湖北省钟祥市竹皮河污灌区土壤重金属Cd和As污染预测探讨

郑雄伟, 严向军, 郑国权

(湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

土壤重金属预测预警是指对一定时期的土壤重金属污染状况进行预测、分析与评价,确定土壤质量变化的趋势、速度以及达到某一变化限度的时间等,按需要适时地给出变化和恶化的各种警戒信息及相应对策[1-2]。目前,土壤重金属污染预警主要有空间分布预测[3]、污染状态预警、污染趋势预警[4-5]和污染速率预警等几种类型。重金属空间分布预测的实质是利用各种插值计算方法对已知采样点数据进行空间插值分析,从而分析重金属的空间分布规律。污染状态预警类似于污染程度评价,实质上是对目前环境质量状态的判定。后两者常常根据重金属累积速率和社会经济因素对其未来趋势进行预测,并根据一定“警戒线”进行预警。目前,对重金属污染趋势预警和污染速率预警的方法常见的有超标年限预测模型、灰色聚类模型、情景预测法以及人工神经网络模型等多种。而本文选择根据匀速累积模式对钟祥市竹皮河污灌区土壤重金属污染进行预测预警。

1 研究区概况

竹皮河发源于荆门市砂子岭西麓,属汉江小支流,是荆门市城区内唯一的自然河流,也是钟祥市汇入汉江的八大支流之一。它流经钟祥市石牌镇康桥湖农场的西南边陲,在石牌镇的石牌闸注入汉江。该流域属于亚热带季风区,光照时间长,热量丰富,无霜期长,雨热同期。该区多年平均气温15～16℃,年无霜期达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,约占全年降水总量的83%左右,大暴雨多发生在7-8月份。竹皮河属季节性雨源河流,多年平均流量6.92 m3/s,最枯流量0.1 m3/s。原河道断面为梯形,河宽5～42 m,水深0.5～4 m。出口石牌闸闸底高程37 m。

根据野外实际调查,区内有磷肥厂、炼油厂、热电厂等大中型污染企业,沿石牌镇竹皮河存在一个污染带,两岸污染的范围约1 km,面积约为66.39 km2(图1)。

2 研究数据来源

本文数据主要来源于湖北省人民政府与国土资源部中国地质调查局在2004年合作开展的《湖北省江汉流域经济区农业地质调查》项目以及湖北省“金土地”工程首个试点项目《湖北省钟祥市土地质量地球化学评价(一期)》的采样数据。

2004年通过《湖北省江汉流域经济区农业地质调查》项目采集的样品分析经过对8个土壤一级标准物质的分析,方法的精密度和准确度能满足《多目标区域地球化学调查规范》要求,其分析配套方案合理。监控样质量指标ΔlgC和标准偏差λ(GSS)、内检合格率、报出率等质量参数合格率均在95%以上,能满足《多目标区域地球化学调查规范》要求,分析质量可靠,分析数据准确。

2014年在竹皮河污灌区对土壤和灌溉水进行了系统的采样,共采集样品374件,其中土壤样品335件,灌溉水39件。

对土壤样品,采用梅花布点法,采集0～20 cm的表层土壤,去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物。为增加土壤样品的代表性,采样以1处为主,在采样点周围50 m范围内多点采集3～5个子样组合为一个样品[6]。

图1 研究区范围图Fig.1 The range map of the study area

灌溉水样品共39件,其中1件为重复样,6件在竹皮河流域取样;采用手持GPS定点,进行水样采集。水样采集时间为2014年8月15-18日,是农作物的灌溉期。

样品测试工作由武汉综合测试岩矿中心完成,严格按照国家多目标地球化学调查规程进行土壤样品测定,土壤样品进行了 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项指标测试;灌溉水样品分析指标为23项,具体为pH、As、Mo、Se、Cr+6、K、N、Ba、Pb、Zn、Cu、Cd、Hg、Mn、Fe、P、Co、氯化物、氟化物、硝酸盐、高锰酸钾指数、总硬度、溶解性总固体,获得了丰富的反映土壤和灌溉水质量的地球化学数据,分析质量水平优于相关要求,满足规范要求。

3 土壤环境质量和灌溉水质量现状

3.1 土壤环境质量现状

根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)要求,采用土壤环境质量标准GB15618—1995二级标准,按照公式(1),计算土壤污染物i的单项污染指数Pi:

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Ci为土壤中i指标的实测浓度;Si为污染物i在GB15618中给出的二级标准值。

按照表1所示的土壤单项污染指数环境地球化学等级划分界限值,分别进行1∶50 000的单指标土壤环境地球化学等级划分。

结果表明,研究区镉和砷两种元素污染较严重。镉污染以轻度污染为主,少数地段为中度污染;主要集中在康桥湖农场、铜桥村、郑坪村、熊洲村、胡冲村、皮集村和彭墩村,污染面积为5.44 km2,占竹皮河流域的8.19%。

