趙龍生，王雅靜，吉雨寧，宋振宇，張 凱

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 煤炭中心，北京 100013；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)固體廢棄物的產(chǎn)量也逐漸增加，導(dǎo)致工業(yè)固廢貯存及處置量隨之增加。大量的固廢無(wú)序堆存是引起土壤及水體污染的重要原因，由其造成的環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。國(guó)內(nèi)外研究者在固廢堆存方面進(jìn)行了一系列有意義的相關(guān)探索，如程振興等人針對(duì)某工業(yè)園區(qū)歷史堆場(chǎng)的現(xiàn)狀進(jìn)行廢棄物的成分分析及排放量統(tǒng)計(jì)，對(duì)歷史堆場(chǎng)的環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行了分析[1]；馬保東以美國(guó)陸地衛(wèi)星圖像為信息源，選用 1987 年 9 月及 2002 年 5 月的衛(wèi)星圖像，對(duì)充州礦區(qū)5年間地表水域主要為塌陷區(qū)積水和煤堆及固廢占地的變化信息進(jìn)行了研究[2]；詹良通、賈官偉等對(duì)濕潤(rùn)氣候區(qū)固廢堆場(chǎng)封場(chǎng)土質(zhì)覆蓋層性狀及水分遷移規(guī)律進(jìn)行了研究[3,4]；蒙明富以濕法磷石膏堆場(chǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立堆場(chǎng)水平衡分析模型，圍繞堆場(chǎng)滲濾液產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、產(chǎn)量預(yù)測(cè)公式、滲濾液處理以及調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)等問(wèn)題開(kāi)展了研究[5]；國(guó)外研究者中，Reymond D 通過(guò)水樣檢測(cè)結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)城市固體垃圾場(chǎng)周?chē)?32 個(gè)地下水樣進(jìn)行了理化分析[6]；Kim Hyuck-Soo、Seshadri B、Bolan Nanthi等對(duì)廢渣堆場(chǎng)上開(kāi)展植物修復(fù)進(jìn)行了大量研究，主要集中在植物修復(fù)對(duì)廢渣中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化、廢渣理化性質(zhì)及微生物效應(yīng)的研究[7-9]。但在上述研究中，對(duì)工業(yè)區(qū)固廢堆場(chǎng)土地質(zhì)量的調(diào)查研究較少，對(duì)土壤污染物尤其是重金屬污染的分布特點(diǎn)及富集原因也未進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

筆者以遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合實(shí)地采樣測(cè)試分析為主要技術(shù)手段，對(duì)典型煤化工企業(yè)固廢堆場(chǎng)及其周邊土壤情況進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)研，對(duì)土壤重金屬污染物含量、分布特點(diǎn)及其富集原因進(jìn)行分析，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隱患、實(shí)現(xiàn)有效生態(tài)治理與土地復(fù)墾具有重要參考意義。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

筆者以世界首套商業(yè)化運(yùn)營(yíng)成功的包頭煤化工分公司煤制烯烴示范工廠為例展開(kāi)研究。研究所在地包頭市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的西部，其地形北高南低，且由西北向東南傾斜；屬北溫帶大陸性氣候，干燥多風(fēng)；年平均氣溫 6.8 ℃ ，年平均降雨量 330 mm，日平均風(fēng)速3 m/s。固廢堆場(chǎng)布置在園區(qū)北部，貯存量約為400×104t，堆存高度10 m。灰渣場(chǎng)占地面積43.9×104m2，其中貯存區(qū)占地面積約33×104m2，而綠化面積達(dá)273×104m2。包頭煤化工企業(yè)固廢堆場(chǎng)現(xiàn)狀及采樣點(diǎn)示意如圖1所示。

圖1 包頭煤化工企業(yè)固廢堆場(chǎng)現(xiàn)狀及采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Present situation and sampling point diagram of solid waste storage yard in Baotou coal chemical industry

