土壤風險評價及空間分布的研究

游佐佳，孟勤憲，曾前勇，鄒凱

（遂寧市環(huán)境保護局，四川 遂寧 629000）

1 概況

某廠有近百年歷史，先后從事鹽業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)藥制造、鉛蓄電池生產(chǎn)及非法電鍍等活動。該廠區(qū)的廠界緊鄰河流，該河流下游10公里為應急水源地，為縣城幾十萬人提供應急生活用水。廠區(qū)一面背靠山體，其余三面均被基本農(nóng)田包圍，涉及基本農(nóng)田面積近千畝，周邊農(nóng)戶2000余戶。調(diào)查弄清該廠區(qū)土壤污染狀況及各項污染物的危害程度，進行修復治理工作，防治污染物向周邊基本農(nóng)田、河流水系滲透，保護附近居民生命健康安全，開展該地塊土壤詳查及土壤環(huán)境風險評價對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。

2 采樣地布點分析

該廠區(qū)從事過的行業(yè)種類較多，并有許多未知生產(chǎn)活動。為了判斷污染物的種類及分布情況，結合現(xiàn)場實際及場地內(nèi)外的污染源分布、水文地質(zhì)條件及污染物遷移和轉(zhuǎn)化等因素，選擇適合該場地的監(jiān)測布點和采樣方法，摸清污染物在土壤中的可能分布。調(diào)查監(jiān)測按照《場地環(huán)境調(diào)查技術導則》和《場地環(huán)境監(jiān)測技術導則》要求[1、2]，經(jīng)對比系統(tǒng)隨機布點法、專業(yè)判斷布點法、分區(qū)布點法、系統(tǒng)布點法等適用條件，確定采用系統(tǒng)布點法進行布點詳查，該方法適用于各類污染場地的情況，特別是污染分布不明確或污染分布范圍較大的情況。根據(jù)不同單元分塊實際情況設置采樣區(qū)，混合土樣采集有蛇形、對角線形、梅花形三種采集方法，兼顧采樣點的均勻性和代表性，使用蛇形布點法采集混合樣[3]。

場地采樣點位確定后，各采樣點垂直方向的土壤采樣深度可根據(jù)污染源的位置、遷移和地層結構及水文地質(zhì)等進行綜合判斷設置。由于對場地信息了解不足，難以合理判斷采樣深度，該場地按0.5～2m等間距設置采樣位置。需要調(diào)查監(jiān)測的面積近2萬m2，共布設了17個土壤監(jiān)測點。根據(jù)該廠區(qū)歷史生產(chǎn)經(jīng)營活動，結合前期試探性監(jiān)測調(diào)查結果，主要針對7項污染物做分析測試（總鎘、總銅、總汞、總鉻、總砷、總鉛、總鎳）。每個采樣點分3個斷面，分別取0.2m、1m、2m三個土層深度的土樣，共計54個混合土樣，每個點位實測7種污染物，共獲得357個污染數(shù)據(jù)。

3 土壤環(huán)境風險評價

3.1 單項污染指數(shù)法

該方法利用某項污染物的實測值與該項污染物的標準值的比值，得出評價結果。由于污染物的標準值沒有一個統(tǒng)一的限值，需根據(jù)污染場地修復后的利用情況確定，本次采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618-2008）二級標準中居住用地的限值作出評價。根據(jù)不同地層的采樣結果分析，51個點位各對7項重金屬的含量檢測，得出357個污染數(shù)據(jù)，并進行評價，評價標準見表1。

表1 單項污染指數(shù)評價標準

式中：

Ki為i項污染物的單項污染指數(shù)；

Ci為i項污染物的實測值，mg/kg；

C0i為i項污染物的標準值，mg/kg。

采用單項污染指數(shù)法對357個污染數(shù)據(jù)進行評價，評價結果見表2。統(tǒng)計結果表明，所有點位Cu、Ni、Hg、Cr呈無污染狀態(tài)，該地塊重金屬污染物為鉛、砷和鎘。其中鎘不同地層評價結果顯示都呈現(xiàn)重度污染，表層土重度污染程度占近53%。鉛呈中度污染，砷呈輕度污染，往地層深度加深污染程度減弱。通過統(tǒng)計357個樣品數(shù)據(jù)，受污染的土壤樣品占26.6%，其中輕微污染占14%，輕度污染占5.6%，中度污染占2.2%，重度污染占4.8%。需要指出的是重度污染樣品中全部由重金屬鎘造成；中度污染樣品中鎘占75%、鉛占25%；輕度污染樣品中鎘占15%，砷占45%、鉛占40%。由各重金屬污染程度占比來看：鎘＞鉛＞砷＞鉻=銅=鎳=汞。結果如圖1。由于該方法只對單一污染物作出評價，僅能判斷單點位受某一重金屬污染程度，缺乏對各項污染物的綜合評價，不能綜合反映該地塊的污染程度。

