（环境工程专业论文）大同市重金属污染评价与防治对策.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 我国重金属污染形势较为严峻，自2 0 0 8 年以来，地域性血铅等重大重金属污染事件 频繁爆发。“十二五”期间，重金属污染防治成为我国环保的重大战略任务。本课题以大 同市重金属污染综合防治规划项目为依托，旨在摸清全市重金属污染现状，科学评价当 前污染程度，预测未来发展趋势，明确污染防治方向，为规划编制提供可靠依据 选择大同市工业源作为研究对象，利用产排污系数法对污染源普查结果进行校核，得 到全市范围的重金属污染物分布情况。大同市重金属污染物主要来自工业废气，2 0 0 9 年 全市工业大气重金属污染物排放量达到3 5 3 8 吨，占总排放量的9 5 以上；工业废水重金 属排放量为2 0 7 9 千克；未向环境排放含重金属的危险废物。 采用等标污染负荷法、污染指数法和模型模拟方法评价大同市区域重金属污染，得出 结论为大同市存在9 个污染较为严重的区域，分别为灵丘县武灵镇、柳科乡、东南河镇、 赵北乡，南郊区西韩岭乡、水泊寺乡、古店镇，矿区和城区。结合污染趋势预测结果，提 出区域防控、优化结构、加强污染监管、加大综合整治力度和加强监管能力建设等5 个方 面防治策略。 本文建立的重金属污染防治评价方法是在基于产排污系数法和a e 刚o d 模型调研 区域重金属污染、等标污染负荷法和污染指数法评价调研结果的基础上，得出区域内重金 属污染的主要防治区域、主要防控行业和重点污染物类型。模型方法克服了重金属空气含 量基础数据缺失的问题，使得评价工作更为全面、客观，为重金属防治对策的制定提供可 靠依据，也为后期更深入的研究提供了新的思路。 关键词：重金属；污染评价；污染预测；等标污染负荷法；污染指数法 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es i t u a t i o no fh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nc h i n ai ss e r i o u s a n dm 萄o re v e n t ss u c ha st h e h e a v ym e 诅lp o l l u t i o no f b l o o di e a db r o k eo u t 舶q u e n t l ys i n c e2 0 0 8 h e a v ym e 例p o l l u t i o n p r e v e n t i o n粕dc o n t r o lh a v eb e c o m ec h i n a si m p o r t a n ts t r a t e g i ct a s ko fe n v i r o n m e n t a l p i i o t e c t i o nd u r i n g ”l0 2 5 ” p e r i o d b a s e do nt h e p r o j e c to f “h e a v ym e t a l p o li u t i o n c o m p r e h e n s i v ep r e v e n t i o n 锄dc o n 们lp l 锄i nd a t o n gc 矿，w ea i m st oc l e a rt h eh e a v ym e t a l p o l l u t i o ns i t u a t i o n ，p r e d i c tt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tn e n d ，c l e a rp o i l u t i o nc o n t r o ld i r e c t i o n ，锄d p r 0 v i d er e l i a b l eb a s i sf o rp l a n n i n g t og e tt h er a n g eo fh e a 、r ) ，m e t a lp o l l u t a n t sd i s t r i b u t i o n ，i n d u s t r i a is o u r c ei ss e l e c t e da st h e r e s e a r c ho 巧e c t ，a n de m i s s i o nc o e 饿c i e n tm e t h o di su s e dt oc h e c ko u tt h ep o i l u t i o ns 0 u r c e s s u r v e yr e s u l t s i n d u s t r i a lw a s t eg a si st h em a i ns o