通訊作者
：
薛生國 教授
第一作者：
曾嘉慶 博士
通訊單位：
冶金與環(huán)境學(xué)院
/
國家重金污染防治工程技術(shù)研究中心，中南大學(xué)
近日，中南大學(xué)薛生國教授團(tuán)隊(duì)在
Chemical Engineering
Journal
上發(fā)表了題為
“
Heterogeneous distributions of
heavy metals in the soil-groundwater system empowers the knowledge of the
pollution migration at a smelting site
”
的研究論文
(https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140307)
，基于高密度土壤
-
地下水污染數(shù)據(jù)與水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)梳理，從重金屬總量和賦存形態(tài)變化兩方面，闡明了某冶煉場地土壤
-
地下水重金屬的異質(zhì)性分布特征，發(fā)現(xiàn)污染物的外源輸入和復(fù)雜的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是影響重金屬遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。重金屬在地下非飽和帶通過多相傳輸和重力作用引起的垂向遷移為主，而在飽和含水層的遷移模式則以地下水流動(dòng)引起的溶質(zhì)運(yùn)移為主。研究成果闡明了有色冶煉場地土壤
-
地下水系統(tǒng)重金屬的遷移行為和擴(kuò)散模式，有助于揭示有色冶煉場地的重金屬賦存與分配規(guī)律，為開展污染場地的重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控和土壤
-
地下水協(xié)同修復(fù)提供理論支撐和實(shí)踐參考。
有色金屬采選冶煉活動(dòng)引起的重金屬污染是世界各國面臨的重大環(huán)境問題。污染物首先進(jìn)入土壤，逐漸遷移至地下水，進(jìn)一步擴(kuò)散到周圍環(huán)境，嚴(yán)重影響公眾身心健康。
2014
年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，重污染企業(yè)用地監(jiān)測點(diǎn)位超標(biāo)率
36.3%
，工業(yè)廢棄地點(diǎn)位超標(biāo)率
34.9%
，金屬冶煉加工區(qū)超標(biāo)問題突出， 有色冶金行業(yè)尤為嚴(yán)重。
2016
年國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，
2019
年《中華人民共和國土壤污染防治法》正式施行，要求重點(diǎn)監(jiān)管有色金屬采選冶煉行業(yè)，加強(qiáng)土壤污染防治，保障公眾健康，推動(dòng)土壤資源永續(xù)利用，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。
2019
年發(fā)布的《地下水污染防治實(shí)施方案》明確提出要嚴(yán)控有色金屬冶煉等行業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)控地下水污染源，遏制地下水污染加劇趨勢。
明確重金屬在環(huán)境中的遷移擴(kuò)散規(guī)律是制定針對性的污染控制措施的基礎(chǔ)。有色冶煉活動(dòng)排放的重金屬與土壤介質(zhì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物界面反應(yīng)，通過擴(kuò)散、淋溶、地表水與地下水間相互作用進(jìn)入地下水。重金屬與載體間反應(yīng)類型和過程的不確定性、地下環(huán)境中“固
/
液
/
氣”多相傳輸?shù)膹?fù)雜性、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度離散性阻礙了對土壤
-
地下水中重金屬賦存行為和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的準(zhǔn)確預(yù)測。論文從系統(tǒng)化角度出發(fā)，兼顧重金屬總量和賦存形態(tài)變化，探討污染物在冶煉場地環(huán)境的遷移擴(kuò)散規(guī)律，以期實(shí)現(xiàn)：（
1
）闡明污染場地的重金屬異質(zhì)性分布特征，揭示污染物在包氣帶和飽和含水層的遷移規(guī)律；（
2
）評(píng)估復(fù)雜場地條件下的重金屬遷移潛力及其地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；（
3
）篩選冶煉場地土壤
-
