汾河沿岸汞的變化規律分析及防治

祁 彧,樊貴盛

(太原理工大學 a.環境科學與工程學院; b.水利科學與工程學院, 太原 030024)

汾河沿岸汞的變化規律分析及防治

祁 彧a,樊貴盛b

(太原理工大學 a.環境科學與工程學院; b.水利科學與工程學院, 太原 030024)

以汾河典型斷面下河床土壤中的汞為研究對象,通過實地測量和實驗室土柱實驗模擬,對汾河沿岸汞的來源和分布狀況進行了研究分析。研究結果表明:重金屬汞多集中在土壤的表層40～100 cm之間;表層土壤汞的主要來源于人為源中的污水灌溉,且汞的污染范圍多在距兩岸150 m的范圍內;汾河深層土壤汞污染主要為長時間河槽向兩岸灘地的遷移積累。文末針對汾河沿岸的汞污染現狀提出了相應的修復方案。

汾河;重金屬;汞污染;分布規律;修復方案

近些年,隨著國民經濟和工農業生產的發展,大量生活和工業廢污水排入河中,致使汾河水質惡化,嚴重影響了沿岸景觀和居民的身心健康,是山西水資源與水生態問題最為典型的流域[1]。因此,該流域水生態系統保護與修復綜合治理方案的實施,與汾河流域的社會發展、沿岸的生態環境和人民生活息息相關。重金屬汞,是唯一在常溫下呈液態并易流動的金屬,汞及其化合物不僅具有較強的生物毒性,被認為是河海岸帶少數受限制的生物機體內一種主要的污染物[2]。可見,研究汾河沿岸重金屬的污染狀況分析及其修復技術具有重要的社會和經濟意義。

目前,相關河流水體及環境中重金屬汞的研究相當普遍,其主要包括以下幾個方面:

1) 土壤重金屬汞的來源、時空分布和污染現狀的研究[3-5];

2) 汞在土壤中吸附和運移方面的研究[6-7];

3) 土壤汞污染對植物的毒害[8-10]；

4) 重金屬汞污染土壤修復技術現狀與趨勢的探討[11]。

上述研究多集中于河流、城市土壤和礦區土壤中汞污染領域,然而,相關河流沿岸土壤尤其汾河沿岸汞污染現狀及其修復技術研究報道較少。筆者以汾河典型斷面下河床土壤中的汞為研究對象,對汾河沿岸重金屬汞的分布狀況進行了實地測量和實驗室模擬,進一步分析了重金屬汞沿汾河沿岸的分布規律和影響因素,并針對汾河沿岸汞的污染現狀提出了相應的修復方案,為汾河河道的治理和水土修復提供了理論和技術支撐。

1 現場測量

1.1 典型斷面的選擇

汾河干流全長為694 km,基于河流特征,汾河可分為上中下游三段:太原蘭村以上為上游、蘭村至洪洞石灘為中游、中游斷面以下至萬榮縣廟前村入黃河口為下游[12]。依據汾河干流各監測斷面的歷史監測結果,汾河中游段及下游段水質污染情況較為嚴重,因此本文選取汾河干流的太原市清徐貫家堡和臨汾市堯都區斷面河床土壤作為現場采樣點,采樣點均為汾河主河道的主要控制點,基本能反映汞在汾河中游及下游灘地土壤中的分布規律。清徐地區土壤汞背景值約為0.08 mg/kg,,臨汾地區約為0.04 mg/kg[13]。

1.2 土壤理化性質分析

典型斷面土壤的理化指標如表1所示。

表1 典型斷面土壤的理化性狀指標

1.3 采樣方法

以清徐典型汾河斷面為例,其主要采樣位置分布見圖1所示,其中,此以河床臨水邊界為起點(記為0 m),向河道一側灘地范圍內延伸,每隔30 m取一處采樣點,記為30，60，90，120，150 m。縱向分布以地下水位線為基準,記為垂直方向的起始點(0 cm),向上或向下每隔40 cm取一次土樣,即,向下依次為0～40，40～80，80～120，…，360～400 cm,向上依次為0～(-40)，(-40)～(-80) cm，…的層次分層采集實驗室中的試驗土樣。

