喀斯特地貌土壤重金屬污染負(fù)荷評(píng)價(jià)模型研究*

李長(zhǎng)虹 武曉峰,2# 韓京成 郭瀛莉

(1.水科學(xué)與工程研究中心，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院，廣東 深圳 518055；2.水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084)

目前我國(guó)土壤重金屬污染狀況不容樂(lè)觀，尤其是中南和西南地區(qū)喀斯特地貌地區(qū)的礦區(qū)重金屬污染十分嚴(yán)重[1-2]。通過(guò)重金屬污染負(fù)荷評(píng)價(jià)模型可以有效分辨出流域內(nèi)污染負(fù)荷較大的土壤重金屬污染源，為流域內(nèi)優(yōu)先治理此類(lèi)污染源指明方向。機(jī)理模型如SWAT-HM模型[3]在土壤重金屬污染負(fù)荷評(píng)價(jià)上存在模擬精度偏低、評(píng)價(jià)誤差較大的現(xiàn)象。為此，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)始研發(fā)半機(jī)理模型。QIAO等[4]研發(fā)了重金屬橫向遷移模型，但該模型需要用土壤和水評(píng)價(jià)工具計(jì)算小流域的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量，因此在喀斯特地貌地區(qū)建模仍會(huì)存在較大誤差。潛在污染指數(shù)模型(PPI)可以有效避免喀斯特地貌水文模型難以建立、污染物質(zhì)遷移機(jī)理復(fù)雜、水文氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏等問(wèn)題[5-8]。然而，由于PPI的評(píng)價(jià)對(duì)象比較廣泛，并不能完全適用于僅考慮重金屬的喀斯特地貌土壤重金屬污染負(fù)荷評(píng)價(jià)。因此，本研究將對(duì)PPI進(jìn)行改動(dòng)，以期得到適用于評(píng)價(jià)喀斯特地貌土壤重金屬污染負(fù)荷的模型。

1 PPI簡(jiǎn)介

PPI屬于半機(jī)理模型，適用于小流域，側(cè)重于考慮污染源自身的屬性，如空間地理位置、高程、土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型、污染物種類(lèi)等，將污染物由污染源遷移到河流的過(guò)程簡(jiǎn)化為3個(gè)環(huán)節(jié)，分別為污染物的產(chǎn)生、污染物的遷移和污染物的衰減。因此，潛在污染指數(shù)(PI)包含3項(xiàng)，分別用加權(quán)的土地利用指數(shù)(LCI)、徑流指數(shù)(ROI)和距離指數(shù)(DI)來(lái)表征污染物的產(chǎn)生、污染物的遷移和污染物的衰減，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。各項(xiàng)權(quán)重系數(shù)由專家打分得到。

PI=a×LCI+b×ROI+c×DI

(1)

式中：a、b、c分別為土地利用指數(shù)、徑流指數(shù)和距離指數(shù)的權(quán)重系數(shù)，目前比較公認(rèn)的取值分別為4.8、2.6、2.6。

土地利用指數(shù)反映的是污染物的產(chǎn)生，由專家根據(jù)土地利用類(lèi)型進(jìn)行打分，用以評(píng)價(jià)不同土地利用類(lèi)型下的污染物產(chǎn)生能力，分值范圍為[0,1]；徑流指數(shù)反映了土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型和坡度對(duì)污染物遷移可能產(chǎn)生的影響，具體計(jì)算參考文獻(xiàn)[9]，分值范圍為[0,1]；距離指數(shù)反映了污染物在匯入河流過(guò)程中的衰減，分值范圍為[0,1]，采用經(jīng)驗(yàn)公式(見(jiàn)式(2))計(jì)算。

DI=e-0.006 036D

(2)

式中：D為根據(jù)水力路徑計(jì)算出的到河流的實(shí)際坡面距離，以5 m×5 m的柵格數(shù)計(jì)。

2 對(duì)PPI的改進(jìn)