1.2 研究方法

以土壤樣品檢測(cè)為主、遙感技術(shù)為輔，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法測(cè)算土壤污染物分布，并結(jié)合地類(lèi)分布特征進(jìn)行分析。遙感影像的數(shù)據(jù)源為中巴4號(hào)及北京2號(hào)，利用最新時(shí)像數(shù)據(jù)進(jìn)行地類(lèi)劃分。采樣時(shí)對(duì)深度為 15 cm 的表層土壤進(jìn)行采樣，并利用全球定位系統(tǒng)GPS精確定位，記錄采樣點(diǎn)的點(diǎn)位信息，對(duì)土壤容重、含水率、pH值、酶活性、微生物數(shù)量、堿解氮含量、速效磷含量及有機(jī)質(zhì)含量 8 項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及重金屬含量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法，含水率使用烘干法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)的測(cè)定主要依據(jù)NY/T 1121.6—2006《土壤檢測(cè) 第6部分:土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》[10]，堿解氮的測(cè)定選擇堿解蒸餾法[11-13]，使用分光光度法測(cè)定速效磷含量及土壤酶活性[14-16]，土壤 pH值使用 pH 計(jì)測(cè)定，采用稀釋平板法測(cè)定微生物數(shù)量[17,18]；根據(jù)土壤中主要污染物類(lèi)型，將其中鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、砷(As)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉻(Cr) 7 項(xiàng)重金屬含量設(shè)為檢測(cè)指標(biāo)。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表示自然生態(tài)格局受到自然環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)干擾造成的區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)變異程度。為建立不同土地利用類(lèi)型與區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算各類(lèi)型的面積比重，構(gòu)造不同土地利用類(lèi)型在包頭研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ER(Ecological Risk Index)，計(jì)算公式[19-21]如下:

(1)

式(1)中，ER為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，m為研究區(qū)土地利用類(lèi)型的數(shù)量，Ai為第i類(lèi)土地利用類(lèi)型面積，A為研究區(qū)總面積，LLi為第i類(lèi)土地利用類(lèi)型所反映的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度參數(shù)[22]。土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度參數(shù)參考了臧淑英等[23]學(xué)者的研究成果，耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其它土地的土地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度參數(shù)分別為 0.140 5、0.027 8、0.046 3、0.057 0、0.249 7、0.109 9。

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬含量污染情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的常用方法[24,25]。通過(guò)單因子評(píng)價(jià)中污染指數(shù)確定主要的重金屬污染物及其危害程度，即以重金屬含量實(shí)測(cè)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比除去量綱，以此計(jì)算i重金屬元素的污染指數(shù)(Pi)：

(2)

式(2)中，Ci為重金屬含量實(shí)測(cè)值，SI為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值。

單因子指數(shù)只能反映各重金屬元素的污染程度，不能全面反映土壤的污染狀況，而綜合污染指數(shù)兼顧單因子污染指數(shù)平均值和最高值，突出污染較重的重金屬污染物作用。采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)(PZ)計(jì)算方法如下:

(3)

(4)

對(duì)于權(quán)重W的確立，按照重金屬對(duì)環(huán)境的影響程度，將環(huán)境研究中較受關(guān)注的微量元素分成了三類(lèi)，因一類(lèi)、二類(lèi)、三類(lèi)微量元素環(huán)境重要性逐漸下降，分別賦值為3、2、1作為權(quán)重。此研究涉及的幾種重金屬其類(lèi)別和權(quán)重分配見(jiàn)表1。

表1 重金屬污染物對(duì)環(huán)境的重要性分類(lèi)和權(quán)重值
Table 1 Classification and weighting values of heavy metal pollutants to the environment

項(xiàng)目PbCdAsZnCuCrNi類(lèi)別IIIIIIIIIII權(quán)重3332222

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)域地類(lèi)分布特征

依據(jù)遙感數(shù)據(jù)并參照GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》，結(jié)合煤化工企業(yè)周邊土地利用特點(diǎn)，將土地利用類(lèi)型劃分為耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、水域等七大類(lèi)，研究區(qū)域廢堆場(chǎng)、固廢堆場(chǎng)周邊土地利用具體數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 研究區(qū)域固廢堆場(chǎng)周邊土地利用類(lèi)型分布圖Fig.2 Distribution of land use types around solid waste storage yards in the study area

圖3 研究區(qū)域固廢堆場(chǎng)周邊土地利用類(lèi)型分布圖Fig.3 Distribution of land use types around solid waste storage yards in the study area

