某煉鐵廠遺留場地重金屬污染空間分布特征及風險評價

2021-06-09 10:02:04陳勁松蒲生彥

安全與環境工程 2021年3期

陳勁松,張穎,蒲生彥*

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都 610059；2.成都理工大學生態環境學院,四川成都 610059;3.成都理工大學國家環境保護水土污染協同控制與聯合修復重點實驗室，四川成都 610059)

大量工業在“退二進三”和“退城進園”等政策的號召下由城市遷往郊區或進入規劃工業園區。工業企業遷出后原場址土壤與地下水均可能受到不同程度的污染，針對部分土地利用性質轉變為住宅、公共管理與公共服務用地的地塊，應當按照相關規定對場地進行污染狀況調查，對其中的超標地塊，須進行污染風險調查評估與修復治理。

土壤和地下水重金屬污染是我國環境污染亟需解決的問題之一。土壤和地下水重金屬污染主要指Cd、Cu、Hg、As、Pb、Cr、Ni和Zn 8種重金屬物質通過下滲、遷移等行為，造成土壤和地下水中的重金屬濃度超過建設用地土壤污染風險管控標準篩選值，直接或間接地危害人體健康和生態系統安全。由于受區域水文地質條件的影響，賦存于污染場地土壤中的重金屬物質在地下水水力作用下，會進一步擴散至場地周邊區域，增加了污染場地修復的難度。因此，通過污染場地的調查結果準確地解析出場地重金屬污染的空間分布特征具有重要的意義。

本文以某煉鐵廠遺留污染場地作為研究區域，定量分析了該場地土壤和地下水中重金屬污染的空間分布特征及其潛在的生態風險，以期為重金屬污染場地調查修復提供科學依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究區概況

該煉鐵廠占地面積約5.2萬m。該煉鐵廠1995年建成，2011年關停，運行期間主要生產鋼鐵、大型模具等。目前該廠區土地利用性質擬由“第二類用地”轉變為“第一類用地”，地面建筑經拆遷后遺留出大片污染場地待修復。待修復的污染地塊按照運行期間的工作性質主要分為7個區域，分別為原配料廠區域、鑄鐵車間區域、熱力車間區域、5號高爐區域、3及4號高爐區域、邊坡區域、空白區域。整個研究區地勢北高南低、西高東低，地面標高在180.0～300.0 m之間。該研究區域廣泛出露第四系沖洪積層和人工填土層，下伏基巖主要為砂巖、泥巖互層，其中泥巖原生多孔性在成巖階段已經消失，砂巖的孔隙性呈現不同程度的保留，區域內地下水賦存以上層滯水和基巖裂隙水為主。地下水主要接受大氣降雨、溝水的補給，排泄至周邊的河道之中，其徑流主要受含水介質及侵蝕基準面的控制。

1.2 樣品的采集

依據《建設用地土壤污染狀況調查技術導則》(HJ 25.1—2019)和《建設用地土壤污染風險管控和修復監測技術導則》(HJ 25.2—2019)系統布點的原則，在研究區域內共設置了226個采樣點，分階段進行鉆探采樣，土壤和地下水樣品中重金屬監測指標為As、Cd、Pb、Hg、Ni。其中，初步調查采樣階段設置采樣點位23個，運用XRF進行快速測定；詳細調查采樣階段和補充采樣階段共設置203個采樣點位。所有樣品均運送至專業實驗室測定。本次共采集土壤樣品598個、地下水樣品7個，研究區域采樣點分布見圖1。

圖1 研究區采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

1.3 風險評價依據

該污染場地土壤樣品中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni的濃度篩選值依據規范《土壤環境質量——建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)中地塊利用類型的不同(保護對象暴露情況)進行劃定，由于該污染場地未來規劃大部分劃分為“第一類用地”，故本次土壤重金屬污染風險評價以“第一類用地”土壤中重金屬濃度篩選值為準(見表1)；由于該煉鐵廠距離長江較近，且周邊規劃存在居民用地，故地下水樣品中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni濃度的篩選值以《地下水水質標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類地下水的標準限值為準(見表1)。

表1 “第一類用地”土壤和地下水中重金屬濃度的篩選值(單位:mg/kg)Table 1 Screened values of heavy metal concentrationsin soil and groundwater of the“first typeland” (unit:mg/kg)