PPI中的土地利用指數(shù)具體到喀斯特地貌土壤重金屬潛在污染負(fù)荷評(píng)價(jià)計(jì)算中顯得過(guò)于寬泛，為了能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)喀斯特地貌土壤重金屬污染源，將PPI中的土地利用指數(shù)替換為更加明確的重金屬指數(shù)(MI)，得到改進(jìn)的PPI(M-PPI)，改進(jìn)的潛在污染指數(shù)(MPI)計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

MPI=a×MI+b×ROI+c×DI

(3)

2.1 引入重金屬指數(shù)

重金屬指數(shù)反映了土壤重金屬污染源在降雨情況下的重金屬產(chǎn)生能力,使用重金屬污染源的浸出濃度代表重金屬的產(chǎn)生,首先根據(jù)式(4)計(jì)算重金屬綜合污染指數(shù)，再根據(jù)式(5)計(jì)算出重金屬指數(shù)。

(4)

(5)

式中：P為重金屬綜合污染指數(shù)；Ci為重金屬i的浸出質(zhì)量濃度；Si為重金屬i的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度；Pmax、Pmin分別為所有污染源中重金屬綜合污染指數(shù)的最大值和最小值。Ci和Si的單位根據(jù)實(shí)際情況而定。

2.2 健康風(fēng)險(xiǎn)理念的引入

由于重金屬種類(lèi)繁多，計(jì)算中若考慮所有能檢測(cè)到的重金屬，既會(huì)造成采樣、檢測(cè)的繁雜，又會(huì)造成時(shí)間與資源的浪費(fèi)，因此選擇幾種主要的重金屬進(jìn)行計(jì)算。

機(jī)理模型在選取主要重金屬時(shí)通常是根據(jù)不同重金屬的流域污染負(fù)荷大小或其土壤全量大小來(lái)確定，而忽略了重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)特性。然而，重金屬污染防治的主要目的之一就是保護(hù)人體健康[10]，而且不同重金屬的健康風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)差別很大。因此，有必要將健康風(fēng)險(xiǎn)理念引入到模型的改進(jìn)中，通過(guò)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)來(lái)確定主要重金屬。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的計(jì)算方法參考《污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2014)[11]。

2.3 權(quán)重系數(shù)的改動(dòng)

專家打分既是PPI的亮點(diǎn)也是不足，該方法雖然避免了當(dāng)前權(quán)重系數(shù)算不準(zhǔn)的問(wèn)題，卻也缺乏機(jī)理性，受專家主觀因素影響較大，因此確定科學(xué)的權(quán)重系數(shù)是M-PPI進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。

在借鑒PPI公認(rèn)的權(quán)重系數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到重金屬在遷移過(guò)程中的難降解性，以及模型在喀斯特地貌土壤的適用性等因素，本研究認(rèn)為重金屬的產(chǎn)生權(quán)重應(yīng)大于其遷移的權(quán)重，遷移的權(quán)重應(yīng)大于衰減的權(quán)重。在經(jīng)過(guò)咨詢多位環(huán)境、水利相關(guān)專家以及喀斯特地貌礦區(qū)治理工作人員的意見(jiàn)后，并出于計(jì)算的方便，最終確定重金屬指數(shù)、徑流指數(shù)和距離指數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別為5、3、2。

2.4 引入潛在污染指數(shù)總量與潛在污染指數(shù)強(qiáng)度

PPI一般只考慮污染物潛在污染指數(shù)的分布。考慮到礦區(qū)的重金屬?gòu)U渣堆存在明顯的堆放界限，因此在得到各廢渣堆重金屬潛在污染指數(shù)后可以利用地理信息系統(tǒng)(GIS)相關(guān)軟件進(jìn)行空間加和計(jì)算各廢渣堆的潛在污染指數(shù)總量(MPIsum)，再根據(jù)各廢渣堆的面積進(jìn)行空間平均計(jì)算各廢渣堆的潛在污染指數(shù)強(qiáng)度(MPIave)，這兩個(gè)指標(biāo)比單純的污染物潛在污染指數(shù)更有意義。