由圖2、圖3 可知，包頭煤化工固廢堆場(chǎng)周邊土地類(lèi)型單一，大部分均為草地及其它工礦用地，周邊企業(yè)類(lèi)型較復(fù)雜故對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。固廢堆場(chǎng)面積占比達(dá)6.64%，范圍處于其它用地類(lèi)型中間區(qū)域，敏感區(qū)范圍為 500 m。在敏感區(qū)域內(nèi)涉及草地及其他工礦用地，固廢堆場(chǎng)所產(chǎn)生的土地污染極有可能影響到該敏感區(qū)域，所以有必要對(duì)周邊的土壤質(zhì)量及主要污染物含量進(jìn)行檢測(cè)。

計(jì)算不同土地利用類(lèi)型在包頭煤化工企業(yè)研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ER，結(jié)果見(jiàn)表2 。

表2 不同土地利用類(lèi)型在研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)ER
Table 2 Ecological risk index ER of different land use types in the study area

土地類(lèi)型耕地林地草地城鎮(zhèn)村固廢堆場(chǎng)企業(yè)廠區(qū)其他工礦用地水域ER值002.654 84200.729 73603.959 6970

由表2 可看出，草地類(lèi)型、其它工礦用地的ER值最大，說(shuō)明固廢堆場(chǎng)的存在對(duì)區(qū)域內(nèi)草地及其它工況用地存在較大的干擾，因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)其它用地類(lèi)型面積為 0，所以固廢堆場(chǎng)的干擾度也為 0。

2.2 土壤質(zhì)量情況

土壤容重與土壤質(zhì)地、壓實(shí)狀況、土壤顆粒密度、土壤有機(jī)質(zhì)含量及各種土壤管理措施有關(guān)[26,27]。土壤水分、pH值、堿解氮含量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量是土壤養(yǎng)分的重要特征，對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生重要的影響[28-30]。土壤酶活性及微生物數(shù)量反映了土壤微生物特性，酶活性是度量微生物降解活性的重要指標(biāo)，微生物數(shù)量是土壤污染程度和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程的重要反映指標(biāo)[31,32]。

對(duì)研究區(qū)土壤樣品質(zhì)量的測(cè)定分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，研究區(qū)土壤容重均在1.25以上，土壤成熟度較高，不太適宜植被生長(zhǎng)。含水率雖較2016年有所提高，但依然處于較低水平，說(shuō)明土壤保水率差。土壤pH 值相差不大，均呈中性，由總體分析可知，越往土壤下層其pH 值越高，可能因?yàn)橄聦铀芤褐须x子濃度較高所導(dǎo)致。隨著深度的增加，土壤酶活性也隨之增大，此與含水率的變化趨勢(shì)一致，且與2016年差別不大。 1 號(hào)點(diǎn)與 2 號(hào)點(diǎn)之間微生物差別微弱，上層微生物數(shù)量?jī)?yōu)于下層，說(shuō)明土壤表層植被促進(jìn)了微生物的繁殖。樣品堿解氮含量向下遞減，且較2016年有所降低，說(shuō)明2017年土壤受污染狀況較2016年有所加劇。土壤中有機(jī)質(zhì)的含量極低，同時(shí)遠(yuǎn)離堆場(chǎng)的有機(jī)質(zhì)水平較高，說(shuō)明固廢堆場(chǎng)一定程度抑制了植被的生長(zhǎng)。

2.3 土壤重金屬污染物含量情況

對(duì)研究區(qū)土壤樣品中主要重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 研究區(qū)土壤質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Soil quality test results in the study area

表3 研究區(qū)土壤樣品重金屬含量測(cè)定結(jié)果
Table 3 Determination of heavy metal content in soil samples in the study area

重金屬類(lèi)型最小值/(μg ·g-1)最大值/(μg ·g-1)平均值/(μg ·g-1)復(fù)墾工業(yè)用地標(biāo)準(zhǔn)值/(μg ·g-1)鉛4.1860.616.45600鋅36.99365.9982.59700鎘0.042.210.7620砷22.1540.9534.0570銅3.1525.977.36500鎳3.025.994.18200鉻2.092.992.511 000