u r c eo fh e a v ym e t a lp o l l u t 锄t si nd a t o n gc i t y i n2 0 0 9 ，3 5 3 8t o n sh e a v ym e t a lp o i l u a n t sf b mi n d u s t i a lw 嬲t eg a s ，a c c o u n t i n gf o rm o r et h 锄 9 5 o ft h et o t a le m i s s i o n s 2 0 7 9kc o m e sf r o mi n d u s t i a lw a s t e 眦r ，w h i l en oh e a v ym e t a l c o m e s6 0 mha = 乙a r d o u sw a s t e e v a l u a t et h er e g i o n a lh e a v ym e t a lp o u t i o no fd a t o n gc i t y ，b yu s i n gt h es t a n i i a r dp o l l u t i o n l o a dm e t h o d ，p o i l u t i o ni n d e xm e t h o da r l dt h em o d e ls i m u l a t i o nm e t h o d s a n d9r e g i o na r e s e l e c t e da sk e yp r e v e n t i o na n dc o n t r o la r e a 1 1 1 e9r e g i o na r ew u l i n gt o w n ，l i u k et o w n s h i p ， d o n 印a n h et o 、i l ，z h a o b e it o w n s h i p ，x i h a n l i n gt o w n s h i p ，s h u i p o s it o 、n s h i p ，g u d i 锄 t b 、) v i l s h i p ，m i n i n ga r e a 锄du r b a na r c a c o m b i n e dw i t hp o i l u t i o nt r e n dp r e d i c t i o nr e s u l t s ，f i v e a s p e c t ss n a t e g yi sm a d e t 0s o l v et h ep r o b l e m b a s e do nt h ee m i s s i o nc o e m c i e n tm e t h o d ，t h ea e r m o dm o d e l ，t h ee q u a l s t a n d a r dw a s t e l o a dm e t i l o d ，t h ep o l l u t i o ni n d e xm e t h o d ，w ec 锄d e t e m l i n et h em a i np o l l u t e da r e a ，t h ec o n t r o l i n d u s t 巧粕dk e yp o l l u t a n t st y p e m o d e l i n gm e t h o do v e r c o m e st h ep r o b l e mo ft h el a c ko ft h e h e a v ym e t a lc o n t e n td a t ei na i r ，w h i c hm a k e st h er e s u l tm o r ec o m p r c h e n s i v ea n do 巧e c t i v e k e y w o r d s ：h e a 、r ) rm 嘲l ；p o l l u t i o ne v a l u a t i o n ；p o l l u t i o nf o r e c a s t ；t h ee q u a i s t a n d a r dw a s t el o a d m e t h o d ；t h ep o l i u t i o ni n d e xm e t h o d 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 值此硕士学位论文即将完成之际，我在这里向所有关心、支持和帮助过我的人们表示 最诚挚的谢意。 首先要深深感谢我的导师张清字副教授! 近三年来，老师不仅在学业上对我谆谆教诲、 悉心栽培，而且在生活中给予了我无微不至的关心和极大的帮助，教会我做人做事的道理， 使我在学术和人生道路上前进的过程中感受到无限温暖! 