地下水重金屬遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵影響因素。研究成果是中南地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下重金屬遷移模式的系統(tǒng)思考，對有色金屬冶煉場地環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)管控和土壤
-
地下水協(xié)同修復(fù)技術(shù)研發(fā)具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。
冶煉
場地高密度的土壤
-
地下水取樣
圖
1
：冶煉場地樣點(diǎn)布設(shè)及區(qū)域水文地質(zhì)狀況
圖
2
：地下水長期監(jiān)測及區(qū)域降雨量變化
結(jié)合原冶煉生產(chǎn)工藝，將研究地塊分為物料堆存區(qū)、焙燒爐區(qū)、熔煉鑄錠區(qū)，按照
10m×10m
網(wǎng)格，布設(shè)土壤點(diǎn)位
93
個(gè)、地下水監(jiān)測井
14
口，
2021
年
3-7
月，定期開展地下水位監(jiān)測。區(qū)域地層一般由雜填土、素填土、淤泥質(zhì)粘土、砂礫石層和泥質(zhì)粉砂巖等組成，其中黏土層（
K
: 4.05 × 10
-5
cm/s
）和底部風(fēng)化基巖層（
K
: 4.79 × 10
-5
cm/s
）質(zhì)地緊密。地下水以非承壓水為主，填土層以包氣帶水為主，接受降雨、地表徑流與原有廠房排水補(bǔ)給。砂礫石層以潛水為主，接受大氣降水和地下水側(cè)向補(bǔ)給。
重金屬遷移分布的水文地質(zhì)參數(shù)量化與模型構(gòu)建
圖
3
：地下水流向與含水層模型
以地下水位為界，將鉆孔巖心樣品分為兩類，地下水位線以上的土壤為包氣帶樣品（雜填土頂層樣品），地下水位線以下的土壤為含水層樣品（砂礫石層底部、風(fēng)化基巖頂部樣品）。通過空間分析發(fā)現(xiàn)，
非飽和帶垂向優(yōu)先流
：地下水中重金屬分布模式與頂層土壤高度重合，表明污染物在包氣帶的遷移是一個(gè)多成分、多相態(tài)的滲流過程。冶煉活動(dòng)釋放的重金屬首先污染了表土，然后通過多相傳輸和重力作用被浸出并向下遷移，所以污染物的垂直傳輸在該區(qū)域占主導(dǎo)地位。
飽和含水層水力作用
：在最深的土壤層中，污染分布模式與上面兩層有較大差異。污染物進(jìn)入地下飽和含水層后，其遷移模式發(fā)生變化。污染物主要以其離子態(tài)或可溶態(tài)存在于地下水，并通過對流或擴(kuò)散隨地下水遷移。
冶煉場地
土壤
-
地下水的重金屬異質(zhì)性分布與擴(kuò)散
圖
4
：冶煉場地土壤—地下水重金屬的異質(zhì)性特征
圖
5
：土壤地下水中重金屬分布與擴(kuò)散的模擬
通過整合水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤和地下水重金屬數(shù)據(jù)以及地下水流場數(shù)據(jù)，模擬研究土壤
-
地下水系統(tǒng)中重金屬的分布和擴(kuò)散情況，直接獲取整個(gè)系統(tǒng)中重金屬的污染量。污染量的排序?yàn)?Cd
（
55.8%
）
>As
（
52.1%
）
>Pb
（
30.9%
）
>Zn
（
27.5%
）。此外，該模型還可以輔助理解污染物的遷移模式。在非飽和帶（地下水面以上，圖
5
），四種重金屬均呈現(xiàn)出地表垂直向下遷移的模式；而飽和帶（地下水面以下）未見類似模式。
冶煉場地
土壤
-
地下水的重金屬賦存形態(tài)
圖
6
：土壤
-
地下水重金屬賦存形態(tài)變化（
AA
,
剖面）
土壤
As
以殘?jiān)鼞B(tài)為主（
>80%
），通常存在于形成土壤顆?；|(zhì)的
Alamino-Silicate
礦物中；
Pb
殘?jiān)鼞B(tài)（
~49%
）以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（
~20%
）為主，
Cd
主要為碳酸鹽結(jié)合態(tài)（
~38%
）和可交換態(tài)（
~22%
），
Zn
可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)分別占
14%
和
21%
。
Cd
和
Zn
的高活性組分（
F1
和
F2
）隨著深度增加而減少，可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)組分較低。重金屬的潛在流動(dòng)性：
Cd
（
52.6%
）
>Zn
（
32.2%
）
>Pb
（
22.5%
）
>As
（
3.7%
）。
土壤
-
地下水重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響因素
圖
7
：土壤
-
地下水重金屬賦存形態(tài)與影響因素的相關(guān)性
選擇水文地質(zhì)特征（地下水流累積量和土層類型）、土壤理化性質(zhì)（
pH
和
Eh
）、冶煉活動(dòng)類型等
6
個(gè)因素，通過相關(guān)性分析解釋重金屬的遷移模式。冶煉場地土壤
-
地下水系統(tǒng)呈現(xiàn)出中性至堿性（
6.4-11.4
）、輕度氧化至強(qiáng)還原性條件（
-224
至
171 mV
