基于地統(tǒng)計(jì)分析的老舊工業(yè)園農(nóng)田區(qū)域地下水重金屬空間分布及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

張毅博 趙劍斐 黃濤

摘要：以四川省什邡市某老舊工業(yè)園周邊農(nóng)田區(qū)域地下水環(huán)境為研究對象，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)分析方法，對該區(qū)域地下水重金屬空間分布進(jìn)行調(diào)查，并評價(jià)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，研究區(qū)域地下水總體表現(xiàn)為以Zn、Cu為主的多種重金屬富集，Cr與Cu空間分異較大，受外界干擾比較顯著，Cr與Cu、Cu與Pb的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.693、0.629（P<0.01），表明其污染源可能相同;地下水中各項(xiàng)重金屬單因子指數(shù)表現(xiàn)為Ni>Pb>Mn>Zn>Cu>Cr，據(jù)單項(xiàng)潛在生態(tài)污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，Cu具有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，此外，6種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）均值為97.27，屬輕度污染，且占比達(dá)到總調(diào)查區(qū)域的96.2%?？傮w而言，該老舊工業(yè)園對周邊農(nóng)田區(qū)域淺層地下水產(chǎn)生了輕度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：地統(tǒng)計(jì)學(xué);老舊工業(yè)園農(nóng)田;地下水重金屬;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);生態(tài)污染;風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

地下水作為重要的城鄉(xiāng)供水水源，在維護(hù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展等方面發(fā)揮著不可替代的作用。據(jù)中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部于2011年完成的《全國地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評估》，我國地下水資源約占總供水量的20%，全國60%的人口以地下水作為飲用水水源，地下水是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源[1]。由于開發(fā)和利用不當(dāng)造成的地下水污染，會(huì)直接對人類及其活動(dòng)造成潛在危害，并會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，還會(huì)對工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生危害[2-4]。老舊工業(yè)園區(qū)內(nèi)企業(yè)類型紛呈，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度不高，資源在各個(gè)企業(yè)之間很難做到循環(huán)使用，高投入、低產(chǎn)出、高污染等問題突出。在老舊工業(yè)園區(qū)，污水泄漏會(huì)導(dǎo)致地下水水質(zhì)惡化，地下水含水介質(zhì)的復(fù)雜性、隱蔽性及延時(shí)性使地下水污染范圍難以確定，以至于擴(kuò)散至工業(yè)園區(qū)周邊區(qū)域[5-7]。

針對地下水中重金屬污染問題，國內(nèi)外已有眾多學(xué)者開展了地下水重金屬污染的表征、測量和修復(fù)技術(shù)等方面的研究[8-10]，并對眾多地下水污染評價(jià)模型進(jìn)行了研究，冶雪艷等以第二松花江流域地下水為研究對象，分別采用DRASTIC和GOD法對地下水環(huán)境脆弱性進(jìn)行評價(jià)，并利用實(shí)測鉻（Cr）含量對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對比[11]。除此之外，地理信息系統(tǒng)（GIS）與專業(yè)模型相結(jié)合的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，也是近年來的研究熱點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、資源保護(hù)、災(zāi)害預(yù)測等領(lǐng)域[12-13]?？紤]到傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法忽視了樣本的空間位置和方向，難以區(qū)別不同空間格局的差異，周曉虹等利用ArcGIS的地統(tǒng)計(jì)空間分析功能，對內(nèi)蒙古臨河市淺層地下水進(jìn)行綜合評價(jià)，得到了研究區(qū)地下水水質(zhì)的空間分布[14]。Zamani等以伊朗博納布工業(yè)區(qū)的地下水污染為例，采用差分脈沖極譜（DPP）研究了鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎘和鉛的含量，并應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)對數(shù)據(jù)來源進(jìn)行描述，分析了所調(diào)查的重金屬之間的相關(guān)性和相似性[15]。

四川省什邡市某工業(yè)園區(qū)擁有眾多化工企業(yè)，建園時(shí)間較久，未進(jìn)行合理的環(huán)境規(guī)劃，屬老舊工業(yè)園區(qū)。本研究以該園區(qū)周邊農(nóng)田地下水環(huán)境為研究對象，通過現(xiàn)場踏勘、水質(zhì)采樣分析、地統(tǒng)計(jì)分析及潛在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作，對該區(qū)域地下水重金屬空間分布調(diào)查結(jié)果進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，同時(shí)結(jié)合地統(tǒng)計(jì)分析對潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，以期為其他類似老舊工業(yè)園區(qū)周邊地下水污染評價(jià)提供參考與借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究研究區(qū)域地處雙盛鎮(zhèn)，位于四川省什邡市北6 km，地處104°09′E，31°10′N。海拔高度為545.598 m，呈西北向東南走勢，平均海拔為507 m。雙盛鎮(zhèn)東連禾豐鎮(zhèn)，南接皂角鎮(zhèn)，西南和馬祖鎮(zhèn)接壤，西北同靈杰鎮(zhèn)毗鄰，東北與綿竹市玉泉鎮(zhèn)、新市鎮(zhèn)隔江相望。幅員面積為28 km2，轄6個(gè)村（白魚河村、亭江村、青龍村、萬緣村、東林村、涌麟村）和1個(gè)居民委員會(huì)。研究區(qū)域范圍內(nèi)為平原區(qū)域，生態(tài)環(huán)境以農(nóng)業(yè)耕作為主，主要種植小麥、水稻、豆類等作物，為典型的農(nóng)業(yè)生境區(qū)域。