老师活跃的学术思想、独特的见 地和创新能力、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的品格，使我受益匪浅。 回首求是园里近三年的点点滴滴，我的每一寸进步、每一点成绩无不凝聚着老师的心血 在此，谨向恩师表示衷心的感谢和敬意。 课题来自大同市重金属污染综合防治规划项目，非常感谢大同市环境保护局、大 同市环境监测站在研究过程中给予的支持。同时，也得到了我的校外导师毛洪钧老师以及 浙江大学环境工程研究所诸位老师的无私帮助和指导，在此深表感谢! 论文的完成过程得到了课题组范良千师兄、张黎丽师姐、郑滢碉师姐、周磊同学和李 新兴师弟的极大支持，感谢你们对论文研究方法提出的宝贵意见。感谢魏玉梅师姐一直以 来对我学习和生活上的帮助! 感谢实验室的每一位兄弟姐妹，薛佳平、姜磊、朱琦、虞波、 王孝文、王惠玉、刘奇、傅昂毅、杜维菲、俞聪伴随我共同走过了这三年的美好时光! 还 要特别感谢虞波和周磊同学，在共同学习和生活的日子里，我们相互关心和帮助、相互鼓 励、共同进步! 祝所有同学和朋友在今后的学习和生活中一帆风顺，万事如意! 最后感谢抚养教育我的父母，感谢他们一路以来的无私奉献，他们的殷切期望和关怀 是我前进的最大动力! 二零一二年三月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 绪论 l 绪论 1 1 课题背景 重金属是指密度大于4 0 的约6 0 种元素或者在5 0 以上的4 5 种元素【。砷、 硒等非金属元素因毒性及某些性质类似于重金属，其污染也纳入重金属污染范畴。 我们通常定义的重金属污染，就是指由上述重金属、类金属或其化合物造成的环 境污染。重金属污染物主要来源于采矿、冶炼、皮革制造等工业，交通和日常生 活也是重要的污染源。重金属污染物通过水、气、土壤等多途径进入环境，很难 被降解，大量富集于土壤和生物体内，可致使人体器官的不可逆损害，严重时致 人死亡。 我国重金属污染形势较为严峻。白2 0 0 8 年以来，血铅超标、镉污染、砷超 标等重大重金属污染事件频繁爆发，从陕西凤翔到湖南浏阳、安徽怀宁、山东邳 苍、浙江长兴、云南曲靖等，全国沿海和内陆省份都不同程度遭受重金属污染。 仅2 0 l o 年，各地上报国家环保部的重金属污染事件就有1 4 起，其中9 起为血铅 事件，2 0 1 1 年1 月至5 月又发生7 起血铅超标事件【2 1 ，尚未包括原因不明或者偏 远地区未及时上报的重金属污染事件。 在此之前，重金属污染问题尚未引起广泛关注，也未跟进切实有效的污染防 治措施。目前，全国受重金属污染的耕地已经达到3 亿亩【3 】占全国耕地面积的 l 6 ；湘江中下游衡阳一长沙段土壤重金属超标最大达到7 9 7 倍f 4 1 ，土壤和蔬菜 重金属污染严重；近2 0 年珠江口沉积物中镉的浓度升高3 3 倍，达到6 9 7 m g l ( g 【5 1 ， 致鱼类镉超过国家卫生标准( 0 1 m g l ( g ) l 倍以上。随着重金属污染问题的日益 突出，有效防范环境重金属风险成为人们关注的课题。我国第一个“十二五”专项 规划重金属污染综合防治“十二五”规划，首次提出区域重点重金属污染 排放的总量控制。 大同市作为“中国煤都”，拥有丰富的煤炭、岩石、有色金属等矿产资源，境 内分布规模不等的矿产开采，冶炼以及煤化工等行业。重金属污染企业分布较为 集中，部分重金属环境质量超标，大同市灵丘县和南郊区的部分乡镇被列入国家 “十二五”规划重点防控区域名单，需要采取有效的防治措施防止重金属污染区域 的扩大和污染程度的加深，逐步解决当前严峻的重金属污染问题。 浙江大学硕士学位论文绪论 与我国大部分地区一样，大同市重金属污染防治工作面临一个问题，即缺乏 科学的污染现状调查评估结果以及明确的工作开展方向。尽管重金属污染的部分 内容已纳入污染源普查工作范畴，但后续工作没有及时跟进，缺少污染区域、行 业分布和污染程度等的进一步调研和评估，因此很难明确污染防治的方向和重点。 直至2 0 1 0 年5 月，大同市环保局牵头编制大同市重金属污染综合防治规划) ， 才投入大量的人力和物力着手开展重金属污染现状调查评估工作。本课题正是与 大同市环保局合作，基于摸清全市重金属污染现状、为规划编制提供科学可靠依 据的目的而展开的。 1 2 研究内容 本研究内容分为重金属污染评价和防治对策研究两部分。 重金属污染评价主要是通过对大同市重金属污染源的排查，调研当前全市的 重金属污染物排放现状和存在的问题，利用科学的评价方法研究全市范围内的重 金属污染程度及其对环境质量产生的影响，在此基础上确定重点污染防控区域。 重金属污染防治对策研究是在重金属污染现状调研的基础上，针对大同市当 前的实际情况，预测至2 0 2 0 年新增重金属环境压力。通过将重金属污染物总量 控制任务分配至各区县、行业，从法规、政策、技术、管理等角度为大同市重金 属污染防治提供科学决策。 