大寶山礦區(qū)土壤重金屬人為污染識(shí)別及空間模擬.pdf

1、粵北大寶山多金屬硫化物礦開采活動(dòng)引發(fā)的重金屬高致癌風(fēng)險(xiǎn)等環(huán)境污染問題已廣受重視。本論文選取大寶山礦所處的橫石河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在流域Cu、Zn、Pb和Cd土壤地球化學(xué)背景的研究基礎(chǔ)上，探明人為污染環(huán)境地球化學(xué)過程與成因，刻畫其污染風(fēng)險(xiǎn)空間特征與不確定性。并基于WebGIS構(gòu)建流域土壤重金屬污染信息查詢與發(fā)布系統(tǒng)。將序貫指示模擬與協(xié)模擬(SIS/SIcS)、探索性數(shù)據(jù)分析(EDA)、非度量多維標(biāo)度法(NMDS)、主成分分析(PCA)、分形

2、、熱場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡-能譜分析(SEM/EDX)、模型商值法(地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)，污染負(fù)荷指數(shù)(PLI))等技術(shù)和方法綜合運(yùn)用于土壤性質(zhì)參數(shù)(土壤重金屬全量、土壤總有機(jī)碳(TOC)、pH及中值粒徑(D50))、磁學(xué)參數(shù)(低頻磁化率(Xlf)、非磁滯剩余磁化率(xaRM)、等溫剩磁(IRM)、飽和等溫剩磁(SIRM)、硬等溫剩磁(hIRM))與磁顆粒及地理環(huán)境參數(shù)(高程(elevation)、坡度(slope)、多年年平均降雨量(

3、AMP)及歸一化差值植被指數(shù)年變化率(△NDVI％))來進(jìn)行以上內(nèi)容的研究。得到如下結(jié)論：
　　 EDA研究結(jié)果表明橫石河流域Cu、Zn、Pb和Cd的分別為200.00 mg/kg、230.00 mg/kg、190.00 mg/kg及1.85 mg/kg。其中，Cu、Zn和Cd的土壤地球化學(xué)背景值均分別高于其相應(yīng)的國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(pH＜6.5)(Cu100 mg/kg、Zn200 mg/kg及Cd0.3 mg/kg

4、)。在基于SIcS方法的流域重金屬上壤地球化學(xué)制圖中，引入S100作為空間協(xié)變量以嘗試在此制圖中將人為污染區(qū)一域與自然富集區(qū)域分離。結(jié)果顯示，通過EDA與SIcS集成的方法有助于更真實(shí)的反映環(huán)境地球化學(xué)數(shù)據(jù)的原始波動(dòng)特點(diǎn)從而獲得更可靠的環(huán)境地球化學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果。準(zhǔn)確量化土壤重金屬地球化學(xué)背景將對(duì)減少環(huán)境地球化學(xué)問題及其模擬決策中的不確定性具有重要意義。
　　 PCA、SIcS、SEM/EDX、分形等方法和技術(shù)與土壤重金屬全量、TOC

5、、磁學(xué)參數(shù)(Xlf,XARMSIRM、hIRM)、IRM獲得曲線及磁顆粒形貌、能譜分析等數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用結(jié)果顯示，橫石河流域土壤中Cu、Zn、Pb和Cd人為污染主要源自大寶山礦的開采活動(dòng)。它們以大寶山礦為人為污染源中心，以橫石河為紐帶，沿橫石河河岸帶向下遷移并沉積于中游下壩-富坡區(qū)域。流域內(nèi)Cu、Zn、Pb和Cd的人為污染貢獻(xiàn)率分別為21.07％、8.04％、12.54％和50.19％。下壩河邊采樣點(diǎn)的IRM獲得曲線顯示該處重金屬污染已以

6、一種相對(duì)穩(wěn)定、持久的狀態(tài)沉積于土壤環(huán)境。此外，由SIcS-GIS量化的土壤Cu、Zn、Pb和Cd人為污染空間分布的分形特征顯示，4種重金屬在土壤中的累積趨勢為Cd＞Cu＞Pb＞Zn。由采礦活動(dòng)所致的演化動(dòng)力為Zn＞Pb＞Cu＞Cd。
　　 對(duì)橫石河流域土壤中Cu、Zn、Pb和Cd人為污染遷移富集的主要影響因素間關(guān)系的NMDS排序結(jié)果表明，解釋變量對(duì)Cu、Zn、Pb和Cd人為污染遷移與富集的影響程度為：Xlf＞slope＞elev

