某炼铁厂遗留场地重金属污染空间分布特征及风险评价
陈劲松1,2,3,张 颖1,2,3,蒲生彦1,2,3*
(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室2.成都理工大学生态环境学院,3成都理工大学国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室，)
摘 要：以某炼铁厂遗留污染场地作为研究区域，共采集土壤样品598个、地下水样品7个，在详细调查研究区土壤和地下水重金属污染状况的基础上，运用多元统计分析结合GIS插值方法研究了该炼铁厂遗留场地土壤和地下水中重金属污染的空间分布特征，并通过污染负荷指数法和潜在生态指数法对研究区土壤重金属污染状况和潜在生态风险进行了风险评估。结果表明：研究区土壤中重金属浓度超标率依次为Cd<As<Hg<Pb<Ni；土壤重金属污染以局部点状污染为主;受地层岩性变化的影响，土壤重金属污染羽范围随着地层深度的增加呈减小的趋势；地下水中重金属仅As浓度存在局部小范围超标现象，超标率为28.57%，主要原因可能是由于土壤中重金属在下渗过程中发生了一定的氧化还原反应，生成的产物溶解度较低，不易溶解于地下水中，加之局部地下水循环较快不利于地下水中各组分的进一步富集；研究区土壤重金属污染负荷指数Pzone=1.05，属轻微污染，土壤重金属潜在生态风险指数RI平均值=714.16，存在极高的潜在生态风险，该炼铁厂3、4号高炉区域生产过程中遗留的重金属废渣是造成该场地土壤重金属污染和极高的潜在生态风险的主要原因。
关键词：污染场地；土壤；地下水；重金属污染；空间分布；风险评价
大量工业在“退二进三”和“退城进园”等政策的号召下由城市迁往郊区或进入规划工业园区[1]。工业企业迁出后原场址土壤与地下水均可能受到不同程度的污染[2-5]，针对部分土地利用性质转变为住宅、公共管理与公共服务用地的地块，应当按照相关规定对场地进行污染状况调查，对其中的超标地块，须进行污染风险调查评估与修复治理[6-7]。
土壤和地下水重金属污染是我国环境污染亟需解决的问题之一[8-10]。土壤和地下水重金属污染主要指Cd、Cu、Hg、As、Pb、Cr、Ni和Zn 8种重金属物质通过下渗、迁移等行为，造成土壤和地下水中的重金属浓度超过建设用地土壤污染风险管控标准筛选值，直接或间接地危害人体健康和生态系统安全[11-12]。由于受区域水文地质条件的影响，赋存于污染场地土壤中的重金属物质在地下水水力作用下，会进一步扩散至场地周边区域，增加了污染场地修复的难度[13-16]。因此，通过污染场地的调查结果准确地解析出场地重金属污染的空间分布特征具有重要的意义。
本文以某炼铁厂遗留污染场地作为研究区域，定量分析了该场地土壤和地下水中重金属污染的空间分布特征及其潜在的生态风险，以期为重金属污染场地调查修复提供科学依据。
1 研究对象与方法
1.1 研究区概况
该炼铁厂占地面积约5.2万m2。该炼铁厂1995年建成，2011年关停，运行期间主要生产钢铁、大型模具等。目前该厂区土地利用性质拟由“第二类用地”转变为“第一类用地”，地面建筑经拆迁后遗留出大片污染场地待修复。待修复的污染地块按照运行期间的工作性质主要分为7个区域，分别为原配料厂区域、铸铁车间区域、热力车间区域、5号高炉区域、3及4号高炉区域、边坡区域、空白区域。整个研究区地势北高南低、西高东低，地面标高在180.0～300.0 m之间。该研究区域广泛出露第四系冲洪积层和人工填土层，下伏基岩主要为砂岩、泥岩互层，其中泥岩原生多孔性在成岩阶段已经消失，砂岩的孔隙性呈现不同程度的保留，区域内陆下水赋存以上层滞水和基岩裂隙水为主。地下水主要接受大气降雨、沟水的补给，排泄至周边的河道之中，其径流主要受含水介质及侵蚀基准面的控制。
1.2 样品的采集