砷目前为轻度污染,主要集中在康桥湖农场、铜桥村、郑坪村和彭墩村,污染面积为4.79 km2,占竹皮河流域的7.22%。

汞和镍局部有少量污染,铬、铅、铜、锌没有污染。

表1 土壤环境地球化学等级划分界限值Table 1 Soil environmental geochemical classification of the boundary value

3.2 灌溉水质量现状

3.2.1 空间分布特征

(1) 酸碱度。在石牌—柴湖地区,农田灌溉水pH值一般为6.42～9.79,平均值为7.86,背景值为8.00。以碱性为主,仅石牌镇竹皮河表现为弱酸—中性,酸性最强点位于竹皮河铜桥村段,其余大部分为中性—碱性,柴湖镇南部岗南村—双河村—后营村一带为强碱性。

(2) Cd。Cd离子区内地表水中Cd离子检出率仅有21%,共检出8件,其中6件为竹皮河所采样品,另2件样品Cd量也明显低于竹皮河样品,说明石牌—柴湖地区Cd含量低,而竹皮河中Cd含量较高。

(3) Pb。Pb离子区内地表水38样品中,Pb离子仅检出6件,其中5件为竹皮河样品,反映出区内灌溉水Pb离子含量普遍低,而竹皮河含量相对较高。

(4) Hg。Hg离子区内地表水中Hg离子平均含量0.063 μg/L,含量范围0.025 6～1.548 μg/L,背景值0.059 μg/L。高值区只要分布在柴湖镇鱼池村、岗南村—田坑村—双河村结合部;低值区主要是皮竹河样品点,包括彭墩村、郑坪村北缘、铜桥村西南、耿巷村—红金村结合部,从分析数据来看,竹皮河6个样品仅检出一个,反映出竹皮河Hg极低。

3.2.2 评价结果

按照中华人民共和国农业行业标准《农用水资源质量监测技术规范》(NY/T396—2000),选取砷、镉、铬、铜、铅、锌、汞7项指标进行评价,区内灌溉水质量除竹皮河污灌带外属于尚清洁(图4)。

图2 石牌—柴湖地区土壤环境质量As污染现状图Fig.2 The present situation map of soil environmental quality As pollution of Shipai-Chaihu area1.镇政府驻地;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.石牌镇/柴湖镇分界线;9.房屋;10.水体;11.建筑用地及道路用地。

4 土壤重金属污染预警预测数学模型

4.1 土壤重金属污染的基本规律

改革开放以来,中国经济发展突飞猛进,考虑工业发展对土壤的影响可追溯到20世纪70年代中期。虽然之前工业发展程度低,其对土壤也有一定影响,但可概略地浓缩于5年左右。这样,就可以把土壤零污染年设为1973年。截至2002年,土壤中重金属污染积累历史约为30年。范迪富等研究认为:工业发达程度越高,速度越快,对土壤污染的“贡献”就越大,每年对土壤中污染物的叠加,不是等量的,对土壤的污染也不是等速的,而是加速的[7]。当然人们在环境保护方面作出的一切努力,使工业发展对土壤的影响维持在一个特定的水平上。因此,环境保护意识强的地区,其工业发展对土壤质量影响是等速的,反之是加速的。分析认为,土壤的污染过程可归纳为两个阶段:一是加速阶段,二是匀速阶段。

4.2 污染超标年限预测模型

由于研究区主要是镉和砷2种重金属元素污染,本文仅介绍镉和砷两种元素超标年限预测。《湖北省江汉流域经济区农业地质调查》中的调查数据是1个样/4 km2,而《湖北省钟祥市土地质量地球化学评价(一期)》的调查数据是4-6个样/km2,在实际数据处理过程中,以相同范围内4 km2为基本单元,将土地质量地球化学评价项目中落在同一范围内的数据进行算数平均值计算。

竹皮河的污染主要来自上游的污染,由于近年来实施了两轮水污染综合治理,加上部分重污染企业(如炼油厂等)陆续迁离市区,同时采取一列措施控制“三废”排放,城市环境逐渐得到改善,土壤重金属污染也逐渐得到了应有的关注。基于以上分析,把土壤零污染年设为2004年,将2004年作为临界年份,本文认为从2004年到现在的污染程度是匀速的,即从2004年在江汉流域进行的1∶25万的多目标区域调查到本次的农业地质调查,每年污染的增量大致上是相等的。这是本次建立土地安全质量预警预测的数学基础。数学模型如下:

图3 石牌—柴湖地区土壤环境质量Cd污染现状图Fig.3 The present situation map of soil environmental quality Cd pollution of Shipai-Chaihu area1.镇政府驻地;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.石牌镇/柴湖镇分界线;9.房屋;10.水体;11.建筑用地及道路用地。

单位重量土壤重金属污染元素现累积量(Q)计算公式:

A=(a-b)/10

(2)

式(2)中:A为浅层土壤某元素每年的增量值;a为某元素本次含量值;b为某元素2004年含量值。

Q=A×N

(3)