1.4 風險評價方法

1.4.1 污染負荷指數法

污染負荷指數法主要反映污染物的污染等級對總體污染的貢獻程度。場地土壤重金屬污染負荷指數計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中

:CF

為場地土壤中重金屬

的污染指數；

和

分別為場地土壤中重金屬

的實際監測濃度和背景值(mg/kg)，該區域土壤中As、Cd、Pb、Hg和Ni的背景值分別為4.42 mg/kg、0.26 mg/kg、27.03 mg/kg、0.05 mg/kg和30.20 mg/kg；

為場地土壤重金屬某采樣點重金屬的污染負荷指數；

為場地土壤重金屬總體污染負荷指數;

為場地土壤采樣的重金屬個數

為場地土壤重金屬采樣點個數。其中，

≤1為無污染

;

≤2為輕微污染

;

≤3為中度污染

>3為重度污染。

與

的分級標準一致。

1.4.2 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法基于生物有效性、相對貢獻度及空間位置差異等特點，可綜合反映土壤重金屬對生態環境的影響潛力，也是目前常用的場地土壤重金屬污染風險評價方法之一。場地土壤重金屬污染的潛在生態風險指數計算公式如下：

(4)

式中:

為場地土壤多種重金屬的潛在生態風險指數；

和

分別為場地土壤中重金屬

的實測濃度和背景值

(

mg/kg

)

；

為場地土壤中某種重金屬

的潛在生態危害系數；

為場地土壤中單一污染物

的毒性系數，其中，重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni的毒性系數分別為10、30、5、40、和1;

為場地土壤中單個重金屬

的污染系數。

場地土壤重金屬污染的潛在生態風險指數分級標準，見表2。

表2 場地土壤重金屬污染的潛在生態風險指數分級標準Table 2 Classification criteria for potential ecologicalrisk of heavy metal polution in soil

2 研究結果與討論

2.1 研究區土壤和地下水中重金屬濃度的檢測結果

2.1.1 土壤中重金屬濃度的檢測結果

研究區土壤中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni濃度的檢測結果見表3。

表3 研究區土壤中重金屬濃度的檢測結果Table 3 Testing results of heavy metals concentration inthe soil of the study area

由表3可知，該煉鐵廠污染場地土壤中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni均有不同程度檢出，土壤中5種重金屬濃度均超標，超標率分別為5.40%、0.33%、3.18%、2.34%和1.34%；土壤中重金屬超標倍數及檢出率最大的為Ni元素，超標倍數達49.40倍，而超標倍數及檢出率最小的為Cd元素，超標倍數為1.55倍；此外，土壤中重金屬的變異系數變化范圍為78.14%～596.69%，處于強變異水平，表明該污染場地土壤中重金屬濃度分布不均，局部污染較為嚴重。

2.1.2 地下水中重金屬濃度的檢測結果

研究區地下水中重金屬As、Cd、Pb、Hg和Ni濃度的檢測結果，見表4。

由表4可知，該煉鐵廠污染場地地下水中重金屬As、Ni均有檢出，但地下水中重金屬僅As濃度超標，超標率為28.57%，超標倍數為1.10，且場地內地下水pH值呈中性，表明該場地地下水重金屬整體污染程度較低。

表4 研究區地下水中重金屬濃度的檢測結果Table 4 Testing results of heavy metals concentration inthe groundwater of the study area

2.2 研究區土壤和地下水中重金屬污染的分布特征

本文針對研究區土壤和地下水中濃度超標的重金屬元素運用“克里格”空間插值法對不同深度土壤中重金屬濃度的空間分布進行描述性分析，即探討不同深度條件下土壤和地下水中As、Cd、Pb、Hg和Ni污染的空間分布特征。

2.2.1 土壤中重金屬污染的空間分布特征

研究區不同深度土壤中As、Cd、Pb、Hg和Ni污染的空間分布特征和污染占比，見圖2至圖7。

圖2 研究區不同深度土壤中As污染的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of As pollution in the different depth of soil of the study area