7、ation＞TOC＞AMP＞pH＞D50＞△NDVI％。因大寶山采礦所致的這4種重金屬之間的相關(guān)性為：Cu＞Pb＞Zn＞Cd。土壤侵蝕和含鐵量較高的母質(zhì)是影響來自大寶山采礦過程中排放的Cu、Zn、Pb和Cd人為污染遷移和富集的重要環(huán)境因素之一。Pb人為污染常伴隨著Cu人為污染的遷移和富集。Cd人為污染地球化學(xué)景觀受環(huán)境的影響相對(duì)較明顯。距離大寶山鐵龍攔泥壩約6km及17km處為4種重金屬在橫石河中富集的敏感區(qū)域。較之其他排序方法，NMD

8、S是一種相對(duì)更適合數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布的環(huán)境變量的排序方法。Xlf可作為一個(gè)基礎(chǔ)而重要的指示性參數(shù)引入更廣泛的環(huán)境地球化學(xué)過程研究的理論與應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 以橫石河流域Cu、Zn、Pb和Cd的上壤地球化學(xué)背景值計(jì)算的Igeo結(jié)果顯示，流域內(nèi)部分區(qū)域Zn與Cd的人為污染達(dá)到中度，Cu和Pb的人為污染在流域內(nèi)部分區(qū)域達(dá)強(qiáng)至極強(qiáng)污染。上壤中Cu、Zn、Pb和Cd人為污染風(fēng)險(xiǎn)展布的主要特點(diǎn)為：人為污染風(fēng)險(xiǎn)起源于大寶山采礦區(qū)，沿橫石河河岸帶向

9、下游遷移。其中熱點(diǎn)區(qū)域分別位于：大寶山采礦區(qū)，鐵龍攔泥壩區(qū)，下壩及鐵龍林場采石場。以4種重金屬的分布面積和污染程度而言，橫石河流域Cu的人為污染程度最嚴(yán)重，Zn的人為污染程度最輕微。相對(duì)于Pb，Cd中度人為污染的面積相對(duì)較廣，而Pb中強(qiáng)度人為污染面積相對(duì)較廣。
　　 以國家土壤質(zhì)量GradeⅡ限值(pH＜6.5)計(jì)算的PLI及PLIznoe結(jié)果顯示，流域內(nèi)Cu、Zn、Pb和Cd的復(fù)合污染達(dá)極強(qiáng)污染的區(qū)域分別位于大寶山采礦區(qū)，橫石

10、河河岸帶，鐵龍攔泥壩至下壩-富坡區(qū)及鐵龍林區(qū)沿路。需密切關(guān)注以上區(qū)域的人體健康風(fēng)險(xiǎn)。橫石河流域上壤中 Cu、Zn、Pb和Cd的區(qū)域復(fù)合污染負(fù)荷指數(shù)PLIzone為1.01污染，屬于中度污染。熱點(diǎn)區(qū)域4種重金屬PLI高于流域區(qū)域復(fù)合污染負(fù)荷指數(shù)PLIzone十余倍?？梢?，由采礦活動(dòng)導(dǎo)致的4種重金屬污染對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域的影響之大。此外，基于SIS的空間不確定性分析結(jié)果可用于設(shè)定分級(jí)環(huán)境管理。一級(jí)監(jiān)測區(qū)域可設(shè)定于概率值高于0.80的區(qū)域內(nèi)。次級(jí)監(jiān)測

11、區(qū)域可設(shè)定于概率值約在0.50的區(qū)域內(nèi)。
　　 流域土壤重金屬污染信息系統(tǒng)采用ASP.NET2技術(shù)建立，通過基于SuperMap IS.NET的WebGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)流域土壤污染信息的瀏覽、查詢、顯示等功能，并由VRML實(shí)現(xiàn)流域三維漫游功能?；赟uperMap IS.NET的二次開發(fā)平臺(tái)，其開發(fā)速度快、穩(wěn)定、開發(fā)成本較低且易于維護(hù)。采用VRML進(jìn)行三維建模，其兼容性較強(qiáng)且三維展示效果較好。ASP.NET2開發(fā)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁穩(wěn)定、高效