某市土壤重金屬污染評價(jià)與防治問題研究

趙玉龍

（甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，蘭州 730000）

1 某市重金屬污染現(xiàn)狀

某市位于我國西部地區(qū)，屬溫帶干旱、半干旱大陸性氣候，地勢西北高、東南低，北部為沙漠平川和山間盆地，地勢平坦，中部為祁連山余脈山地，山巒起伏。作為我國最重要的有色金屬工業(yè)基地，目前該地區(qū)已發(fā)現(xiàn)銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、金（An）、銀（Ag）等礦產(chǎn)資源幾十種，同時(shí)也是西部重要的新型化工能源基地和國家級地質(zhì)找礦整裝勘查區(qū)，煤炭、稀土、凹凸棒、陶土資源豐富[1]。該市現(xiàn)轄2 區(qū)3 縣，A 區(qū)是市政府駐地和主要工業(yè)聚集地，位于該市西側(cè)；B 區(qū)是陶瓷、發(fā)電行業(yè)聚集區(qū)，位于該市東側(cè)63km 處；C 縣是煤炭、有色金屬加工、稀土新材料行業(yè)聚集區(qū)，位于該市東側(cè)43km 處；D 縣是發(fā)電、有色金屬加工聚集區(qū)，位于該市北側(cè)73km 處；E 縣是農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)業(yè)配套制造聚集區(qū)，位于該市東南側(cè)117km 處。作為能源型城市，該地區(qū)擁有有色金屬采選冶煉、化工、煤炭、電力、機(jī)械、醫(yī)藥、輕紡、建材、陶瓷、農(nóng)畜產(chǎn)品加工等行業(yè)的大中型企業(yè)及其配套企業(yè)。這在推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的同時(shí)，也給環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。

2 點(diǎn)位布設(shè)與監(jiān)測

土壤布點(diǎn)按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）[2]、《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）等技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行[3]。根據(jù)某市實(shí)際情況，耕地網(wǎng)格定為8km×8km、林草地網(wǎng)格定為16km×16km、未利用地網(wǎng)格定位為32km×32km，利用ArcGIS 軟件按上述布點(diǎn)原則和技術(shù)要求，以1 ∶ 250 000 電子地圖作為布點(diǎn)底圖進(jìn)行網(wǎng)格布點(diǎn)，共布設(shè)采樣點(diǎn)259 個(gè)，取中心點(diǎn)表層土。采用石墨爐原子吸收分光光度法、原子熒光法、火焰原子吸收分光光度法對Cu、Pb、Zn、鎘（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等8 種重金屬進(jìn)行了測定。

3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)匯總與分布

本文利用SPSS19.0 軟件對重金屬監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)、偏度描述、變異系數(shù)、平均值等統(tǒng)計(jì)分析。利用ArcGIS 的統(tǒng)計(jì)模塊擬合變異函數(shù)、確定相關(guān)參數(shù)、分析反距離權(quán)重（IDW）插值和趨勢面[4]。在進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)描述前，要先對異常值進(jìn)行識別和剔除，因?yàn)樵谟肐DW 對變量進(jìn)行插值處理時(shí)，數(shù)據(jù)異常值會影響到表面連續(xù)性，產(chǎn)生中斷表面，使半方差函數(shù)產(chǎn)生畸變，從而掩蓋變量原有的空間結(jié)構(gòu)特征，增加短距離變異性，空間相關(guān)的變程距離縮小。采用格魯布斯檢驗(yàn)法對259 個(gè)土壤點(diǎn)位中重金屬監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，經(jīng)過對異常值進(jìn)行檢驗(yàn)、剔除及分布檢驗(yàn)，得出的頻數(shù)分布見頻數(shù)分布圖。

根據(jù)偏度描述，Cr 含量呈正態(tài)分布，Cu 含量呈對數(shù)正態(tài)分布，其余As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn 金屬呈偏態(tài)分布。

變異系數(shù)反映了總體樣本中各采樣點(diǎn)平均變異程度。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，該區(qū)域8 種重金屬變異系數(shù)為0.154—0.865。其中，Cd 的變異系數(shù)最大，為0.865，屬偏強(qiáng)變異強(qiáng)度；Hg 的變異系數(shù)次之，為0.853，屬偏強(qiáng)變異強(qiáng)度。這說明土壤中的Hg、Cd 受外界干擾明顯，空間分布差異較大，變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與該市冶煉、化工、陶瓷、電力行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相吻合。

