污水灌溉條件下土水環(huán)境評價與預(yù)測研究——以太原市小店區(qū)為例.pdf

1、水資源在社會可持續(xù)發(fā)展過程中占有相當重要的地位，是人類賴以生存且不可替代的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是影響人類進步和社會發(fā)展不可缺少的自然資源。隨著工農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展、人口不斷增長及城市化進程的加快，水資源已成為嚴重制約社會發(fā)展的因素，如何解決水危機，怎樣在北方半干旱的自然環(huán)境下，在地表水逐漸枯竭的背景下有效的利用中水解決農(nóng)業(yè)灌溉用水問題，全國尤其是北方地區(qū)污水灌溉成為緩解水資源危機的有效途徑。然而，不合理的灌溉方式、不完善的排水系統(tǒng)及大規(guī)模的地表引水，

2、產(chǎn)生了土壤次生鹽漬化、地下水環(huán)境惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，特別是在干旱半干旱地區(qū)，水鹽問題嚴重制約該區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。山西省太原市屬水資源匱乏地區(qū)，是我國北方大型污灌區(qū)之一，采取污水灌溉已有三十多年的歷史。隨著污灌頻率和強度的增加，灌區(qū)的土壤已受到不同程度的污染，并直接影響到地表水和淺層地下水環(huán)境。因此，評估污灌區(qū)土壤環(huán)境、地下水環(huán)境中污物的污染特征及機理對污灌區(qū)水土資源保護與管理及農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義，同時對中國乃至世界其他

3、污灌地區(qū)類似研究提供一定的借鑒價值。
　　本文選取太原市的小店污灌區(qū)作為典型研究區(qū)，通過收集與整理基礎(chǔ)資料、調(diào)查野外環(huán)境并采樣和室內(nèi)實驗等多種手段和方法，全面的研究了典型區(qū)域的污水來源、灌溉類型以及污灌渠的空間分布，并對表層土壤和地下水進行了特征污染物采樣與測試工作。在此基礎(chǔ)上，分析評價了表層土壤重金屬含量的分布特征及污染狀況，探討了重金屬在污灌區(qū)包氣帶和含水層中遷移規(guī)律，并對地下水污染風險進行了探討研究。本文的主要研究成果如下：

4、
　?。?）表層土壤重金屬污染特征
　　本研究通過地統(tǒng)計學理論和相關(guān)關(guān)系分析等工具對污灌區(qū)表層（0-20cm）土壤中Hg、Cd、As、Pb、Cr、Zn、Cu等七種重金屬含量分布和富集狀況進行了系統(tǒng)描述，在此基礎(chǔ)上進行了土壤重金屬質(zhì)量評價和土壤重金屬污染評價。結(jié)果表明：表層土壤七種重金屬元素含量中，Cr、Cu、Zn近似服從正態(tài)分布，Hg、Cd、As、Pb不服從正態(tài)分布，Cu、Zn、Cr、Pb與其它元素相關(guān)性較高，Hg與其它6種

5、元素的相關(guān)系性差；土壤重金屬質(zhì)量評價表明，污灌區(qū)表層土壤質(zhì)量等級為一級，評價結(jié)果偏于樂觀，可能與“一級評價標準”（背景值）的選定有關(guān)；土壤重金屬污染評價 Hg元素是研究區(qū)污染嚴重的元素，Cd次之，Pb元素污染最小，七種重金屬污染順序為Hg＞Cd＞As＞Cu＞Cr＞Zn＞Pb。
　?。?）污水灌溉條件下土壤剖面重金屬遷移規(guī)律
　　根據(jù)非飽和土壤水分和溶質(zhì)平衡原理，結(jié)合水分和溶質(zhì)實測數(shù)據(jù)，建立土壤水分、溶質(zhì)運移的數(shù)值模型。采用試

6、估—校正法對模型參數(shù)進行識別驗證，確定土壤剖面下邊界非飽和—飽和水鹽交換量。利用識別驗證好的模型分別預(yù)測了現(xiàn)狀污灌濃度下和不同污灌濃度下土壤剖面含水率及重金屬在垂直方向上的遷移規(guī)律。結(jié)果表明：
　　a.在2008年到2028年的20年期間，土壤剖面頂部不同時刻土壤含水率變化幅度較大，當降雨量較大時土壤含水率值就大；而剖面底部不同時刻土壤含水率也有所變化，這主要是下邊界條件影響所致。
　　b.不同污灌濃度下灌溉結(jié)束時表層土壤含