(1) 土壤As污染:研究區土壤As污染水平方向主要集中在3、4號高爐區域和邊坡區域，其余5個區域土壤中As濃度均低于土壤重金屬濃度篩選值,土壤As污染垂直方向主要集中在0～2 m人工填土層(見圖2)；土壤中As濃度最大值為90.90 mg/kg(見表3)，位于3、4號高爐區域的西北角，深度為1.5 m；3、4號高爐區域土壤As污染的影響深度最深達7.5 m，邊坡區域土壤中As污染的影響深度最深達5.5 m；土壤中As污染范圍隨地層深度的增加，其污染羽面積呈逐步減小的趨勢，這主要是由于隨著地層深度的增加，場地內土壤由表層人工填土(厚度為0.1～3.0 m)逐步轉變為第四紀粉質黏土(厚度為2.5～5.0 m)、砂巖、泥巖(厚度為4.5～13 m)，土壤滲透系數逐步減小所致。

(2) 土壤Cd污染：研究區土壤Cd污染水平方向主要集中在3、4號高爐區域的西北角，污染面積較小，僅有2個采樣點位土壤中Cd濃度超標，土壤中Cd污染垂向上呈表層污染，深度為2.0 m(見圖3)；土壤中Cd濃度最大值和超標倍數分別為31.10 mg/kg和1.55倍(見表3);整個研究區土壤中Cd污染較輕，但由于其具有毒理性質，對人體的傷害較大，故土壤中重金屬Cd濃度仍是本次污染場地調查的重點對象之一。

圖3 研究區土壤中Cd污染的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of Cd pollution in the soil of the study area

(3) 土壤Pb污染：研究區土壤Pb污染水平方向主要集中在邊坡區域的西南側和3、4號高爐區域與邊坡區域的交界處,土壤Pb污染垂向方向主要集中在人工填土層和第四紀粉質黏土層(見圖4);土壤中Pb濃度最大值為4 879 mg/kg，位于邊坡區域南側靠近3、4號高爐區域處，超標倍數達12.20倍(見表3);邊坡區域土壤中Pb污染的影響深度最深達5.5 m，3、4號高爐區域土壤中Pb污染的影響深度最深達6.5 m；邊坡區域土壤中Pb污染的污染羽分布面積較大，查閱相關歷史資料得以證實，這主要是由于該煉鐵廠生產期間產生的廢料常年堆積于該區域，導致該區域土壤中Pb濃度超標極為嚴重,同時在地層巖性的變化下，土壤中Pb濃度隨著地層深度的增加而減小，其污染羽面積呈逐步減小的趨勢(見圖4)。

圖4 研究區不同深度土壤中Pb污染的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of Pb pollution in the different depth of soil of the study area

(4) 土壤Hg污染：研究區土壤Hg污染主要集中在邊坡區域與3、4號高爐區域交界處的西南角和5號高爐區域的東南角，土壤Hg污染垂直方向主要集中在人工填土層和第四紀粉質黏土層(見圖5)；土壤中Hg濃度最大值為60.40 mg/kg，位于邊坡區域與3、4號高爐區域交界處，超標倍數達7.55倍(見表3)；土壤中Hg污染的影響深度最深達5.5 m，5號高爐區域土壤中Hg污染主要呈表層污染，邊坡區域和3、4號高爐區域土壤中Hg污染隨地層深度的增加，其污染羽面積呈減小的趨勢(見圖5)。

圖5 研究區不同深度土壤中Hg污染的空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of Hg pollution in the different depths of soil of the study area

(5) 土壤Ni污染：研究區土壤Ni污染水平方向主要集中在5號高爐區域的中部和南部邊緣帶，土壤Ni污染垂向方向僅集中在深度為2～4 m和4～6 m處；土壤中Ni濃度最大值為741 mg/kg，位于5號高爐區域的南部邊緣帶(見圖6)；但土壤中Ni濃度未呈現出隨地層深度的增加而減小的趨勢，這主要是因為5號高爐區域的南部邊緣帶表層堆積了巨厚的建筑拆遷雜填土，原煉鐵廠表層土壤被覆蓋，導致鉆勘取樣深度增加。總體而言，研究區土壤Ni污染呈表層污染狀態。

圖6 研究區土壤中Ni污染的空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of Ni pollution in the different depths of soil of the study area

綜上所述，研究區土壤中重金屬濃度超標在空間上呈點狀污染分布，根據其污染范圍擬合面積、濃度和污染深度，土壤中上述5種重金屬的污染程度由低到高排序為：Cd

圖7 研究區不同深度土壤中重金屬污染的占比Fig.7 Proportion of soil heavy metal pollution at different depths