），這有利于重金屬向穩(wěn)定態(tài)過渡。重金屬的高流動(dòng)性部分易受到地下水流場的影響，可交換態(tài)含量均與地下水流呈顯著正相關(guān)（圖
7
）。
土壤中可交換組分與地下水重金屬的相互作用模型
圖
8
：可交換態(tài)重金屬與地下水污染羽的關(guān)系
重金屬可交換態(tài)含量與地下水中的濃度呈顯著正相關(guān)，
Cd
、
Zn
、
Pb
的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)
0.99
、
0.96
、
0.993
?？山粨Q態(tài)重金屬主要通過靜電作用吸附在土壤顆粒表面，流動(dòng)性較強(qiáng)，易進(jìn)入地下水環(huán)境，我們建立的土壤可交換組分和地下水重金屬的相互作用模型可以佐證（圖
8
）。土壤中可交換重金屬的分布與地下水污染羽流有很大的重疊區(qū)域，重疊區(qū)域大小排序?yàn)?Cd > Zn > Pb > As
，這一趨勢與前文討論的重金屬遷移潛力一致。土壤中的可交換態(tài)重金屬最容易釋放到地下水中，并在徑向遷移中發(fā)揮重要作用，這是地下水污染形成的主要原因。
小結(jié)
本研究基于高精度的有色冶煉場地污染與水文地質(zhì)調(diào)查，以三維表征和數(shù)值模擬為有效工具，全面挖掘場地多源環(huán)境信息
，發(fā)現(xiàn)污染物的外源輸入和復(fù)雜的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是控制重金屬遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。重金屬在地下非飽和帶通過多相傳輸和重力作用引起的垂向遷移為主，而在飽和含水層的遷移模式則以地下水流動(dòng)引起的溶質(zhì)運(yùn)移為主。研究成果有助于揭示有色冶煉場地的重金屬賦存與分配規(guī)律，為開展污染場地的重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控和土壤
-
地下水協(xié)同修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
本論文得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（
2019YFC1803600
）、湖南省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（
CX20210203
）和中南大學(xué)研究生自主探索創(chuàng)新項(xiàng)目（
2021zzts0121
）的資助。
通訊作者：薛生國
中南大學(xué)二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師，中國生態(tài)學(xué)會(huì)污染生態(tài)專業(yè)委員會(huì)副主任、中國硅酸鹽學(xué)會(huì)冶金渣專業(yè)委員會(huì)副主任、中國土壤學(xué)會(huì)土壤環(huán)境專業(yè)委員會(huì)委員、中國環(huán)境學(xué)會(huì)重金屬污染防治專業(yè)委員會(huì)委員。
研究方向
：主要從事污染場地土水協(xié)同修復(fù)、工業(yè)固體廢物生態(tài)處置、重金屬污染環(huán)境修復(fù)、環(huán)境突發(fā)事件應(yīng)急管理等研究。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家環(huán)保行業(yè)科研專項(xiàng)等
20
余項(xiàng)。以第一或通訊作者在
Chemical Engineering Journal
、
Journal of Hazardous Materials
、
Journal of
Cleaner Production
、
Environmental Pollution
、《環(huán)境科學(xué)》《生態(tài)學(xué)報(bào)》《土壤學(xué)報(bào)》等發(fā)表高水平論文
130
余篇，其中
ESI 1%
論文
15
篇、
ESI
熱點(diǎn)論文
6
篇。主編專著
4
部，授權(quán)國家發(fā)明專利
15
件。
課題組主頁：
http://faculty.csu.edu.cn/xueshengguo/zh_CN/index.htm
第一作者：
曾嘉慶，男，博士研究生，研究方向?yàn)橛猩睙拡龅赝寥?-
地下水污染精細(xì)刻畫與修復(fù)，以第一作者在
Chemical Engineering Journal
、
Journal of
Hazardous Materials
、
Journal of Environmental Science
、《中國有色金屬學(xué)報(bào)》等發(fā)表論文
5
篇，主持湖南省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目
1
項(xiàng)、中南大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目
1
項(xiàng)，參編專著
1
部。