1 3 研究意义 重金属污染评价及防治策略旨在有效防范区域环境重金属风险，通过对研究 区域污染现状的彻底调查评估，明确污染防治工作的方向和重心，从而使重金属 污染防治工作有的放矢，事半功倍。 重金属污染评价通过科学的方法和详实的数据对当前重金属污染现状进行 统计、评估，得出较为全面、准确的污染现状分析结果。评价工作是区域重金属 污染防治研究的基础，也是确定防治行业、区域、任务、项目的基础。 重金属污染防治方向很多，有监管领域和技术领域两大方面。本研究中，结 合污染预测分析，为污染防治工作设定了具体的防治监管任务及技术应用项目， 充分符合大同市当前的重金属污染发展趋势。因此，研究结果可为大同市重金属 污染综合防治工作组提供参考 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 4 研究目的 大同市区域重金属污染现状研究尚属空白。本课题对大同市现有重金属污染 源进行排查，确定当前全市的重金属污染物产生及排放水平，调查环境质量受重 金属影响的程度，核实重点污染源和污染区域之间的福合联系。重金属污染评价 工作将明确大同市重金属污染现状，包括水、气、土壤等综合环境载体，是一次 区域性的污染大盘点，填补这一研究领域的空白。基于污染现状评价和污染趋势 预测开展重金属污染防治策略的研究，为大同市重金属污染防治工作开展明确方 向的同时，也为大同市重金属污染综合防治规划的编制提供科学依据。 本研究旨在通过对大同市重金属污染现状调查，摸清全市重金属污染物来源 以及当前的污染程度，利用适宜的评价方法和模型评估重金属污染对区域环境造 成的影响，确定区域内需要重点防控的行业、企业，确定重点防控区域，预测未 来十年区域重金属污染趋势的变化，为大同市重金属污染防治提供科学建议。 当前存在的最大问题为基础数据的缺乏，特别是大气重金属监测领域。在 2 0 1 0 年以前，大同市从未开展空气中重金属浓度的监测，不能采用现有常用的 污染调查、评价方法开展全市范围的重金属污染程度的研究，这也是通过本研究 需要解决的最大问题。 1 5 研究方法的确定 1 5 1 技术路线 大同市重金属污染评价以及防治对策的提出需要大量基础工作做支撑，特别 是对全市重金属污染现状的调查和分析时，涉及多个污染源、多种污染物和不同 污染特征，研究工作必须在统筹协调、全面科学、切实可行的技术路线指导下开 展。本文提出的技术路线从基础资料收集、污染现状调研、环境质量评价、重金 属环境污染评价、污染趋势预测和提出污染防治对策等方面展开。 论文在深入研究当前重金属污染调查及评价方法的基础上，参考国内外多项 研究成果，采用等标污染负荷法和污染指数法对大同市重金属污染现状进行科学 评价，并在此基础上预测未来十年的变化趋势，提出符合当前大同市重金属污染 防治需求的有效措施。在污染现状调查中，充分利用现有的历史调研、监测资料， 并采用产排污系数法校核全市重金属污染产生及排放情况。重金属环境质量调研 浙江大学硕士学位论文绪论 中，对于大气环境质量重金属指标缺失问题，采用a e r m o d 模型模拟全市重金 属大气空间分布，填补了大气重金属监测的空白。 图1 1 大同市重金属污染评价与防治对策技术路线图 1 5 2 研究方法 ( 1 ) 产排污系数法 在2 0 0 7 年全国第一次污染源普查中，就是采用产排污系数法对没有实际检 测的污染源进行统计。这是一种根据各类工业行业产排污系数或者经验系数核算 研究对象污染物产生量和排放量的方法 4 淅江大学硕士学位论文 。 绪论 对于缺少监测数据的工业大气重金属污染物，可以按照燃煤和非燃煤2 个过 程对其排放的污染物量进行估算。根据不同行业的重金属产排污系数，即排放系 数，再结合污染源的活动水平即可计算污染物排放量，分别计算燃煤过程和非燃 煤过程的重金属排放量，排放总量可通过加和计算得到。 燃煤过程重金属排放 表1 1 燃煤过程重金属排放系数 名称排放系数 燃煤的平均汞含量 o 1 6 m g l ( g 燃煤的平均砷含量 2 6 0 m g i ( g 洗煤过程 o 7 0 燃烧器 o 9 9 8 除尘器( e s p ) o 8 7 5 对于燃煤过程重金属汞和类金属砷的排放量采用以下公式进行估算： e = 素m c o a l c c f 兀e m f i ( 1 - 1 ) 式中：c ：煤中汞砷的质量分数( p p m w ，m g l ( 曲； m 。