2.2.2 地下水中重金屬污染的空間分布特征

研究區地下水中重金屬濃度超標點位的空間分布，見圖8。

圖8 研究區地下水中重金屬濃度超標點位的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the points exceeding the standard in the groundwater of the study area

由圖8可見，研究區地下水中重金屬濃度超標點位主要分布在3、4號高爐區域的中部及北側，超標類型為地下水As污染，地下水中As濃度最大值為0.11 mg/L。研究區域整體上地下水污染較輕，這可能是因為土壤重金屬在下滲過程中發生了一定的氧化還原反應，生成的產物溶解度較低，不易溶解于地下水中；同時，研究區域一帶降雨較為頻繁，局部地下水循環較快，不易呈現地下水中各組分的局部富集。

2.3 研究區土壤重金屬污染的風險評價

2.3.1 土壤重金屬污染負荷指數評價

根據公式(1)～(3)，計算研究區土壤重金屬污染負荷指數，對研究區土壤重金屬污染狀況進行風險評價，結果表明：場地土壤中重金屬污染負荷指數變化范圍為0.35～52.03，平均值為1.71，區域總體污染負荷指數

=1.05，整體區域土壤重金屬污染風險評價結果屬于輕微污染。根據評價結果繪制研究區土壤重金屬污染負荷指數

的空間分布圖，見圖9。

圖9 研究區土壤重金屬污染負荷指數空間分布圖Fig.9 Evaluation results of soil heavy metal pollution load index of the study area

由圖9可見，研究區土壤重金屬重度污染、中度污染、輕微污染和無污染區域的占比分別為67.23%、2.72%，21.73%和8.32%；從空間分布上看，場地土壤重金屬污染區域仍以3、4號高爐區域為中心向外擴展，這與第2.2.1節分析結果一致，從而進一步說明了場地土壤重金屬污染與3、4號高爐區域生產工藝有直接關系。

2.3.2 土壤重金屬污染潛在生態風險指數評價

根據公式(4),計算研究區土壤重金屬污染的潛在生態風險指數，對場地土壤中重金屬污染的潛在生態風險進行評價，其計算評價結果見表5。

表5 研究區土壤重金屬污染的潛在生態風險指數評價Table 5 Potential ecological risk index assessment resultof heavy metals in the soils of the study area

由表5可知，研究區土壤中多種重金屬的潛在生態風險指數

=714.16，存在極高的潛在生態風險；研究區土壤中各種重金屬的單因子潛在生態危害系數從小到大依次為NiRI

值繪制研究區土壤多種重金屬污染的潛在生態風險指數空間分布圖(見圖10)，對比第2.2.1節土壤中重金屬污染物的空間分布狀況可以發現，研究區土壤重金屬污染高、極高潛在生態風險區均集中在3、4號高爐區域附近，表明3、4號高爐區域生產過程中遺留的重金屬對場地土壤重金屬污染存在明顯的潛在生態風險。

圖10 研究區土壤多種重金屬污染的潛在生態風險指數空間分布圖Fig.10 Spatial distribution of potential ecological risk index of heavy metals in the soil of the study area

3 結論

(1) 研究區土壤和地下水中重金屬濃度存在一定的超標現象，土壤中重金屬濃度超標率由低到高依次排序為Cd

(2) 研究區土壤重金屬污染與原煉鐵廠的生產工藝密切相關；地下水中重金屬濃度超標率較小，呈現該現象的原因與重金屬在土壤中的自身性質和局部地下水自我循環有一定的關系。

(3) 研究區土壤中重金屬垂向遷移主要受地層巖性變化的影響較大。總體而言，研究區土壤重金屬污染垂向方向主要集中在表層0～2 m處，僅存在個別重金屬污染深度較深的現象。

(4) 場地土壤重金屬污染風險評價結果顯示：研究區土壤重金屬污染以輕微污染為主，存在部分中、重度污染區；研究區土壤多種重金屬污染的潛在生態風險指數

=714.16，表明研究區土壤重金屬污染存在極高的潛在生態風險。其中3、4號高爐區域生產過程中遺留的重金屬廢渣是造成該場地土壤重金屬污染和極高潛在生態風險的主要原因。