7、水率顯著增加，而隨著土壤深度的增加，土壤含水率增加幅度逐漸減小，說明土壤含水率接近飽和，并且在一段時間內(nèi)保持這種高含水率。三種不同濃度污水灌溉土壤，0~200cm土壤儲水量隨灌溉定額的增大而增大，其變化幅度隨時間逐漸減小，說明灌溉強度越大，轉(zhuǎn)化為土壤水的量越大，土層受影響的深度越深，土壤水分再分布過程持續(xù)時間越長。
　　c.不同污灌濃度下0~100cm土壤剖面重金屬濃度變化較為明顯，特別是表層土壤受灌溉后重金屬濃度迅速下降；隨著土

8、壤剖面深度的增加，土壤剖面重金屬濃度呈遞增趨勢。隨著時間的推移，土壤表層重金屬濃度逐漸增加，特別是初期鹽分上升的速度和幅度均較大。相同的污灌濃度下，灌溉定額越大，表層重金屬濃度越小，重金屬濃度影響土壤剖面越深，鹽分在表層積聚的速率越慢，積聚時間越長。
　?。?）污灌區(qū)淺層地下水污染風險評價
　　本研究以污灌區(qū)土壤作為風險源，以地下水系統(tǒng)作為風險受體，選取污灌土壤和地下水中的Hg、Cd、As、Pb、Cr、HBC為特征污染物。建

9、立了包含地下水脆弱性、地下水特征污染物容量指數(shù)及土壤特征污染物潛在生態(tài)危害指數(shù)的地下水污染風險評價概念模型。并依此對小店污灌區(qū)地下水污染風險進行了評價，結(jié)果表明：污灌區(qū)地下水脆弱性相對較低，特征污染物分布較為集中；受含水層脆弱性指數(shù)、特征污染物容量指數(shù)及潛在生態(tài)危害指數(shù)的影響，污灌區(qū)淺層地下水污染風險高低分布不均，總體水平較低。低風險區(qū)和較低風險區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和西南部，占總面積的51％；中等風險區(qū)在研究區(qū)河流和污灌渠附近呈條帶狀

10、分布，占總面積的18%；較高風險區(qū)和高風險區(qū)零星分布在西吳、賈家寨、梁家莊等村莊以及汾河、蕭河沿岸一帶，占總面積的31%。
　?。?）污水灌溉條件下地下水重金屬遷移規(guī)律
　　將潛水面作為土壤水與地下水耦合界面，HYDRUS-1D計算出的水流及溶質(zhì)交換量作為地下水上邊界源匯項，采用有限差分程序Visual MODFLOW求解地下水流及溶質(zhì)數(shù)值模型。利用研究區(qū)水位及溶質(zhì)動態(tài)觀測資料對模型進行識別和檢驗，并用識別驗證好的數(shù)值模擬模

11、型預(yù)測現(xiàn)狀污灌濃度下和不同污灌濃度下地下水及重金屬的動態(tài)變化趨勢。結(jié)果表明：
　　a.在2008年到2028年的20年期間，無論是潛水還是承壓水，巖溶地下水水位略有下降趨勢，但整體上地下水流場形態(tài)基本沒有發(fā)生明顯的改變。
　　b.在2008年到2028年的20年期間，整個模擬區(qū)內(nèi)重金屬濃度變化不大，但整體上呈降低趨勢，尤其是濃度值最高的中部區(qū)域，由初始濃度場中的0.0024mg/L降為0.0018mg/L。另外，模擬區(qū)內(nèi)既存

12、在重金屬濃度緩慢升高的區(qū)域，也存在重金屬濃度有所降低的區(qū)域，這主要是地下水流場和濃度場并不一致，鹽隨水走的結(jié)果。
　　c.不同污灌濃度下地下水流場有較大的變化，無論是潛水還是承壓水，地下水位不僅沒有出現(xiàn)升幅，反而模擬區(qū)整個地下水水位有所下降，但部分區(qū)域也呈現(xiàn)出小幅度的上升趨勢，但地下水流場的趨勢與己知的該地區(qū)的地下水流向是一致的。
　　d.與初始濃度場相比，在灌溉初期三種不同污灌濃度的地下水濃度場有所上升，而隨著時間的推移，