依据《建设用地土壤污染状况调查技术导则》(HJ 25.1—2019)和《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》(HJ 25.2—2019)系统布点的原则，在研究区域内共设置了226个采样点，分阶段进行钻探采样，土壤和地下水样品中重金属监测指标为As、Cd、Pb、Hg、Ni。其中，初步调查采样阶段设置采样点位23个，运用XRF进行快速测定；详细调查采样阶段和补充采样阶段共设置203个采样点位。所有样品均运送至专业实验室测定。本次共采集土壤样品598个、地下水样品7个，研究区域采样点分布见图1。
图1 研究区采样点分布
Fig.1 Distribution of sampling points in the study area
1.3 风险评价依据
该污染场地土壤样品中重金属As、Cd、Pb、Hg和Ni的浓度筛选值依据规范《土壤环境质量——建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中地块利用类型的不同(保护对象暴露情况)进行划定，由于该污染场地未来规划大部分划分为“第一类用地”，故本次土壤重金属污染风险评价以“第一类用地”土壤中重金属浓度筛选值为准(见表1)；由于该炼铁厂距离长江较近，且周边规划存在居民用地，故地下水样品中重金属As、Cd、Pb、Hg和Ni浓度的筛选值以《地下水水质标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ类地下水的标准限值为准(见表1)。
表1 “第一类用地”土壤和地下水中重金属浓度的筛选值(单位:mg/kg)
Table 1 Screened values of heavy metal concentrations
in soil and groundwater of the“first type
land” (unit:mg/kg)
1.4 风险评价方法
1.4.1 污染负荷指数法
污染负荷指数法主要反映污染物的污染等级对总体污染的贡献程度。场地土壤重金属污染负荷指数计算公式如下[17]：
CFi=Ci/Cn
(1)
(2)
(3)
式中:CFi为场地土壤中重金属i的污染指数；Ci和Cn分别为场地土壤中重金属i的实际监测浓度和背景值(mg/kg)，该区域土壤中As、Cd、Pb、Hg和Ni的背景值分别为4.42 mg/kg、0.26 mg/kg、27.03 mg/kg、0.05 mg/kg和30.20 mg/kg[18]；P为场地土壤重金属某采样点重金属的污染负荷指数；Pzone为场地土壤重金属总体污染负荷指数;n为场地土壤采样的重金属个数;m为场地土壤重金属采样点个数。
其中，P≤1为无污染;1<P≤2为轻微污染;2<P≤3为中度污染;P>3为重度污染。Pzone与P的分级标准一致。
1.4.2 潜在生态风险指数法
潜在生态风险指数法基于生物有效性、相对贡献度及空间位置差异等特点，可综合反映土壤重金属对生态环境的影响潜力，也是目前常用的场地土壤重金属污染风险评价方法之一[19-20]。场地土壤重金属污染的潜在生态风险指数计算公式如下：
(4)
式中:RI为场地土壤多种重金属的潜在生态风险指数；Ci和Ce分别为场地土壤中重金属i的实测浓度和背景值(mg/kg)；Ei为场地土壤中某种重金属i的潜在生态危害系数；Ti为场地土壤中单一污染物i的毒性系数，其中，重金属As、Cd、Pb、Hg和Ni的毒性系数分别为10、30、5、40、和1[21];Fi为场地土壤中单个重金属i的污染系数。
场地土壤重金属污染的潜在生态风险指数分级标准，见表2。
表2 场地土壤重金属污染的潜在生态风险指数分级标准
Table 2 Classification criteria for potential ecological
risk of heavy metal polution in soil
2 研究结果与讨论
2.1 研究区土壤和地下水中重金属浓度的检测结果
2.1.1 土壤中重金属浓度的检测结果
研究区土壤中重金属As、Cd、Pb、Hg和Ni浓度的检测结果见表3。
表3 研究区土壤中重金属浓度的检测结果
Table 3 Testing results of heavy metals concentration in
