污水灌溉条件下砷在土壤中的分布特征一以石家庄污灌区为例
2020-12-31
来源:易榕旅网
第1O卷第1期 2012年2月 南水北调与水利科技 South-to-North Water Diversion and Water Science&Technology V01.1O No.1 Feb.2012 doi:10.:3724/SP.d.1201.2012.01085 污水灌溉条件下砷在土壤中的分布特征 一一以石家庄污灌区为例 崔向向,张兆吉,费宇红,王 昭,陈京生 (中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄050061) 摘要:通过对石家庄污水灌溉条件下土壤样品的采集与分析,研究As在土壤不同深度的分布特征。研究结果显示 As在土壤中的垂向分布受土壤黏性的影响较大,在土、砂交界处As的含量发生突变,在黏性土中含量相对沙层中 较高;在土壤剖面垂向含量分布图中,As在埋深为1.5~3 m的土壤中形成高值区。包气带具有一定的吸附能力与 环境容量,研究区包气带主要为黏性土,其渗透能力降低,具有较强的吸附性。因此,其防污性能也相对较高,地下 水受As的污染风险也相对较低。 关键词:污水灌溉;土壤;As;分布特征 中图分类号:X523 文献标识码:A 文章编号:1672—1683(2012)01—0085-04 Distribution Characteristics of Arsenic in Soil Under the Condition of Sewage Irrigation ——Ex锄ple from the Sewage Irrigation Area in Shijiazhuang CUI Xiang-xiang,ZHANG Zhao-ji,FEI Yu-hong,WANG Zhao,CHEN Jing-sheng (Institute of Hydrogeology and Environment Geology,Shijiazhuang 050061,China) Abstract:The distribution characteristics of arsenic at different depths in the soil were investigated based on the collected soil samples at the sewage irrigation area in Sh ̄iazhuang.The result shows that the vertical distribution of arsenic in the soil is mostly influeneed by the soil stickiness.The content of arsenic varies abruptly at the border between the sand and soil,and it iS higher in the cohesive soil than that in the sand.Moreover。arsenic accumulates in the depth of 1.5 to 3 m of the soil based on the vertical distribution.The aeration zone has a certain degree of self-pu ication capability and environmental capacity.In the study area,the aeration zone consists mainly of the cohesive soil with 1OW permeability and strong adsorbability.Therefore,the aeration zone in the study area has a high capability tO prevent the potential pollutions of arsenic into groundwater. Key words:sewage irrigation;soil;arsenic;distribution characteristics 世界上许多国家尤其是发达国家,如美国、日本和德国 等,较早地意识到污水资源化的重大战略意义,将城市污水 通过不同方法再生处理后,回用于农业灌溉、地下水回灌、绿 市郊区都分布有污水灌溉区[2]。大量未经处理的污水直接用 于农田灌溉,水质超标、灌溉面积盲目发展,已经造成土壤、作 物及地下水的严重污染。污水灌溉已成为我国农村水环境恶 化灌溉、工业用水、景观生态用水和其他用水。