城郊土水界面污染流污染特征、空間分布及其生態(tài)風險.pdf

1、源于污染土壤的土水界面污染流是非點源污染發(fā)生的一種特殊形式，其是在降雨或溶雪等沖刷作用下，土壤中的污染物通過擴散、彌散、解吸、解離等化學反應和多種作用過程進入地表徑流中，最終形成攜帶著包括重金屬、持久性有機污染物以及N、P營養(yǎng)元素在內的多種污染物的一種特殊污染流體。城市郊區(qū)是介于城市與鄉(xiāng)村的交錯、過渡地帶，具有農業(yè)生產化程度高，土地利用結構復雜，受城市城市化、工業(yè)化發(fā)展和鄉(xiāng)村多重影響等特點，且受人類高強度活動的干擾和改造，是區(qū)域響應最為

2、敏感的地帶。本文以我國北方重要工業(yè)城市天津市郊西青區(qū)為典型研究區(qū)，通過資料收集、大規(guī)模野外定點采樣和試驗分析，將常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與數(shù)據(jù)挖掘技術相結合，深入系統(tǒng)地分析了研究區(qū)土水界面污染流重金屬和多環(huán)芳烴等污染物污染特征、分布規(guī)律及其污染來源。以地統(tǒng)計學的理論與方法為基礎，對重金屬和多環(huán)芳烴的空間變異和分布規(guī)律進行了研究，構建了基于Monte-Carlo模型的土水界面污染流的生態(tài)風險評價方法，并對其生態(tài)風險進行了評價。主要研究結論如下：

3、>　　 (1)通過大規(guī)模的系統(tǒng)取樣調查和分析，揭示了研究區(qū)土水界面污染流重金屬及多環(huán)芳烴等污染物的污染特征。統(tǒng)計分析結果顯示：
　　 Cr、Ni、Cd、Zn等四項重金屬服從對數(shù)正態(tài)分布，Cu、As、Pb等三項重金屬為偏態(tài)分布。重金屬變異系數(shù)普遍較高，表明重金屬數(shù)據(jù)離散程度較大，各監(jiān)測點污染流重金屬含量的差異性較大。除As外，重金屬之間具有顯著相關性：主成分分析結果顯示研究區(qū)土水界面污染流重金屬可提取3個主成分，第一主成分包含C

4、r、Ni和Zn，第二主成分包含Cu、Cd、Pb，第三主成分則集中反映了As的作用。
　　 研究區(qū)土水界面污染流中的多環(huán)芳烴以三環(huán)、四環(huán)和五環(huán)多環(huán)芳烴為主，分別占總量的36.49％、26.34％和27.85％，兩環(huán)和六環(huán)的多環(huán)芳烴含量則相對較低。除高環(huán)多環(huán)芳烴外，低環(huán)、中環(huán)和多環(huán)芳烴總量均服從對數(shù)正態(tài)分布，各多環(huán)芳烴組分變異系數(shù)較高，在中等變異性以上。除Dba和Inp外，其他14種組分的多環(huán)芳烴與總量之間存在顯著相關性，其中四環(huán)的

5、Flu、Pyr、BaA和Chr與總量的相關性最強，在0.01的置信水平上，相關系數(shù)分別達到了0.90、0.84、0.87和0.89，而低環(huán)的Nap、Acy、Ace和Phe與總量的相關性相對較弱。
　　 利用主成分分析技術、比值法和典型源三角圖判別法對研究區(qū)土水界面污染流中多環(huán)芳烴來源進行了解析。主成分分析結果顯示，可以提取5個主成分，第一主成分主要由高環(huán)數(shù)的多環(huán)芳烴組成，是交通源和燃煤源共同作用的綜合體現(xiàn)；第二主成分主要由低環(huán)數(shù)