圖1 典型斷面取土剖面分層及采樣位置分布示意圖

1.4 數據測量

首先,將采集回的土樣平鋪于潔凈的紙上,按壓成碎塊,放于實驗室內陰涼通風處自行風干;其次,采用0.149 mm的孔徑尼龍篩對自然風干的土樣篩濾,并制成滿足分析要求的土壤樣品,將其裝于樣品袋中;最后,將所制的土樣移交太原市土壤肥料測試中心進行測量。

2 結果討論與分析

2.1 重金屬汞沿橫斷面的垂向分布

圖2為清徐和臨汾臨水處取樣點1重金屬汞沿橫斷面垂直分布的測量結果,分別見圖2-a和2-b。由圖2中的測量結果可知:

1) 兩地的重金屬汞在土壤中0～300 cm范圍內分布極不穩定,隨著土壤深度的增加,汞含量呈下降趨勢,深度達到400 cm后,汞的含量逐漸趨于穩定;

2) 重金屬汞主要分布于土壤的表層40～100 cm之間。

2-a 清徐橫斷面

2-b 臨汾臨水處

圖2-a和2-b對比可知,臨汾取樣點1的重金屬汞的含量明顯高于清徐,其中,汞在土壤100 cm附近的質量分數最大,這是由于洪水上灘或農民取用污染水進行灌溉,使得重金屬汞隨著水分進入土壤中,而臨汾的土壤多是中堿性土壤,導致進入土壤中的汞易與土壤組分發生吸附、絡合、沉淀反應,形成穩定性不同的形態而集中在表層[14]。

2.2 重金屬汞沿水平方向的分布規律

2.2.1灘地表層汞的水平分布

圖3為清徐和臨汾段汾河沿岸表層土壤中不同取樣點汞含量的水平分布圖,分別見圖3-a和3-b。由圖3總體數據可看出,隨著離汾河主干道水平距離增加,土壤表面汞含量呈現不規則分布,臨汾表層土壤在取樣點2(即距河床臨水邊界30 m)處汞的質量分數最高,其值為0.5 mg/kg,其附近污染也較為嚴重,而清徐表層土壤距河床臨水邊界的60～150 m之間汞的質量分數較高。以上測試結果表明,兩地距河床臨水邊界0～150 m的水平距離范圍內表層土壤的汞的質量分數均已超過山西省土壤中汞的背景值。

3-a 清徐

3-b 臨汾

研究發現,汾河兩岸重金屬汞的來源主要有三方面:其一,汾河兩岸灘地的灌溉長年采用汾河水,汾河水中重金屬元素會在土壤中富集和分散,污染表層的耕作區土壤[15];其二,重金屬汞作為土壤的溶質,從汾河水中向兩岸灘地遷移;其三,大氣中的重金屬通過長時間的沉降,積累在土壤表層。根據分子擴散理論,溶質在土壤中會從濃度高的地方向濃度低的地方擴散,即汞離子會從汾河向灘地擴散,并呈降低趨勢。然而,臨汾和清徐的兩岸灘地30～150 m的范圍內土壤表面汞離子卻高于0 m處,這充分說明此兩處區域的土壤表層汞污染物主要來源于汾河水灌溉耕地,其汾河水中汞的自身遷移影響較小。

2.2.2灘地深層汞的水平分布

圖4為清徐和臨汾灘地深層(以地下水位320～360 cm為例)土壤中汞含量的水平分布圖。由圖可以看出土壤深層汞含量隨著離汾河主干道水平距離的增加而降低。由圖4-b可知,臨汾地區河床臨水邊界的0～60 m之間的灘地深層土壤汞含量超出山西省土壤中汞的背景值,與清徐地區相應取樣點的數據差距很小。圖4-a顯示清徐地區臨水邊界的60～150 m之間的灘地深層土壤汞含量較高,與當地汾河臨水處相當,并超出山西省土壤中汞的背景值。這主要來自于該層土壤位于地下水位320～360 cm,來自表層的污水灌溉和大氣沉降的汞經過土壤的吸附、絡合和沉淀作用,大多富集在土壤的表層,很難遷移到這里。該層處于飽和狀態,其中的汞主要由于汾河水的橫向遷移,即通過溶質的對流作用、擴散作用和機械彌散作用遷移。

