工业污染场地重金属的垂向分布及影响因素 ——以株洲霞湾港为例

摘要：明确工业污染场地土壤中重金属的分布和影响因素，对场地的环境治理等有重大意义。株洲霞湾港地区由地表向下为人工杂填土、粉质黏土、粉细砂、砂砾石层。As在杂填土、粉黏土、粉细砂中以残渣态为主(55% ～65%);Cd以碳酸盐结合态为主(40% ～70%);Pb以残渣态、铁锰结合态为主(66% ～85%)。杂填土中的活动态As、Cd、Pb含量百分比大于粉黏土、粉细砂。重金属含量为杂填土＞粉黏土＞粉细砂≈砂砾石层。地表重金属污水只污染了杂填土层，未向下迁移。控制重金属分布的因素为:①杂填土中的高岭石等使外源重金属被吸附、固化;②粉黏土上层pH为7.2～8.2，阻碍了重金属的向下迁移;③地表污水排泄通畅，粉质黏土作为隔水层阻碍了地表污水的向下渗滤。

关键词 污染场地 重金属 垂向分布 影响因素 株洲

土壤重金属污染是一个重要的热点问题。随着我国快速城镇化、工业化，大量重金属(Cu、Zn、Ni、Cr、Pb、Cd、As、Hg 等元素)被排出。重金属通过污水灌溉、大气降尘、固体废弃物(污泥和垃圾等)等途径进入土壤，导致土地质量下降。土壤重金属污染不但影响土壤自身的理化性质，还影响作物的产量与品质，对大气和水环境质量造成影响，并可通过食物链对动物和人体产生危害。明确污染场地土壤中重金属的分布及影响因素，对污染场地的环境治理等有重大的意义。现以株洲清水塘工业区霞湾港为例，研究了霞湾港内土壤中重金属的垂直分布特点，并从土壤自身性质、pH条件、水文地质环境等方面探讨了影响污染场地重金属分布的因素。

重金属污染被媒体比喻为比血吸虫病更为严重的沉疴之痛，湘江流域是我国重金属污染比较严重的地区。株洲市的重金属污染在湘江流域最为严重。株洲市是我国南方典型的老工业基地，经过多年的发展，形成了以有色金属冶炼及深加工、交通装备制造、化工产业、农副产品加工、陶瓷和纺织服装制造六大产业集群为支柱的工业体系。其工业区主要集中在清水塘地区。

清水塘工业区内有株洲市冶炼集团、株洲环美、株洲市霞湾建材公司、海利株洲精细化工公司、东风冶炼厂、天地混凝土株洲分公司以及天成化工等一批冶炼厂、化工厂(图1)。工业区内的相关企业排出的工业污水含有大量的重金属。霞湾港是上述工厂工业污水排污到湘江的必经之路。据国土资源部公益性行业科研专项经费项目《长株潭有色工业区重金属污染场地修复生态地球化学技术与示范》的调查数据显示，霞湾港排污沟渠水的As、Cd、Pb、Cu含量均超过了三级水质量标准，分别超标130倍(As)、1 990 倍(Cd)、59.8 倍(Pb)、2.97 倍(Cu)。受此影响，霞湾港土壤污染严重。

霞湾港外围主要出露冷家溪群小木坪组(Ptxz)、板溪群横路冲组(Pthlz)和砂坪组(Ptsz)、白垩系戴家坪组泥灰岩段(Kdnd)岩层，透水性较差，大气降水少部分沿岩石裂隙、孔隙渗入地下，多沿地表流入地势低的沟溪，排到湘江。研究区污水总体上向湘江排泄，成为湘江的主要污染源。霞湾港地下水与湘江水为互相补给。地下水径流方向总体上自北向南运移汇入湘江。

1 样品采集与处理

在霞湾港设置5个水文地质钻孔(ZK369、ZK370、ZK371、ZK372、ZK373)(图 2)，钻孔均打到基岩(泥质砂岩)。分别对5个钻孔进行水文地质编录。在每个钻孔岩芯的不同层位采集1～3个土壤样品。其中ZK373孔为加密采样孔，即距地表(0～3)m范围内每隔10 cm采集一件土壤样品并测pH，(3～15)m范围内每隔0.5 m采集一件土壤样品。每件样品野外采样重量均大于1 000 g，干燥加工后每个样品重量均大于600 g。除去杂草、岩石碎屑、落叶、植物根系、肥料团块等杂物，清除与采样工具接触的土壤。