6、的多環(huán)芳烴組成，主要代表氣態(tài)多環(huán)芳烴的沉降過程；第三主成分集中反映了Flu、Phe和Pyr三種多環(huán)芳烴的作用，具有典型焚燒源的特征；第四主成分集中反映了Acy和In p兩種多環(huán)芳烴的作用，集中代表了秸稈燃燒和油燃燒源的多環(huán)芳烴來源；第五主成分則反映了Dba的作用。
　　 研究區(qū)Phe/Ant的比值分析結果表明，多環(huán)芳烴主要來源于不完全燃燒；所有樣點Flu/Pyr的比值均大于1，表明多環(huán)芳烴主要來源于煤炭/生物質的不完全燃燒等；研

7、究區(qū)部分樣點BaA/Chr的比值大于0.5，表明這部分樣點的多環(huán)芳烴主要來源于燃燒源；部分樣點BaA/Chr的比值在0.25～0.35之間，表明多環(huán)芳烴來源于石油和燃燒的混合源；極少部分樣點Bar/Chr的比值小于0.25主要指示石油源。
　　 典型源三角圖判別法的分析結果表明，多環(huán)芳烴主要來自燃燒過程，除煤炭燃燒外，還存在木質材料如秸稈焚燒，發(fā)動機高溫燃燒、油燃燒以及生物質燃燒等。低、中、高環(huán)多環(huán)芳烴各組分在多環(huán)芳烴總量中都沒

8、有占絕對優(yōu)勢，表明研究區(qū)污染流各監(jiān)測樣點多環(huán)芳烴不是來自于單一污染源，而可能是多污染源共同復合累加的結果。
　　 (2)利用地統(tǒng)計技術對研究區(qū)土水界面污染流重金屬和多環(huán)芳烴的空間變異和空問分布進行了研究。
　　 研究表明，七項重金屬元素均表現(xiàn)為各向同性，變程在4040～7404米之間，As和Cd在小區(qū)域范圍內表現(xiàn)出極強的空間相關性，Zn、Ni、Cr為中等程度的空間相關。除As外，其他重金屬在原點處均表現(xiàn)出明顯的塊金效應，

9、As、Zn、Cr、Pb和Cu等采用球形模型擬合半變異函數(shù)，Ni和Cd采用指數(shù)模型擬合半變異函數(shù)。Cu和Pb具有明顯的空間趨勢，采用具有趨勢的克里格進行插值，其他重金屬采用普通克里格進行插值。
　　 低環(huán)和高環(huán)多環(huán)芳烴表現(xiàn)為各向同性，均采用球形模型擬合其經驗半變異函數(shù)。低環(huán)多環(huán)芳烴為弱空間相關性，高環(huán)多環(huán)芳烴為中等程度空間相關，而中環(huán)多環(huán)芳烴空間相關極弱。采用普通克里格插值方法對低環(huán)和高環(huán)多環(huán)芳烴的空間分布進行預測，采用反距離插值

10、對中環(huán)多環(huán)芳烴的空間分布進行預測，利用疊置分析技術獲取多環(huán)芳烴總量的空間預測結果。
　　 (3)建立了基于概率密度函數(shù)和Monte-Carlo模型的土水界面污染流的生態(tài)風險評價方法，并對研究區(qū)土水界面污染流重金屬和多環(huán)芳烴的生態(tài)風險進行了評價。
　　 結果表明，Cu造成生態(tài)風險的概率較高，生態(tài)風險的可能性為80.74％，CA造成生態(tài)風險可能性為43.09％，而Pb造成生態(tài)風險總體的可能性概率為16.49％?；赗apan

11、t指數(shù)的重金屬生態(tài)風險評價結果顯示，研究區(qū)50.3％的區(qū)域為無生態(tài)風險和低生態(tài)風險，13.75％的區(qū)域為中等生態(tài)風險，13.61％的區(qū)域為高生態(tài)風險區(qū)域。
　　 Phe、Ant、Pyr、BkF、Bghip等多環(huán)芳烴組分生態(tài)風險較低，對生態(tài)系統(tǒng)的危害較?。篘ap、Ncy、BbF、Bap等多環(huán)芳烴組分具有一定的生態(tài)風險，對生態(tài)系統(tǒng)有一定危害，但尚不足以產生嚴重的生態(tài)風險；Ace、Fl、Flu、BaA、Chr、DahA等多環(huán)芳烴組分，