4-a 清徐

4-b 臨汾灘地

3 土柱實驗

3.1 實驗介紹

實驗室土柱實驗所用設備為自制的室內土壤水分入滲裝置。滲流裝置由供水系統(馬氏桶)和滲流土柱(包括供水室、入滲柱、排水室三部分)組成。所采用的樣品取自山西省汾河干流的太原市清徐貫家堡和臨汾市堯都區斷面河床土壤,采樣點均為汾河主河道的主要控制點,基本能反映汞在汾河中游及下游河床土壤中的分布規律。所有實驗用水均取自汾河小店橋河道原樣污水。

3.2 實驗結果與分析

圖5-a和5-b分別為清徐和臨汾土柱入滲達到飽和一定時間后土壤中汞的含量變化。由圖中曲線可以看出,清徐和臨汾土壤中汞含量的總體分布規律一致,均呈現出波浪形分布,75 cm的汞的質量分數值均大于0.1 mg/kg,而且清徐取樣點的汞的質量分數略高于相應的臨汾取樣點,并在10～75 cm間出現明顯的波動,汞在75 cm以下均呈下降趨勢,并趨于穩定。

5-a 清徐

5-b 臨汾

4 汞污染的治理

Huckabee等人[16]的研究指出,不同的植物類型對汞的吸收富集程度不同。其中草本植物明顯地高于木本植物。張磊等人[17]通過對城市不同功能區的植物(柏樹、落葉松、法桐、黃楊、冬青)體內汞含量的測定,結果表明不同的植物對汞的吸收累積能力不同,其中冬青和黃楊對汞的吸收累積能力較高。鄭冬梅等[18]通過對五里河沿岸一些常見的草本植物進行研究,結果表明水蓼對汞具有很強的轉移能力,可選做植物提取方式的污染土壤修復。根據實地測量結果可以看出清徐和臨汾地區兩岸灘地150 m范圍內土壤表層汞含量均超過山西土壤背景值,因此可采取以下措施：

1) 可在兩岸建立150 m寬的緩沖帶,并在緩沖帶內施加氮、磷、鉀肥以提高土壤肥力。施加適當的石灰以調整土壤pH值。

2) 分別在兩岸緩沖帶內種植超積累植物黃楊和水蓼。

3) 增施葉肥。該方法是以植物提取為中心以施肥施加石灰等措施為輔助，從而實現了植物、化學、工程等措施的有機結合。

5 結論

1) 汾河流域兩岸重金屬汞沿橫斷面垂直分布的測量結果表明,重金屬汞多集中在土壤的表層40～100 cm之間。

2) 汾河灘地表層土壤中的汞主要來源于人為源中的污水灌溉的不合理,其中后者為主要影響因素,而汾河水中汞的遷移影響較小,且汞的污染范圍多在距兩岸150 m的范圍內。

3) 汾河深層土壤汞污染主要為長時間河槽向兩岸灘地的遷移積累,而受污水灌溉影響較小。

4) 根據汾河的污染現狀以及實地調查,提出了汾河沿岸汞的修復宜采用生態修復,以植物修復為主,化學強化、生物強化和酶學強化為輔的聯合修復,對重金屬汞污染修復的同時提高汾河周圍的空氣環境質量,這對山西省的汾河流域治理、綠色經濟發展、社會環保效益等具有重要的意義。

[1] 趙崇.汾河流域水生態系統保護與修復綜合治理探析[J].山西水利,2012,6: 9-10.