式(3)中:A为浅层土壤某元素每年的增量值;N为年。

5 污染超标年限预测预警

依据以上的数学模型,分区原则如下。

(1) 已污染区:表层土壤含量值大于土壤环境质量标准。

(2) 可预测土壤恶化年限区:表层土壤含量值和基准值小于或者等于土壤环境质量标准同时表层土壤含量值大于基准值。本文中所述的基准值指的是2004年调查的基准值。

(3) 无污染区:表层土壤含量值小于土壤环境质量标准同时小于基准值。

(4) 土壤环境质量标准采用GB15618—1995二级标准,该标准为保障农业生产,维护人体健康的土壤限制值。

从预测结果可以看出(表2),在重金属匀速累积模式下,竹皮河污灌区土壤重金属造成严重污染,土壤环境迅速恶化。As含量10年内污染面积占11%,40年内污染面积占比近50%,70年后污染面积占比近93%,92年以后全部污染;Cd含量10年内污染面积占12%,30年内污染面积占比超过50%,为63%,50年后污染面积占比近92%,75年以后全部污染(图5-图8)。

图4 石牌—柴湖地区灌溉水综合分等图Fig.4 The comprehensive classification of irrigation water of Shipai-Chaihu area

图5 研究区Cd元素污染年限推断图Fig.5 Pollution deduction diagram of Cd in the study area

年限元素AsCd现今已污染4．795．44107．248．432011．5419．743020．5842．044032．455．315043．5461．296053．7164．447061．7966．170年后66．3966．39备注92年全部污染75年全部污染

6 结论及建议

(1) 应用匀速累积模式对竹皮河污灌区土壤重金属污染趋势进行了预测预警,结果表明,虽然竹皮河污灌区表层土壤目前虽然有较大的环境容量,但是如果不注意环境保护,在20-40年内将会发生Cd及As的较大面积污染事件。

(2) 伴随着经济的发展,建议竹皮河上游的企业工厂做好污水处理工作,减少污水的纳入量,从根本上切断污灌区土壤的灌溉用水的污染源,科学合理地进行污水灌溉,进而控制土壤进一步污染。

图6 研究区As元素污染年限推断图Fig.6 Pollution deduction diagram of As in the study area

(3) 目前对重金属的累积过程的研究还限于实验室研究,对其野外的实际累积速率不清楚。因此,有必

要建立土壤环境质量监测系统,定期对土壤进行“体检”,以便为污染趋势预测预警研究提供更加准确的基础资料,及时发现存在的重金属污染环境风险。

(4) 本文虽在对土壤中重金属累积速率计算的基础上利用匀速累积模式进行了预测预警分析,但应该指出,这种预测方法是利用重金属过去的累积特征来对未来趋势进行预测,当未来环保措施和城市的发展状况等社会经济因素出现较大变化时,模型预报误差将会增大。同时,这种模型也没有很好地反应重金属在土壤系统中的赋存、迁移及转化机制。因此,如何建立一个既能反映社会经济因素对城市土壤系统中重金属累积的影响,又能反应重金属进入土壤后的迁移转化规律的具有较高适应性的预测预警模型将是未来研究的一个方向[8]。

图7 研究区Cd元素污染推断图(从上到下,从左到右分别为10年、30年、50年、100年)Fig.7 Pollution deduction map of Cd in the study area

致谢:本文撰写过程中,得到了湖北省地质局地球物理勘探大队孙为国教授级高级工程师、胡瑞春高级工程师的精心指导,在此一并表示感谢！

[1] 王军,陈振楼,王初,等.上海崇明岛蔬菜地土壤重金属含量与生态风险预警评估[J].环境科学,2007,28(3):647-651.

[2] 杨忠平,卢文喜,龙玉桥,等.长春市城区土壤重金属污染趋势预测预警[J].城市环境与城市生态,2010,23(3):1-4.

[3] 周振民,朱彦云,冯飞.开封市污灌区土壤重金属污染评价[J].生态环境,2008,17(6):2267-2270.

[4] 汤奇峰.四川成都经济区农田生态系统镉生态安全性预测预警研究[D].北京:中国地质大学,2007.

图8 研究区As元素污染推断图(从上到下,从左到右分别为10年、30年、50年、100年)Fig.8 Pollution deduction map of As in the study area

[5] 严加永,吕庆田,葛晓立.GIS支持下的土壤重金属污染预测预警研究[J].吉林大学学报(地球科学版),2007,37(3):592-596.

[6] 严向军,郑雄伟,王成娇,等.GeoTools软件工具在“金土地”工程项目中的运用[J].资源环境与工程,2016,30(6):999-1003.

[7] 范迪富,翁志华,金洋,等.江苏省溧水县土壤环境污染预警预测方法探讨[J].江苏地质,2005,29(2):88-93.

[8] 孙为国,李俊.江汉平原重要城市土壤重金属污染预警[J].资源环境与工程,2008,22(增刊):23-26.