從極大值與極小值來分析，8 種重金屬元素含量的極大值與極小值的差值都比較大。其中，Cd 的極大值與極小值相差最大，極大值為0.951mg/kg，極小值僅為0.017mg/kg；Hg 的極大值與極小值相差次之，極大值為0.232mg/kg，極小值僅為0.005mg/kg。As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 等金屬極值差異相對較小，其中，Cu 的極大值與極小值相差相對最小，極大值為37mg/kg，極小值為13.9mg/kg。結(jié)合圖中各金屬元素頻數(shù)分布情況可以看出，該地區(qū)土壤重金屬在不同地點(diǎn)存在明顯的空間分布差異，與周邊礦山開采、化工生產(chǎn)導(dǎo)致土壤重金屬含量差異較大有關(guān)，與該地區(qū)涉重企業(yè)的特征重金屬污染排放情況吻合。

3.2 土壤重金屬元素相關(guān)性分析

來源相同的重金屬元素在土壤中的含量具有一定的相關(guān)性。本文利用SPSS19.0 軟件對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，根據(jù)不同元素之間的相關(guān)程度來判斷區(qū)域內(nèi)各金屬污染物的來源是否相同。具有顯著相關(guān)性的金屬元素，其污染途徑可能相同或相似；不具有顯著相關(guān)性的金屬元素，其污染途徑或來源可能不同，或是受到了其他復(fù)雜因素影響，具體見表1。分析結(jié)果表明，Pb、Zn、Cu、As、Ni 之間具有顯著的相關(guān)性（P〈 0.01）。其中，Pb-Zn、Pb-Cu、Zn-Cu呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.887、0.666、0.501，說明研究區(qū)耕地耕層土壤中這3 種元素受人為活動(dòng)干預(yù)強(qiáng)烈，具有相似的污染途徑和來源；As與Pb、Zn、Cu、Ni，Cr 與Pb、Zn、Cu，雖然呈顯著正相關(guān)，但其相關(guān)系數(shù)較低，相關(guān)性不強(qiáng)，說明這幾種元素之間的污染源或污染途徑可能相似。

表1 某市土壤重金屬含量相關(guān)系數(shù)

4 環(huán)境影響評價(jià)

本文采用單項(xiàng)污染指數(shù)法進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，其計(jì)算公式為：

式中，Pip為污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為污染物i的實(shí)測濃度；Sip為污染物i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

超標(biāo)率的計(jì)算公式為：

式中，Pie為某組數(shù)據(jù)的超標(biāo)率；e為某組監(jiān)測數(shù)據(jù)中超標(biāo)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；n為某組監(jiān)測數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）二級標(biāo)準(zhǔn)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照單因子污染指數(shù)對研究區(qū)259 個(gè)土壤樣品中重金屬含量進(jìn)行計(jì)算，并對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見表2。由表2 可知，土壤中各種金屬元素的最大單因子污染指數(shù)從大到小依次為Cd、As、Cr、Zn、Ca、Ni、Pb、Hg。8 種重金屬中，As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni 平均單因子污染指數(shù)均小于1。可見，土壤未受到金屬As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni 的明顯污染，土壤整體安全，但As 濃度較高，最大值達(dá)到0.892，平均值達(dá)到0.5，應(yīng)引起足夠的重視；Cd 有9 個(gè)點(diǎn)位的濃度值超標(biāo)，污染指數(shù)最大值為1.585，屬輕微污染，超標(biāo)率為3.47%。

某市土壤重金屬元素頻數(shù)分布圖

5 重金屬空間分布

地理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法適用于具有空間分布特征的區(qū)域性變量的分析研究，該方法在環(huán)境領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。因此，本文利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對土壤重金屬空間分布及變異情況進(jìn)行分析，并研究重金屬污染來源和影響因素。利用ArcGIS 地統(tǒng)計(jì)分析模塊分析某市土壤中重金屬的空間變異性，通過對比不同插值方法的結(jié)果，確定該市土壤重金屬空間變異的最優(yōu)插值模型，從而獲取各重金屬空間分布狀況[4]。根據(jù)監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，土壤重金屬Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 濃度與自然背景值差距都不大，全市都屬于清潔區(qū)。因此，運(yùn)用ArcGIS 地統(tǒng)計(jì)模塊，將濃度較高的As、Cd 元素的監(jiān)測點(diǎn)位和監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，用IDW 方法進(jìn)行差值計(jì)算，得到該市土壤重金屬空間分布圖。通過把握度可以確定最近原則對于結(jié)果的影響程度，搜索半徑可以控制插值點(diǎn)的個(gè)數(shù),其內(nèi)插結(jié)果可信度較高[5]。