表2 單項污染指數(shù)法評價結果統(tǒng)計表

圖1 土壤樣品污染結果統(tǒng)計示意圖

3.2 內(nèi)羅梅指數(shù)法

內(nèi)羅梅指數(shù)法[4]是一種兼顧極值的綜合評價方法，不但考慮了各項污染因子的平均污染濃度，而且還反映了污染最嚴重的污染因素，避免了人為主觀權重因素的影響。內(nèi)羅梅指數(shù)評價標準分為5個等級，從清潔安全到重度污染，評價標準及評價結果見表3。

式中：

Kin為i項污染物的內(nèi)羅梅指數(shù)；

Ci（最大值）為i項污染物的最大值，mg/kg；

Ci（平均值）為i項污染物的平均值，mg/kg 。

通過計算不同重金屬污染的Kin值，能夠清晰判斷出該污染地塊不同地層受重金屬的污染程度。評價結果反映出不同地層都受到鎘的嚴重污染，表層還受到鉛和砷的中度污染，1～2m地層受到鉛和砷的輕度污染。從不同地層不同重金屬的污染程度來看：Cd＞Pb=As＞Cu=Cr=Hg=Ni。

表3 內(nèi)羅梅指數(shù)分級評價標準及結果統(tǒng)計

3.3 地質(zhì)累計指數(shù)法

地質(zhì)累計指數(shù)[5]又稱為Muller指數(shù)，于20世紀60年代晚期起源于歐洲。該方法定量研究沉積物及相關物質(zhì)中重金屬的污染程度，不但考慮了沉積成巖作用自然地質(zhì)過程造成的影響，同時重點體現(xiàn)人為生產(chǎn)活動對自然生態(tài)環(huán)境的影響。因而此方法是區(qū)分人為活動影響的重要參數(shù)，反應了重金屬的遷移變化特征和人為活動的影響。

其中：

Ii為i項污染物的地質(zhì)累計指數(shù)；

Ci為i項污染物的實測值，mg/kg；

Coi為i項污染物的背景值，mg/kg。

1.5 為修正系數(shù)，用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其它影響。

地質(zhì)累計指數(shù)分為七個等級（forstner），從0級到6級污染程度從無到極強，不同級別表示重金屬的不同污染程度，評價標準及結果見表4。

統(tǒng)計顯示，該地塊未受到鉻、鎳、銅重金屬污染（0級），汞處于1級無污染到中污染狀態(tài)，砷污染狀態(tài)處于0～4級，處于中污染狀態(tài)以上占62.8%。鉛污染狀態(tài)處于1～5級，處于強污染狀態(tài)以上占60.7%。鎘的污染狀態(tài)處于4～6級，處于極強污染污染占比70.5%。由此該地塊受重金屬污染程度排序：鎘＞鉛＞砷＞汞＞鉻（0級）=鎳（0級）=銅（0級）。

表4 地質(zhì)累計指數(shù)評價標準級評價結果統(tǒng)計表

3.4 污染負荷指數(shù)法

污染負荷指數(shù)[6]能夠直觀反映各項重金屬污染物的污染程度及其在時間、空間上的變化趨勢，該方法的評價標準見表5，評價模式為：

首先計算單項污染物的污染系數(shù)：

然后計算某點污染負荷指數(shù)（PLI）：

最后計算某一區(qū)域的污染負荷指數(shù)（PLIzone）：

式中：

Ci表示i項重金屬污染物的實測值，mg/kg ；

Coi表示i項重金屬污染物的背景值，mg/kg ；

CFi表示i項重金屬污染物的污染系數(shù)；

PLI表示某點的污染負荷指數(shù)；

PLIzone表示某區(qū)域的污染負荷指數(shù)。

該區(qū)域共布置了17個采樣點，結合重金屬的污染特性，選取表層20cm處的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價，采用魏復盛[7]等發(fā)表的中國土壤環(huán)境背景值研究中的背景值進行評價。經(jīng)計算表明，該地塊17個點位中3個點位的PLI值處于2≤PLI＜3，強污染程度點位占17.6%。14個點位的PLI值均大于3，且5#點位PLI值最高為6.85，可見該點位的污染程度，最終極強污染程度點位達82.4%。該受污染地塊污染指數(shù)達4.96，處于極強污染程度。

4 污染場地風險評價空間分布

污染場地風險評價是環(huán)境管理部門決策的基礎，高質(zhì)量的風險評價空間分布圖具有直觀性，有助于研究污染物的空間分布及污染特征情況。利用Surfer軟件具有強大插值和繪制圖件的特點，能形象直觀地展現(xiàn)污染場地污染物在空間上的分布情況，為防治污染擴散和后續(xù)治理工作打下堅實的基礎[8]。