the soil of the study area
注：土壤中重金属浓度最大值、最小值和平均值的单位均为mg/kg;“ND”代表未检出。下同。
由表3可知，该炼铁厂污染场地土壤中重金属As、Cd、Pb、Hg和Ni均有不同程度检出，土壤中5种重金属浓度均超标，超标率分别为5.40%、0.33%、3.18%、2.34%和1.34%；土壤中重金属超标倍数及检出率最大的为Ni元素，超标倍数达49.40倍，而超标倍数及检出率最小的为Cd元素，超标倍数为1.55倍；此外，土壤中重金属的变异系数变化范围为78.14%～596.69%，处于强变异水平，表明该污染场地土壤中重金属浓度分布不均，局部污染较为严重。
2.1.2 地下水中重金属浓度的检测结果
研究区地下水中重金属As、Cd、Pb、Hg和Ni浓度的检测结果，见表4。
由表4可知，该炼铁厂污染场地地下水中重金属As、Ni均有检出，但地下水中重金属仅As浓度超标，超标率为28.57%，超标倍数为1.10，且场地内陆下水pH值呈中性，表明该场地地下水重金属整体污染程度较低。
表4 研究区地下水中重金属浓度的检测结果
Table 4 Testing results of heavy metals concentration in
the groundwater of the study area
2.2 研究区土壤和地下水中重金属污染的分布特征
本文针对研究区土壤和地下水中浓度超标的重金属元素运用“克里格”空间插值法对不同深度土壤中重金属浓度的空间分布进行描述性分析，即探讨不同深度条件下土壤和地下水中As、Cd、Pb、Hg和Ni污染的空间分布特征。
2.2.1 土壤中重金属污染的空间分布特征
研究区不同深度土壤中As、Cd、Pb、Hg和Ni污染的空间分布特征和污染占比，见图2至图7。
图2 研究区不同深度土壤中As污染的空间分布特征
Fig.2 Spatial distribution characteristics of As pollution in the different depth of soil of the study area
(1) 土壤As污染:研究区土壤As污染水平方向主要集中在3、4号高炉区域和边坡区域，其余5个区域土壤中As浓度均低于土壤重金属浓度筛选值,土壤As污染垂直方向主要集中在0～2 m人工填土层(见图2)；土壤中As浓度最大值为90.90 mg/kg(见表3)，位于3、4号高炉区域的西北角，深度为1.5 m；3、4号高炉区域土壤As污染的影响深度最深达7.5 m，边坡区域土壤中As污染的影响深度最深达5.5 m；土壤中As污染范围随地层深度的增加，其污染羽面积呈逐步减小的趋势，这主要是由于随着地层深度的增加，场地内土壤由表层人工填土(厚度为0.1～3.0 m)逐步转变为第四纪粉质黏土(厚度为2.5～5.0 m)、砂岩、泥岩(厚度为4.5～13 m)，土壤渗透系数逐步减小所致。
(2) 土壤Cd污染：研究区土壤Cd污染水平方向主要集中在3、4号高炉区域的西北角，污染面积较小，仅有2个采样点位土壤中Cd浓度超标，土壤中Cd污染垂向上呈表层污染，深度为2.0 m(见图3)；土壤中Cd浓度最大值和超标倍数分别为31.10 mg/kg和1.55倍(见表3);整个研究区土壤中Cd污染较轻，但由于其具有毒理性质，对人体的伤害较大，故土壤中重金属Cd浓度仍是本次污染场地调查的重点对象之一。
图3 研究区土壤中Cd污染的空间分布特征
Fig.3 Spatial distribution characteristics of Cd pollution in the soil of the study area