3 M-PPI的應(yīng)用

選取了某喀斯特地貌地區(qū)的小流域作為本研究的應(yīng)用研究對(duì)象，該地區(qū)夏季高溫多雨，比較容易發(fā)生水土流失。同時(shí)，流域內(nèi)存在大量與礦業(yè)相關(guān)的在產(chǎn)或關(guān)閉企業(yè)，有大量重金屬污染源，可以認(rèn)為是國(guó)內(nèi)有代表性的喀斯特地貌土壤重金屬污染地區(qū)。

本研究選取了流域內(nèi)6個(gè)典型的重金屬?gòu)U渣堆(以下簡(jiǎn)稱廢渣堆)進(jìn)行案例應(yīng)用研究。

根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，確定該流域內(nèi)的主要重金屬為As、Cd、Sb，其標(biāo)準(zhǔn)濃度使用《National primary drinking water regulations》(EPA 816-F-09-004)[12]中的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。各廢渣堆的重金屬浸出濃度見(jiàn)表1。根據(jù)表1計(jì)算出各廢渣堆的重金屬指數(shù)。

表1 各廢渣堆的重金屬浸出質(zhì)量濃度

從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)中獲取研究區(qū)域的土地利用類(lèi)型和坡度數(shù)據(jù)，從土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://vdb3.soil.csdb.cn/)獲得流域的土壤類(lèi)型為紅壤土，由此可以得到徑流指數(shù)分布。

從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的數(shù)字高程數(shù)據(jù)中獲取研究區(qū)域的實(shí)際坡面距離，由此得到距離指數(shù)分布。

由重金屬指數(shù)、徑流指數(shù)和距離指數(shù)加權(quán)求和得到6個(gè)廢渣堆改進(jìn)的潛在污染指數(shù)。

各廢渣堆的潛在污染指數(shù)總量與潛在污染指數(shù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1(a)各廢渣堆的潛在污染指數(shù)總量排序來(lái)看，不同廢渣堆的潛在污染指數(shù)總量差別較大，廢渣堆1、廢渣堆5和廢渣堆4的潛在污染指數(shù)總量較大。從圖1(b)各廢渣堆潛在污染指數(shù)強(qiáng)度排序來(lái)看，各廢渣堆的潛在污染指數(shù)強(qiáng)度差異不大。由此說(shuō)明，6個(gè)廢渣堆的潛在污染指數(shù)強(qiáng)度比較接近，潛在污染指數(shù)總量與各廢渣堆的面積有較大關(guān)系。兩個(gè)指數(shù)的信息可以互為補(bǔ)充，在實(shí)際應(yīng)用中，決策者可以根據(jù)具體需要，結(jié)合這兩個(gè)指數(shù)制定合理的治理方案。

4 結(jié) 論

(1) 在PPI的基礎(chǔ)上，將土地利用指數(shù)替換為重金屬指數(shù)，并且重金屬的選擇考慮健康風(fēng)險(xiǎn)，考慮到喀斯特地貌土壤重金屬的產(chǎn)生、遷移和衰減權(quán)重的關(guān)系，對(duì)重金屬指數(shù)、徑流指數(shù)和距離指數(shù)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最后引入潛在污染指數(shù)總量和潛在污染指數(shù)強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)喀斯特地貌礦區(qū)土壤的重金屬污染負(fù)荷，比只考慮污染物潛在污染指數(shù)更加合理。

圖1 潛在污染指數(shù)總量與潛在污染指數(shù)強(qiáng)度Fig.1 Total potential pollution index and potential pollution index intensity

(2) 將M-PPI應(yīng)用于國(guó)內(nèi)典型的土壤重金屬污染地區(qū)(某喀斯特地貌地區(qū)小流域)，發(fā)現(xiàn)6個(gè)廢渣堆的潛在污染指數(shù)總量差別較大，而各廢渣堆的潛在污染指數(shù)強(qiáng)度差異不大。兩個(gè)指數(shù)的信息可以互為補(bǔ)充，在實(shí)際應(yīng)用中，決策者可以根據(jù)具體需要，結(jié)合這兩個(gè)指數(shù)制定合理的治理方案。