由表3 可見(jiàn)，區(qū)域內(nèi)重金屬鉛(Pb)的含量處于較低水平，復(fù)墾用地標(biāo)準(zhǔn)值為 600 mg/kg，而區(qū)域內(nèi)鉛(Pb)最低含量?jī)H為 4.18 μg/g，而最高含量也僅有 60.6 μg/g，在廠區(qū)東南部有富集現(xiàn)象，但靠近固廢堆場(chǎng)的位置含量較低，推測(cè)環(huán)境污染源應(yīng)為上風(fēng)向廠區(qū)外部因風(fēng)力作用而產(chǎn)生。重金屬鋅(Zn)含量變化范圍較大，且部分區(qū)域富集程度較高，但均未超過(guò)工業(yè)復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)值，推測(cè)環(huán)境污染源應(yīng)為固廢堆場(chǎng)揚(yáng)塵擴(kuò)散導(dǎo)致。土壤中重金屬鎘(Cd)數(shù)值均遠(yuǎn)低于工業(yè)用地標(biāo)準(zhǔn)值，但在固廢堆場(chǎng)東南部下風(fēng)向的重金屬含量略高于西南部，可見(jiàn)固廢的排放對(duì)土壤中鎘(Cd)的富集還具有一定的影響。土壤中類(lèi)重金屬砷(As)分布規(guī)律不明顯，且數(shù)值均遠(yuǎn)低于工業(yè)用地標(biāo)準(zhǔn)值。固廢堆場(chǎng)東南側(cè)重金屬銅的含量還出現(xiàn)明顯的富集，其遠(yuǎn)離固廢堆場(chǎng)邊緣，主要延進(jìn)出場(chǎng)區(qū)道路分布，但依舊處于較低水平，懷疑灰渣在運(yùn)輸過(guò)程中車(chē)輛可能產(chǎn)生的遺撒已對(duì)土壤產(chǎn)生一定的影響。重金屬鎳(Ni)處于較低水平，且數(shù)據(jù)間差值較小，無(wú)特別明顯的分布特征。土壤重金屬鉻(Cr)在工業(yè)用地復(fù)墾后的標(biāo)準(zhǔn)值為 1 000 μg/g，包頭煤化工鉻(Cr)的含量區(qū)間范圍僅為 2.09 μg/g～2.99 μg/g，可見(jiàn)所排廢棄灰渣中鉻(Cr)的含量極小，對(duì)土壤沒(méi)有產(chǎn)生影響。

據(jù)式(1)～(4)計(jì)算各重金屬污染指數(shù)，其中重金屬含量實(shí)測(cè)值取平均值，結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)單因子污染指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Pi≤1時(shí)，單項(xiàng)重金屬污染分級(jí)為非污染；當(dāng)PZ≤0.7時(shí)，污染狀況為安全清潔水平。據(jù)表4 可知，各主要類(lèi)型重金屬污染物指標(biāo)均處于較低水平，對(duì)土壤污染程度極低。綜合污染指數(shù)也表明重金屬污染物的含量水平不高。結(jié)果表明，經(jīng)科學(xué)管理后，固廢堆場(chǎng)向土壤所釋放的重金屬污染物處于較低水平，對(duì)土壤生態(tài)影響較低。

表4 重金屬污染物指數(shù)計(jì)算結(jié)果
Table 4 Heavy metal pollutant index calculation result

項(xiàng)目PbZn Cd AsCuNi CrPZPi0.027 40.1180.0380.486 40.014 70.020 90.002 50.353 5污染情況安全安全安全安全安全安全 安全安全

3 結(jié) 論

(1)包頭煤化工固廢堆場(chǎng)周邊土地類(lèi)型單一，大部分均為草地及其他工礦用地，周邊企業(yè)類(lèi)型較復(fù)雜故對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。固廢堆場(chǎng)土壤質(zhì)量較差，土壤成熟度較高，保水率差，氮素、磷供應(yīng)不足，有機(jī)質(zhì)含量極低，不太適合植被生長(zhǎng)。

(2)堆場(chǎng)土壤中重金屬含量有所波動(dòng)，在部分區(qū)域有所富集，但均低于工業(yè)用地復(fù)墾后的標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法所計(jì)算結(jié)果也同樣表明固廢堆場(chǎng)內(nèi)土壤中重金屬污染程度較低，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小。

(3)堆場(chǎng)顯示出污染物較強(qiáng)的遷移性，且大部分均為風(fēng)力遷移，在下風(fēng)向(主風(fēng)向)呈現(xiàn)出越靠近污染源其污染物含量越高的特征。以土壤中鋅和鉻2種污染物最為明顯，其富集狀況也反映出廢灰渣中污染物含量的水平對(duì)土壤的影響程度。