土壤重金属总量分析、相态分析分别采用《岩石矿物分析》(DZG20.01—1991)、《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》(DD2005—03)中所规定的相关方法，主要分析仪器为X Series 2 ICPMS、AFS—830型原子荧光光度计。测试环境温度25℃，湿度65%。测试单位为国土资源部长沙矿产资源监督检测中心。不同土壤层位的重金属含量见表1;Cd、As、Pb元素相态分析结果见表2。

图1 研究区位置

Fig.1 Location of the study area

图2 钻孔位置

Fig.2 Drilling position

2 讨论

2.1 研究区土壤分层特点

ZK369～ZK373钻孔显示霞湾港地区由地表向下至基岩可以分为人工杂填土、粉质黏土、粉细砂、砂砾石层。粉质黏土层为隔水层，粉细砂、砂砾石层为含水层。各层特点如下。

①人工杂填土:暗灰褐色，湿－潮湿，松散状，含碎砖块、煤渣、塑料垃圾等，厚(0.3 ～0.9)m。

②粉质黏土:黄褐色，土质均匀细腻;上部为杂填土淋滤沉积层，含少量铁锰质结核;底部含粉细沙，含量随深度增大而增加;该层为隔水层;厚度(7.5 ～13.0)m。

③粉细沙:粉细沙为黄褐色，含20% ～40%的黏质土，粒径大小均匀，饱和，含第四系孔隙水，厚度(0.8 ～1.6)m。

④砂砾石层:砂砾石层为灰黑色，砾石含量20% ～40%，粒径 ＜4 mm，分选差，为砂岩、石英，饱和，含第四系孔隙水，两层总厚度(1.6～5.6)m。

基岩为白垩系戴家坪组泥灰岩夹泥质砂岩，紫红色，中风化，厚层。泥质含量较高，裂隙不发育，岩芯较完整，多呈短柱状，少量长柱状，局部有石英脉，全充填，透水性差。

2.2 重金属在土壤中的相态

霞湾港最主要为Cd、As、Pb污染，故研究分析了Cd、As、Pb元素在不同钻孔中的杂填土、粉黏土、粉细砂中的相态。Cd、As、Pb元素不同相态含量见表2。As元素在杂填土、粉黏土、粉细砂中均以残渣态为主，约占As总量的55%～65%;其次以腐殖酸态、铁锰结核态存在。水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态等活动态所占的比例较低，为As总量的4% ～9%。杂填土中的As水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态等活动态的As元素略高于粉黏土和粉细砂。

Cd元素在杂填土、粉黏土、粉细砂中以碳酸盐结合态为主，占Cd总量的40% ～70%;其次以腐殖酸态、铁锰结核态、残渣态存在。水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态等活动态的Cd元素含量为杂填土(45%～70%)＞粉黏土(40%)＞粉细砂(37% ～40%)。

Pb元素在杂填土、粉黏土、粉细砂中以残渣态、铁锰结合态为主，二者占Pb总量的66% ～85%;其次以碳酸盐结合态、腐殖酸态存在。水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态等活动态的Pb元素含量为杂填土(11% ～17%)＞细砂(10%)＞粉黏土(2%)。

上述分析显示，杂填土中的As、Cd、Pb元素的活动态含量百分比大于粉黏土、粉细砂，表明与粉黏土、粉细砂相比，杂填土中的重金属危害性更大，受到了更多的外源性重金属污染。

2.2 重金属在土壤中的分布

各钻孔不同层位的重金属含量见表1。As、Cr、Cu、Ni、Pb、Cd的含量总体上体现为由地表的杂填土层向下逐渐减少的特点，杂填土的重金属含量最高，其次为粉质黏土、粉细砂和砂砾石层(表3)。

杂填土中的重金属含量远高于粉质黏土。杂填土中的 Cd 平均含量为 8.22 mg/kg，As为 41.69 mg/kg，Cr为42.55 mg/kg，Cu 为39.24 mg/kg，Ni为26.10 mg/kg，Pb 为 94.78 mg/kg，分别是粉质黏土的5.2 倍、2.2 倍、1.3 倍、1.7 倍、1.2 倍、3.0 倍。

表1 不同层位的重金属含量/(mg·kg－1)

Table 1 Content of heavy met al in different layers/(mg·kg－1)