首先在Surfer中新建一個工作表，分為A、B、C三列，A、B對應采樣點坐標，C對應每個點位的風險評估數(shù)值（這里采用單因素評價結果數(shù)值），形成一個數(shù)據(jù)表格，然后在網(wǎng)格數(shù)據(jù)中找到這一數(shù)據(jù)表格，點擊打開網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并進行網(wǎng)格化插值，生成一個grd文件數(shù)據(jù)，最后在地圖中新建等值線圖找到并打開grd文件，就形成簡易的風險評價空間分布圖，最后經(jīng)過進一步修飾，得到高質(zhì)量的風險評價空間分布圖。采用單因素評價結果，根據(jù)不同地層深度（20cm、100cm、200cm），不同采樣點位位置（17個采樣點）及不同污染物評價結果（Cd、As、Pb），得出該污染場地風險評價空間分布圖（見圖2、圖3、圖4）。

5 結論

（1）通過不同監(jiān)測布點方法的對比分析，結合該污染場地歷史生產(chǎn)活動、地形地貌和地質(zhì)水文特性，科學選用系統(tǒng)布點法，蛇形采集混合土樣，保證各采樣點土樣數(shù)據(jù)具有代表性和有效性。

表5 污染負荷指數(shù)評價標準

圖2 受鎘污染風險評價空間分布圖（20cm、100cm、200cm）

圖3 受鉛污染風險評價空間分布圖（20cm、100cm、200cm）

（2）現(xiàn)場土樣數(shù)據(jù)經(jīng)過各評價方法系統(tǒng)分析，從單項污染指數(shù)法開始，評價單一污染物，判斷單點位受某一重金屬污染程度，得到該地塊受重金屬污染程度為：鎘＞鉛＞砷＞鉻 = 銅 = 鎳 = 汞。到內(nèi)羅梅指數(shù)法，同時考慮污染物的極值和均值影響，綜合評價得出各項重金屬的污染程度：Cd＞Pb = As＞Cu = Cr = Hg = Ni。再到地質(zhì)累計指數(shù)法，考慮重金屬沉積作用及人類活動的共同影響，評價結果：鎘＞鉛＞砷＞汞＞鉻（0級）= 鎳（0級）= 銅（0級）。最后采用污染負荷指數(shù)法，得到該污染地塊污染指數(shù)達到4.96，處于極強污染程度。通過四種不同評價方法得到結果，該地塊主要受重金屬鎘、鉛、砷的污染，特別是重金屬鎘，不同地層均受到不同程度的污染，且達到最嚴重的污染程度。

圖4 受砷污染風險評價空間分布圖（20cm、100cm、200cm）

（3）利用Surfer軟件直觀清晰地解析了各地層不同點位受污染重金屬風險評價空間分布情況，從空間分布圖可看出，受污染點位主要集中在1#、4#、5#、6#、9#、10#和16#點位，其中以5#點位的污染程度最嚴重，其PLI值達到6.85，屬極強污染程度。

（4）經(jīng)過場地科學布點，采集土壤監(jiān)測分析，將結果數(shù)據(jù)運用不同的評價分析方法綜合評價，得出該地塊受重金屬污染不同程度并排序，最終確定該地塊主要受重金屬鎘、鉛、砷污染，再運用Surfer軟件在空間上模擬出不同地層不同點位受污染程度，直觀形象地展現(xiàn)了結果，為下一步如何開展治理修復，采取何種修復方法打下堅實基礎。同時也為政府決策部門如何實現(xiàn)對該場地的風險管控，隔離、阻斷污染源提供了依據(jù)。

[1] HJ 25.1-2014 場地環(huán)境調(diào)查技術導則 [S].

[2] HJ 25.2-2014 場地環(huán)境監(jiān)測技術導則 [S].

[3] 姜勇.土壤污染調(diào)查布點及樣品采集技術研究[J].科技資訊，2009（29）： 137-138.

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[5] 鄧曉霞，鄒艷虹，陳璐，張文波，杜麗娟，米艷華，段紅平.個舊礦區(qū)周邊水稻土重金屬生態(tài)風險及預警[J].環(huán)境科學導刊，2016，35（6）：88-93.

[6] 范拴喜，甘卓亭，李美娟，張掌權，周旗.土壤重金屬污染評價方法進展[J].中國農(nóng)學通報，2010，26（17）：310-315.

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[8] 蔡建楠，陸海云，黃文生，黃華，張穎姬.Surfer軟件在環(huán)境質(zhì)量綜合評價中的應用[J].環(huán)境保護科學，2010，36（5）：45-47.