[2] 陳豫,張飲江,郭軍輝,等.膠州灣水體重金屬汞的分布和季節變化[J].海洋開發與管理,2013,6: 81-83.

[3] 解文艷,樊貴盛,周懷平,等.太原市污灌區土壤重金屬污染現狀評價[J].農業環境科學學報,2011(8): 1553-1560.

[4] 劉勇,張紅,尹京苑.汾河太原段土壤中Hg、Cr空間分布與污染評價[J].農業工程學報,2008,24(05): 57-60.

[5] 白增森,吳家華,董云中,等.汾河流域土壤重金屬垂直分布規律及地域差異[J].農業環境與發展,1997,54(04): 12-17.

[6] 戴智慧,馮新斌,張超,等.萬山汞礦區表層土壤汞遷移[J].生態學雜志,2012,31(8): 2103-2111.

[7] 王亞平,潘小菲,岑況,等.汞和鎘在土壤中的吸附和運移研究進展[J].巖礦測試,2003,22(4): 277-283.

[8] 施國新,杜開和,解凱彬,等.汞、鎘污染對黑藻葉細胞傷害的超微結構研究[J].植物學報,2000,42(4): 373-378.

[9] 孫春燕,石學根,魏幼璋,等.汞污染對植物品質指標的影響[J].浙江大學學報(工學版),2007,41(12): 2087-2092.

[10] Stobart A K, Griffths W T, Bukhari I A, et al. The effects of Cd2+on the biosynthesis of chlorophyll in leaves of barley [J]. Physiol Plants, 1985, 63: 293-298.

[11] 駱永明.污染土壤修復技術研究現狀與趨勢[J].化學進展,2009,Z1: 558-565.

[12] 李英明,潘軍峰. 山西河流[M].北京:科學出版史,2004: 25-28.

[13] 吳淑岱. 中華人民共和國土壤環境背景值圖集[M].北京：中國環境科學出版社，1994:132.

[14] 朱小翠,青長樂,皮廣潔.土壤汞形態及其影響因素的研究[J].土壤學報,1996(1): 94-100.

[15] 陳牧霞,地里拜爾·蘇力坦,王吉德.污水灌溉重金屬污染研究進展[J].干旱地區農業研究,2006(2): 200-204.

[16] Huchabee J W, Diza F Sanz, Janzen S A, et al. Solomon Distribution of Mercury in Vegetation at Almaden [J]. Environ Pollut, 1983, 30: 211-224.

[17] 張磊,張磊,周震峰. 青島市不同功能區常見綠化植物及土壤汞污染特征[J].生態環境,2008(2): 802-806.

[18] 鄭冬梅,孫麗娜,張秀武,等.化工污染河流沿岸植物對砷、汞的累積作用比較[J].生態環境學報,2009(3): 851-855.

(編輯：賈麗紅)

VariationRegulationandTreatmentsofHeavyMetalMercuryinFenheRiver

QIYua,FANGuishengb

(a.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China；b.CollegeofWaterResourcesScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The mercury content of riverbed soil in the representative emblematic section of Fenhe river basin was investigated via the field measurements and laboratory column experiments. The main source and distribution regularity of mercury were searched and analyzed. The obtained results show that the heavy metal mercury is typically found in topsoil between 40 cm and 100 cm, which comes mainly from the anthropogenic sewage irrigation and contaminates the topsoil within the range of 150 m away from the river. The mercury in the deeper soil is mainly derived from the long-term migration from the river channel into floodplain. Finally, the situation of mercury pollution in the Fenhe river basin was summarized and the corresponding treatment countermeasures were put forward.

Fenhe river;heavy metal;mercury pollutant;distribution regularity;treatment countermeasures

2013-07-02

山西省河道管護服務總站資助(2010-11)

祁彧(1980-)，男，太原人，博士研究生，主要從事污染控制與土壤中污染物遷移、修復等方面的研究，(Tel)18635140503

樊貴盛,男,教授,博士生導師,(E-mail)fanguis5507@263.net

1007-9432(2014)01-0102-04

X53

:A