾河小店桥河道原样污水。

3.2 实验结果与分析

图5-a和5-b分别为清徐和临汾土柱入渗达到饱和一定时间后土壤中汞的含量变化。由图中曲线可以看出,清徐和临汾土壤中汞含量的总体分布规律一致,均呈现出波浪形分布,75 cm的汞的质量分数值均大于0.1 mg/kg,而且清徐取样点的汞的质量分数略高于相应的临汾取样点,并在10～75 cm间出现明显的波动,汞在75 cm以下均呈下降趋势,并趋于稳定。

5-a 清徐

5-b 临汾

4 汞污染的治理

Huckabee等人[16]的研究指出,不同的植物类型对汞的吸收富集程度不同。其中草本植物明显地高于木本植物。张磊等人[17]通过对城市不同功能区的植物(柏树、落叶松、法桐、黄杨、冬青)体内汞含量的测定,结果表明不同的植物对汞的吸收累积能力不同,其中冬青和黄杨对汞的吸收累积能力较高。郑冬梅等[18]通过对五里河沿岸一些常见的草本植物进行研究,结果表明水蓼对汞具有很强的转移能力,可选做植物提取方式的污染土壤修复。根据实地测量结果可以看出清徐和临汾地区两岸滩地150 m范围内土壤表层汞含量均超过山西土壤背景值,因此可采取以下措施：

1) 可在两岸建立150 m宽的缓冲带,并在缓冲带内施加氮、磷、钾肥以提高土壤肥力。施加适当的石灰以调整土壤pH值。

2) 分别在两岸缓冲带内种植超积累植物黄杨和水蓼。

3) 增施叶肥。该方法是以植物提取为中心以施肥施加石灰等措施为辅助，从而实现了植物、化学、工程等措施的有机结合。

5 结论

1) 汾河流域两岸重金属汞沿横断面垂直分布的测量结果表明,重金属汞多集中在土壤的表层40～100 cm之间。

2) 汾河滩地表层土壤中的汞主要来源于人为源中的污水灌溉的不合理,其中后者为主要影响因素,而汾河水中汞的迁移影响较小,且汞的污染范围多在距两岸150 m的范围内。

3) 汾河深层土壤汞污染主要为长时间河槽向两岸滩地的迁移积累,而受污水灌溉影响较小。

4) 根据汾河的污染现状以及实地调查,提出了汾河沿岸汞的修复宜采用生态修复,以植物修复为主,化学强化、生物强化和酶学强化为辅的联合修复,对重金属汞污染修复的同时提高汾河周围的空气环境质量,这对山西省的汾河流域治理、绿色经济发展、社会环保效益等具有重要的意义。

[1] 赵崇.汾河流域水生态系统保护与修复综合治理探析[J].山西水利,2012,6: 9-10.

[2] 陈豫,张饮江,郭军辉,等.胶州湾水体重金属汞的分布和季节变化[J].海洋开发与管理,2013,6: 81-83.

[3] 解文艳,樊贵盛,周怀平,等.太原市污灌区土壤重金属污染现状评价[J].农业环境科学学报,2011(8): 1553-1560.

[4] 刘勇,张红,尹京苑.汾河太原段土壤中Hg、Cr空间分布与污染评价[J].农业工程学报,2008,24(05): 57-60.

[5] 白增森,吴家华,董云中,等.汾河流域土壤重金属垂直分布规律及地域差异[J].农业环境与发展,1997,54(04): 12-17.

[6] 戴智慧,冯新斌,张超,等.万山汞矿区表层土壤汞迁移[J].生态学杂志,2012,31(8): 2103-2111.

[7] 王亚平,潘小菲,岑况,等.汞和镉在土壤中的吸附和运移研究进展[J].岩矿测试,2003,22(4): 277-283.

[8] 施国新,杜开和,解凯彬,等.汞、镉污染对黑藻叶细胞伤害的超微结构研究[J].植物学报,2000,42(4): 373-378.

[9] 孙春燕,石学根,魏幼璋,等.汞污染对植物品质指标的影响[J].浙江大学学报(工学版),2007,41(12): 2087-2092.

[10] Stobart A K, Griffths W T, Bukhari I A, et al. The effects of Cd2+on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley [J]. Physiol Plants, 1985, 63: 293-298.

[11] 骆永明.污染土壤修复技术研究现状与趋势[J].化学进展,2009,Z1: 558-565.

[12] 李英明,潘军峰. 山西河流[M].北京:科学出版史,2004: 25-28.

[13] 吴淑岱. 中华人民共和国土壤环境背景值图集[M].北京：中国环境科学出版社，1994:132.

[14] 朱小翠,青长乐,皮广洁.土壤汞形态及其影响因素的研究[J].土壤学报,1996(1): 94-100.

[15] 陈牧霞,地里拜尔·苏力坦,王吉德.污水灌溉重金属污染研究进展[J].干旱地区农业研究,2006(2): 200-204.

[16] Huchabee J W, Diza F Sanz, Janzen S A, et al. Solomon Distribution of Mercury in Vegetation at Almaden [J]. Environ Pollut, 1983, 30: 211-224.

[17] 张磊,张磊,周震峰. 青岛市不同功能区常见绿化植物及土壤汞污染特征[J].生态环境,2008(2): 802-806.

[18] 郑冬梅,孙丽娜,张秀武,等.化工污染河流沿岸植物对砷、汞的累积作用比较[J].生态环境学报,2009(3): 851-855.

(编辑：贾丽红)

VariationRegulationandTreatmentsofHeavyMetalMercuryinFenheRiver

QIYua,FANGuishengb

(a.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China；b.CollegeofWaterResourcesScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The mercury content of riverbed soil in the representative emblematic section of Fenhe river basin was investigated via the field measurements and laboratory column experiments. The main source and distribution regularity of mercury were searched and analyzed. The obtained results show that the heavy metal mercury is typically found in topsoil between 40 cm and 100 cm, which comes mainly from the anthropogenic sewage irrigation and contaminates the topsoil within the range of 150 m away from the river. The mercury in the deeper soil is mainly derived from the long-term migration from the river channel into floodplain. Finally, the situation of mercury pollution in the Fenhe river basin was summarized and the corresponding treatment countermeasures were put forward.

Fenhe river;heavy metal;mercury pollutant;distribution regularity;treatment countermeasures

2013-07-02

山西省河道管护服务总站资助(2010-11)

祁彧(1980-)，男，太原人，博士研究生，主要从事污染控制与土壤中污染物迁移、修复等方面的研究，(Tel)18635140503

樊贵盛,男,教授,博士生导师,(E-mail)fanguis5507@263.net

1007-9432(2014)01-0102-04

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