美国是世界 上对污水资源化利用最早的国家之一,2o世纪7O年代初开 始大规模建设污水处理厂和回用污水_】]。 华北平原是我国新的经济快速增长区,同时也是我国最 化的主要原因之一,直接危害着污灌区的饮水及食物安全。 石家庄污水灌溉区是中国污灌历史较长的污灌区之一, 当地利用污水进行农田灌溉始于1950年,污水主要来源于 石家庄市区、栾城县、赵县城镇生活工业混合污水、栾城县窦 妪工业区污水、县城医药基地污水以及石家庄市炼油厂污 为缺水的地区之一。其中,在太行山前自北向南分布有北京、 保定、石家庄、邢台、邯郸、安阳等十余座大中型城市,各个城 水等,污水类型为城市工业和生活混合污水L3]。 收稿日期:2011—10—25 修回日期:2012—02—12 网络出版时间:2012—02—26 网络出版地址:http://、^,、帆cnki.net/kcms/detail/13.1334.TV 20120226.1805.016.html 基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2010CB428804—1,2010CB428801—1);国土资源大调查项目(1212010634600) 作者简介:崔向向(1986一),女,河北石家庄人,硕士研究生,研究方向为水文与水资源.E-mail:cuixiang2008@126.com 通讯作者:张兆吉(1963-),男,吉林德惠人,研究员,硕士生导师,主要从事为水文与水资源方面的研究。E-mail:zhaoii99@263.net 第1O卷总第58期・南水北调与水利科技・2012年第1期 l研究区概况 石家庄污灌区地处石家庄东南部,属于太行山东麓山前 最大值距河100 m范围内,达到27 mg/kg。可能原因为其 从表土层垂向迁移,又随着污灌水的不断淋溶在亚表土层得 到积累。As在土壤中发生富集的地段在垂向剖面对应着粉 土层或粉质黏土层,即在粉土或粉质黏土与砂层的交界处, 平原的滹沱河冲积扇,河湖相沉积而成的山前倾斜平原。研 究区为温带半干旱半湿润大陆性季风气候,四季分明。多年 平均气温13℃,多年平均年蒸发量1 972 mill,多年平均降 粉土或粉质黏土中As含量较高,砂层中各离子含量相对较 低。且在粉质黏土层与粉土层中其富集程度类似。在XH01 钻孔6.7 m及15.5 m土与砂分界处,As在砂中的含量比在 土中的含量明显降低,XH02号钻孔埋深23.1 m粉土和中 水量493 mm[ 。降雨集中在夏季6月一9月,其中7月、8 月雨量占全年降雨量的57 。区内地下含水层为第四系山 前冲洪积物组成,地下水补给主要为西部太行山出山口的地 砂的界面和XHO3号钻孔埋深11.1 m中砂和粉质黏土岩性 表水及大气降水。 石家庄是一个以开采浅层地下水为主要供水水源的城 分界面As在粉质黏土的含量骤增(图2)。As在土体中的运 移受地层岩性的影响很大,在地层分界线附近,其含量发生 了变化。 市。石家庄市地下水的开发利用程度高,开采强度较大,开 采模数达到3O.75×10 m3/(a・kmz),多年平均地下水位下 降速率为1.36 m/a,已形成较厚包气带L5]。 {交河污灌区表层为40 cm左右的耕植土,其下主要为较 厚层的连续性粉土、粉质黏土与薄的中、粗砂互层。地下水 位埋深为20.5~22.5 rn。区内包气带有机碳含量偏缺(< 1 ),农作物主要为冬小麦和玉米。 2样品采集 为了揭示污水灌溉条件下污染质在巨厚包气带中的运 移规律、污染过程和分布特点,沿垂直排污河方向布置典型 剖面,共8口钻孔。钻孔位置距离污水河边分别为5 irk、20 1TI、50 m、100 m、200 rn、300 m、400 IT1、600 rll。对地下水位以 上深度内的土壤取污染物分析样,取样深度分别为0.5 In、 1.0 m、2.0 rll、3.0 Irt、5.0 m、10.0 m、20.0 in及含水层,前 三个钻孔在砂土交界或土砂交界处加密取样。共取得样品 81组,所有采得样品编号后送与上海澳实分析检测公司采用 UsEPA 6010C、USEPA 7470A方法检测土样中As含量,采 用NY/T 1377—2007方法检测土样pH值。 运用Sufer8.0软件绘制As在垂向剖面中的含量分布 图,见图1。以采样点的深度为纵坐标,以采样点距污水渠的 距离为横坐标。 图1钻孔位置分布 Fig.1 Distribution of the wells 3结果与分析 3.1 As在包气带垂向的分布特征 图2为根据距河较近的三个钻孔岩性所做As的垂向含 量曲线图。As在深1.5~3 m包气带中比表层土中含量高, ・86・ ⅪD1) X肿 0 — \\\ \\\ j/ / 、\\、 —5 i} 一l0 {一15 魅 野 、\、 1 / 一20 ‘一 \\\ ... ..