(3) 土壤Pb污染：研究区土壤Pb污染水平方向主要集中在边坡区域的西南侧和3、4号高炉区域与边坡区域的交界处,土壤Pb污染垂向方向主要集中在人工填土层和第四纪粉质黏土层(见图4);土壤中Pb浓度最大值为4 879 mg/kg，位于边坡区域南侧靠近3、4号高炉区域处，超标倍数达12.20倍(见表3);边坡区域土壤中Pb污染的影响深度最深达5.5 m，3、4号高炉区域土壤中Pb污染的影响深度最深达6.5 m；边坡区域土壤中Pb污染的污染羽分布面积较大，查阅相关历史资料得以证实，这主要是由于该炼铁厂生产期间产生的废料常年堆积于该区域，导致该区域土壤中Pb浓度超标极为严重,同时在地层岩性的变化下，土壤中Pb浓度随着地层深度的增加而减小，其污染羽面积呈逐步减小的趋势(见图4)。
图4 研究区不同深度土壤中Pb污染的空间分布特征
Fig.4 Spatial distribution characteristics of Pb pollution in the different depth of soil of the study area
(4) 土壤Hg污染：研究区土壤Hg污染主要集中在边坡区域与3、4号高炉区域交界处的西南角和5号高炉区域的东南角，土壤Hg污染垂直方向主要集中在人工填土层和第四纪粉质黏土层(见图5)；土壤中Hg浓度最大值为60.40 mg/kg，位于边坡区域与3、4号高炉区域交界处，超标倍数达7.55倍(见表3)；土壤中Hg污染的影响深度最深达5.5 m，5号高炉区域土壤中Hg污染主要呈表层污染，边坡区域和3、4号高炉区域土壤中Hg污染随地层深度的增加，其污染羽面积呈减小的趋势(见图5)。
图5 研究区不同深度土壤中Hg污染的空间分布特征
Fig.5 Spatial distribution characteristics of Hg pollution in the different depths of soil of the study area
(5) 土壤Ni污染：研究区土壤Ni污染水平方向主要集中在5号高炉区域的中部和南部边缘带，土壤Ni污染垂向方向仅集中在深度为2～4 m和4～6 m处；土壤中Ni浓度最大值为741 mg/kg，位于5号高炉区域的南部边缘带(见图6)；但土壤中Ni浓度未呈现出随地层深度的增加而减小的趋势，这主要是因为5号高炉区域的南部边缘带表层堆积了巨厚的建筑拆迁杂填土，原炼铁厂表层土壤被覆盖，导致钻勘取样深度增加。总体而言，研究区土壤Ni污染呈表层污染状态。
图6 研究区土壤中Ni污染的空间分布特征
Fig.6 Spatial distribution characteristics of Ni pollution in the different depths of soil of the study area
综上所述，研究区土壤中重金属浓度超标在空间上呈点状污染分布，根据其污染范围拟合面积、浓度和污染深度，土壤中上述5种重金属的污染程度由低到高排序为：Cd<Ni<Hg<Pb<As(见图2至图7)；研究区土壤重金属污染主要集中分布在边坡区域、3及4号高炉区域和5号高炉区域，这可能与原炼铁厂的生产工艺布置有关；同时，由于地层岩性的可渗透性导致重金属在土壤中富集并发生一定的迁移，从而呈现出局部土壤中重金属浓度严重超标的现象。
图7 研究区不同深度土壤中重金属污染的占比
Fig.7 Proportion of soil heavy metal pollution at different depths
2.2.2 地下水中重金属污染的空间分布特征
研究区地下水中重金属浓度超标点位的空间分布，见图8。
图8 研究区地下水中重金属浓度超标点位的空间分布
Fig.8 Spatial distribution of the points exceeding the standard in the groundwater of the study area
由图8可见，研究区地下水中重金属浓度超标点位主要分布在3、4号高炉区域的中部及北侧，超标类型为地下水As污染，地下水中As浓度最大值为0.11 mg/L。研究区域整体上地下水污染较轻，这可能是因为土壤重金属在下渗过程中发生了一定的氧化还原反应，生成的产物溶解度较低，不易溶解于地下水中[11,22-24]；同时，研究区域一带降雨较为频繁，局部地下水循环较快，不易呈现地下水中各组分的局部富集。
2.3 研究区土壤重金属污染的风险评价