5.1 As 含量空間分布

由監(jiān)測結(jié)果結(jié)合空間分布情況可以看出，某市土壤中重金屬As 含量雖未超標(biāo)，但整體含量普遍較高。其中位于A 區(qū)中部地區(qū)的4 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的As 濃度最高，為14.1—15.1mg/kg，被劃分為預(yù)警區(qū)。該市其他絕大部分地區(qū)，As 濃度為12—14mg/kg，歸屬為重金屬As的尚清潔區(qū)。B 縣北部地區(qū)、南部地區(qū)的3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及E 縣東部地區(qū)、北部地區(qū)、南部地區(qū)的5 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的As 濃度在11.9mg/kg 以下，歸屬為重金屬As 的清潔區(qū)。整體而言，該市土壤中重金屬As 空間分布規(guī)律明顯，主要集中在城區(qū)和工礦用地周邊地區(qū)。

5.2 Cd 含量空間分布

由監(jiān)測結(jié)果結(jié)合空間分布情況可以得出，某市土壤中重金屬Cd 超標(biāo)的區(qū)域主要分布在A 區(qū)西北地區(qū)的2 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，Cd 含量大于0.6mg/kg，歸屬為Cd 的輕度污染地區(qū)。C 縣東部地區(qū)2 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，D 縣南部地區(qū)2 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，E 縣北部地區(qū)、南部地區(qū)3 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的重金屬Cd 含量為0.3—0.6mg/kg，歸屬為預(yù)警區(qū)。C 縣南部地區(qū)2 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，D 縣北部地區(qū)、南部地區(qū)、西部地區(qū)6 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，E 縣北部地區(qū)、南部地區(qū)6 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的Cd 濃度在0.1mg/kg 以下，歸屬為重金屬Cd 的清潔區(qū)。其他區(qū)域重金屬Cd 濃度為0.102—0.3mg/kg，歸屬為重金屬Cd 的尚清潔區(qū)。E 縣與該市主要重金屬企業(yè)距離較遠(yuǎn)，直線距離超過11km，因此可以判斷土壤中Cd 含量較高與該市重金屬污染無關(guān),可能與農(nóng)藥使用或本底值偏高有關(guān)。

6 結(jié)語

通過對某市259 個(gè)土壤點(diǎn)位中重金屬進(jìn)行分析，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，8 種重金屬中As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni平均單因子污染指數(shù)均小于1，說明土壤未受到金屬As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni 的明顯污染，土壤整體安全。但是As 含量在A 區(qū)濃度較高，屬于預(yù)警區(qū)域；Cd 有9 個(gè)點(diǎn)位的濃度值超標(biāo)，污染指數(shù)最大值為1.585，屬輕微污染，超標(biāo)率為3.47%。

運(yùn)用ArcGIS 地統(tǒng)計(jì)模塊計(jì)算該市土壤重金屬空間分布情況。通過分析可知，土壤中Cd 輕度污染地區(qū)主要位于A 區(qū)西北地區(qū)，As 濃度較高地區(qū)位于A區(qū)中部地區(qū)，該市屬于Ni、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 等重金屬的清潔區(qū)。土壤重金屬在不同地點(diǎn)存在明顯的空間分布差異，這和周邊礦山的開采、化工生產(chǎn)導(dǎo)致土壤重金屬含量差異較大有關(guān)，與該地區(qū)涉重企業(yè)的特征重金屬污染排放情況吻合。

表2 某市土壤重金屬污染物評價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

7 污染原因分析與防治對策

某市曾因礦產(chǎn)資源開發(fā)、化工污水排放造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。礦產(chǎn)資源開發(fā)過度，工藝落后，尾礦污染物進(jìn)入水體和土壤，環(huán)境破壞嚴(yán)重。作為該市支柱產(chǎn)業(yè)的化工生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的重金屬污染。

經(jīng)過多年治理，該市土壤污染加重趨勢總體上已經(jīng)得到了遏制，土壤環(huán)境質(zhì)量逐步改善。加大重點(diǎn)區(qū)域污染防控、調(diào)整工業(yè)規(guī)劃布局仍是目前該市土壤環(huán)境治理的主要方向。該市土壤污染防治工作的重點(diǎn)應(yīng)為：（1）加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，淘汰落后產(chǎn)能，權(quán)衡能耗、環(huán)保、效益多重標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級；（2）嚴(yán)格控制新增污染，嚴(yán)格環(huán)境準(zhǔn)入制度，對不符合環(huán)保政策標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目一律不予審批或立項(xiàng)[6]；（3）加強(qiáng)涉重企業(yè)污染治理，加大行業(yè)監(jiān)督檢查力度，嚴(yán)格執(zhí)行重金屬污染物總量控制和重點(diǎn)污染物特別排放限值，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提升工業(yè)廢物處理技術(shù)和綜合利用水平[7]；（4）提升土壤重金屬污染治理能力和技術(shù)水平，綜合運(yùn)用新型工程修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)等，提升土壤污染治理技術(shù)水平[8]。