—25 0 -30 圆圈口口囵区 粉质黏土耕土 粗砂 中砂 粉砂 粉土As含量曲线 含量 mg・kg- ) 图2土壤As含量垂向变化曲线 Fig.2 The vertical variations of the content of arsenic in the soil at the sewage irrigation area 吸附是金属元素在土壤中最基本的过程之一,是包气带 具有一定的自净能力和环境容量的根本原因_3].影响As吸 附的原因很多,如pH值、有机质等。 易秀_6]在对黄土性土壤对砷的吸附试验中表明:当 pHi7时,吸附量随pH增大而增大,pH>7时则相反,变化 呈抛物线型。pH<7时,土壤胶体正电荷随着pH的下降而 增加,使得土壤对As的吸附增大;pHi7时,随着pH值升 高,土壤胶体负电荷增加,As在土壤中的吸附量减少。 表1中为前三个钻孔土壤测试样品pH值,其pH值均 大于7。表层土中土壤pH值较大,向下至埋深为2 m范围 内pH值随埋深增大而减小。随着埋深的继续增大,pH值 又呈现增大的趋势。而埋深大于11 In后,pH值随埋深增大 呈现减小的趋势。结合图2 As含量垂向变化曲线可以看 出,埋深小于2 ITI范围内,随着pH值的减小,土壤中As含 量增大。埋深2~1O rn范围内,As含量并没有随着pH值增 大明显变少;埋深大于11 ITI后,同样As含量并没有随着pH 值减小而增大。表明该区As含量与pH值的相关性较弱。 此外,土壤中的有机碳特别是可溶性有机碳在土壤中对 氧化物及其它黏土矿物有较高的反应活性,通过吸附作用对 产生静电排斥影响阴离子的吸附及氧化还原反应而影响元 素价态 。测试样品中低总有机碳(ToC)含量较小,其值 在0.022 ~O.715 之间,对As垂向分布的影响不占主要 第1O卷总第58期・南水北调与水利科技・2012年第1期 [J].Geology in China,2011,38(1):204-211.(in Chinese)) District in Changchun city[J].Environmental Science And Management,2009,34,(12):180—182.(in Chinese)) [4]栾文楼,温小亚,崔邢涛,等.石家庄污灌区表层土壤中重金属 环境地球化学研究[J].中国地质,2009,36(2):465—473.( LUAN Wen-lou.WEN Xiao-ya,CUI Xing-tao,et a1.Environ— mental Geochemistry of Heavy Metals in Surface Soils Within [11]张兆吉,费宇红,华北平原地下水污染调查评价报告[R]. 2012.626.(ZHANG Zhao-ji,FEI Yu-hong.Investigation and Evaluation of Groundwater Resources in the North China Sewage Irrigation Areas of Shijiazhuang City[J].Geology in China,2009,36(2):465—473.(in Chinese)) Plain Results ReportER].2010,626.(in Chinese)) [12]王昭,杨国华,陈玺,等.污灌对地下水的污染及防治对策[J]. 水文地质工程地质,2008,(3):99—103.(WANG Zhao,YANG Guo-hua,CHEN Xi,et a1.Groundwater Contamination [53张兆吉,费宇红,陈宗宇,等.华北平原地下水可持续利用调查 评价[M].北京:地质出版社,2009:218—219.(ZHANG Zhao-ji, FEI Yu-hong,CHEN Zong-yu,et a1.Investigation and Assess— ment of Sustainable Utilization of Groundwater Resources in Caused by Wastewater Irrigation[J].Hydrogeology and Engi— neering Geology,2008,(3):99—103.(in Chinese)) the North China Plain[M].Beijing:Geological Publishing House,2009:218—219.(in Chinese)) [13] 郑国璋.关中娄土剖面中重金属元素的垂直分布规律研究 口].地球学报,2008,29(1):109—115.(ZHENG Guo-zhang. 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