1.2 地下水樣品的采集與分析

本研究所用地下水樣品主要取自下部微承壓含水層，井深為20～40 m。2018年4月、9月于研究區(qū)域內(nèi)采集26個(gè)地下水樣品，采樣點(diǎn)位分布見圖1，采樣點(diǎn)位置采用全球定位系統(tǒng)（GPS）定位。淺層地下水主要取自區(qū)內(nèi)正在灌溉的農(nóng)灌井及工業(yè)取水井，水樣24 h內(nèi)用0.45 μm混合纖維濾膜過濾后于4 ℃冰箱保存待測，重金屬離子含量采用 ICP-MS 等離子體質(zhì)譜儀（美國瓦里安公司）測定，測試精度>0.5%。

1.3 試驗(yàn)方法

單因子指數(shù)評價(jià)方法又稱單指標(biāo)評價(jià)法，將各污染因子濃度代表值與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)對比，以單項(xiàng)評價(jià)最差項(xiàng)目的類別作為水質(zhì)類別，通過評價(jià)結(jié)果能直觀地反映水質(zhì)中哪一類或幾類因子超標(biāo)，同時(shí)可清晰地判斷出主要污染因子和主要污染區(qū)域，計(jì)算公式[16]如下：

式中：Pi為單因子i的水質(zhì)污染指數(shù);Ci為水質(zhì)中污染物i的濃度實(shí)測值，mg/L;C0i為污染物i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濃度。Pi≤1表明該水質(zhì)因子滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，為非污染;13時(shí)，表明該水質(zhì)為嚴(yán)重污染。該方法計(jì)算簡便，由于是對單個(gè)污染因子獨(dú)立進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果不可能全面地反映水環(huán)境質(zhì)量的整體狀況，可能導(dǎo)致較大的偏差。為全面反映水體質(zhì)量狀況，還必須計(jì)算其綜合評價(jià)指數(shù)。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是一種從沉積物學(xué)角度來評價(jià)重金屬污染物特征和環(huán)境行為的方法[17]，計(jì)算公式如下：式中：RI為多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Eir為單項(xiàng)重金屬潛在的生態(tài)污染指數(shù);Ti為單項(xiàng)重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)[18]，Zn=Mn=1，Cu=Pb=Ni=5，Cr=2;Cif為重金屬污染物的污染指數(shù);Cis和Cin分別為第i種重金屬元素的檢測濃度、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg/L。地下水重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

本研究中地下水重金屬含量的平均值、變異系數(shù)、正態(tài)分布檢驗(yàn)等描述性統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件完成;使用ArcGIS 10.5軟件對地下水重金屬元素含量進(jìn)行插值計(jì)算，以得到每種重金屬的空間分布情況。

由通過普通克里金插值法得到的6種地下水重金屬含量空間變異分布圖可知，Cu、Mn、Pb的高濃度區(qū)域主要集中在工業(yè)園區(qū)南側(cè)農(nóng)田地區(qū)，由于該地區(qū)地下水由北部石亭江補(bǔ)給，工業(yè)園區(qū)重金屬下滲后遷移至偏南部區(qū)域，而其他區(qū)域濃度較低。

單因子污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，地下水中各項(xiàng)重金屬的污染程度表現(xiàn)為Ni>Pb>Mn>Zn>Cu>Cr，且Ni的單因子指數(shù)高于1，平均值為2.334，達(dá)到中度污染的程度;根據(jù)潛在生態(tài)污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，重金屬污染程度表現(xiàn)為Cu>Zn>Cr>Ni>Mn>Pb，僅有重金屬Cu具有中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，主要由于Cu的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較大所致;6種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）平均值為97.27，輕度綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的占比達(dá)到總調(diào)查區(qū)域的96.2%，其中風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于100的覆蓋面積達(dá)到總調(diào)查面積的50.0%;總體而言，當(dāng)?shù)鼗ば袠I(yè)對農(nóng)田淺層地下水產(chǎn)生了輕度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

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