2.3.1 土壤重金属污染负荷指数评价
根据公式(1)～(3)，计算研究区土壤重金属污染负荷指数，对研究区土壤重金属污染状况进行风险评价，结果表明：场地土壤中重金属污染负荷指数变化范围为0.35～52.03，平均值为1.71，区域总体污染负荷指数Pzone=1.05，整体区域土壤重金属污染风险评价结果属于轻微污染。根据评价结果绘制研究区土壤重金属污染负荷指数P的空间分布图，见图9。
图9 研究区土壤重金属污染负荷指数空间分布图
Fig.9 Evaluation results of soil heavy metal pollution load index of the study area
由图9可见，研究区土壤重金属重度污染、中度污染、轻微污染和无污染区域的占比分别为67.23%、2.72%，21.73%和8.32%；从空间分布上看，场地土壤重金属污染区域仍以3、4号高炉区域为中心向外扩展，这与第2.2.1节分析结果一致，从而进一步说明了场地土壤重金属污染与3、4号高炉区域生产工艺有直接关系。
2.3.2 土壤重金属污染潜在生态风险指数评价
根据公式(4),计算研究区土壤重金属污染的潜在生态风险指数，对场地土壤中重金属污染的潜在生态风险进行评价，其计算评价结果见表5。
表5 研究区土壤重金属污染的潜在生态风险指数评价
Table 5 Potential ecological risk index assessment result
of heavy metals in the soils of the study area
由表5可知，研究区土壤中多种重金属的潜在生态风险指数RI平均值=714.16，存在极高的潜在生态风险；研究区土壤中各种重金属的单因子潜在生态危害系数从小到大依次为Ni<Pb<As<Cd<Hg，其中土壤中Hg的潜在生态风险指数远远大于其他重金属元素的潜在生态风险指数最大值，存在极强的潜在生态风险，土壤中Cd的生态风险指数次之，土壤中As、Pb和Ni的生态风险指数最低，为轻微的潜在生态风险。
依据潜在生态风险指数RI值绘制研究区土壤多种重金属污染的潜在生态风险指数空间分布图(见图10)，对比第2.2.1节土壤中重金属污染物的空间分布状况可以发现，研究区土壤重金属污染高、极高潜在生态风险区均集中在3、4号高炉区域附近，表明3、4号高炉区域生产过程中遗留的重金属对场地土壤重金属污染存在明显的潜在生态风险。
图10 研究区土壤多种重金属污染的潜在生态风险 指数空间分布图
Fig.10 Spatial distribution of potential ecological risk index of heavy metals in the soil of the study area
3 结 论
(1) 研究区土壤和地下水中重金属浓度存在一定的超标现象，土壤中重金属浓度超标率由低到高依次排序为Cd<As<Hg<Pb<Ni；土壤中重金属变异系数变化范围为78.14%～596.69%，表明该污染地块土壤中重金属浓度分布不均，局部污染较为严重；研究区地下水中仅存在重金属As浓度超标，超标率为28.57%，属于轻微局部污染。
(2) 研究区土壤重金属污染与原炼铁厂的生产工艺密切相关；地下水中重金属浓度超标率较小，呈现该现象的原因与重金属在土壤中的自身性质和局部地下水自我循环有一定的关系。
(3) 研究区土壤中重金属垂向迁移主要受地层岩性变化的影响较大。总体而言，研究区土壤重金属污染垂向方向主要集中在表层0～2 m处，仅存在个别重金属污染深度较深的现象。
(4) 场地土壤重金属污染风险评价结果显示：研究区土壤重金属污染以轻微污染为主，存在部分中、重度污染区；研究区土壤多种重金属污染的潜在生态风险指数RI平均值=714.16，表明研究区土壤重金属污染存在极高的潜在生态风险。其中3、4号高炉区域生产过程中遗留的重金属废渣是造成该场地土壤重金属污染和极高潜在生态风险的主要原因。
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