o a i ：燃煤消耗量( t o n s ，) 砷； c c f 洗煤过程中汞砷排放系数； e m f i ：各燃烧方式以及烟气污染物控制装置的有效修正因子 非燃煤过程重金属排放 表1 2 非燃煤过程重金属排放系数( k 鲈) 溢哭 汞砷铅 镉 行业类别 锌冶炼 o 0 7 60 0 0 1 4o 1 0 3o 0 0 5 5 铅冶炼 0 0 4 4o 0 0 5o 5 4 5o 0 0 0 4 铜冶炼 0 0 l oo 0 2o o 0 0 3 金冶炼 0 7 9 银冶炼 o 0 0 7 0 6o 0 0 2 7 6 4o 0 0 1 5 0 5 浙江大学硕士学位论文绪论 续表1 2 麓泛 汞砷 铅 镉 行业类别 钢铁冶炼o 0 0 0 0 40 0 0 2 6 炼焦 o 0 0 0 1 6o 0 0 2 6 水泥工业 o 0 0 0 0 4 0 非燃煤重金属排放量计算公式如下： e 非= m f i( 1 - 2 ) 式中：e 非为非燃煤重金属排放量，t ； m 为产品产量，t ； f i 为i 类重金属的非燃煤排放系数，k g t 。 大气重金属排放总量 对燃煤重金属排放量和非燃煤重金属排放量进行加和计算，即可得到大气重 金属排放总量。 e 总= e c l + e 非 ( 1 3 ) 式中：e 总为大气重金属排放总量，t ： e c o a l 为燃煤过程重金属排放量，t 。 e 非为非燃煤过程重金属排放量，t ( 2 ) a e r m o d 模型 a e l 洲o d 模型是由美国国家环保局联合美国气象学会组建法规模式改善委 员会( a e i 蝴i c ) 联合开发的。该系统以扩散统计理论为出发点，假设污染物的 浓度分布在一定程度上服从高斯分布，适用于固定工业源的扩散。国外已有相关 文献报道a e 刚o d 在大气重金属分布模拟中的应用，h a y n e s 【5 1 】等人在研究美国 俄亥俄州空气中锰的暴露浓度及对人体健康影响时应用a e r m o d 模型模拟其空 间分布，加拿大m a x w e l lm a z u r 【5 2 1 等研究人员在考察瓦贝姆湖地区四座电厂排放 的气态汞分布时也采用了该模型。综合比较，本研究选取a e r m o d 模型模拟工 业污染源作用下的区域重金属污染物质浓度分布。 气象数据主要由地表气象数据和高空气象数据两部分组成，其中，地表气象 数据由w e a t h e ru n d e 唧u n d 提供，主要包括每天2 4 小时的风向、风速、温度、 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 总云量低云量等；高空气象数据由国家气象中心中国气象科学数据共享服务平 台提供，主要包括每天0 点、1 2 点的风速、风向，气压、位势高度、温度、相 对湿度等。由于大同市的地形数据很难获得，本次模拟不考虑地形的影响，仅将 地形作为平原处理。模型采用已建立的污染物点源排放清单，将研究区域划分成 1 0 l o l ( m 2 的网格，共分为5 2 8 个网格。 ( 3 ) 等标污染负荷法 采用等标污染负荷法对大同市重金属主要污染源、主要污染物进行判断。等 标污染负荷法通过确定三个特征数，找出评价区域内的主要污染源和主要污染物。 这三个特征数是：等标污染指数、等标污染负荷和污染负荷比 a 等标污染指数：是指所排放的某种污染物达到该种污染物的评价标准的 倍数。等标污染指数反映污染物的排放浓度与评价标准之间的关系，它的计算方 法为： ，= 旦 ( 1 4 ) ： c o i 式中：n o 第j 个污染源第i 种污染物的等标污染指数； c 日第j 个污染源第i 种污染物的排放浓度； c o r 第i 种污染物的排放标准。 污染源评价中的评价标准一般都选用污染物排放标准中规定的有关浓度。 b 等标污染负荷：是对环境产生影响的污染物排放总量的表示，等标污染 负荷的计算方法为： 弓= 岛 ( 1 5 ) o j 式中：p u 第j 个污染源中第i 种污染物的等标污染负荷； q o 第j 个污染源中含第i 种污染物的介质的排放量。 等标污染负荷是一个有量纲的量，它的量纲和q j i 的量纲一致。对于一个含 有n 种污染物的污染源，该污染源的总等标污染负荷为： 弓= 弓= g ( 1 6 ) 7 浙江大学硕士学位论文绪论 若某一地区共有m 个污染源，该地区某种污染物的总等标污染负荷为： p = 弓弓= 导乌 ( 1 7 ) ，= l ，= l ，o ， 一个地区的所有污染源和污染物的总等标污染负荷为： 尸= 弓= 乌 ( 1 - 8 ) ，等l ，互l，= l = l ，o ， c 污染负荷比：污染负荷比是指某种污染物或者某个污染源的等标污染负 荷在总的等标污染负荷中所占的比重，是确定某种污染物或者某个污染源对环境 污染贡献顺序的特征量。第j 个污染源内，第i 种污染物的污染负荷比为： = 鲁 ( 1 - 9 ) 根据k o 的值可以确定一个污染源内部的主要污染物，k o 的值最大者即为主 要污染物。 一个地区中某个污染源的污染负荷比可以用下式计算： k ，：曼( 1 1 0 ) 按k j 值的大小可以对污染源进行排序，k j 值最大者是一个地区的主要污染 源。一个地区中某种污染物的污染负荷比可以用下式计算： k = ； ( 1 - 按k i 值的大小排序，可以确定一个地区的主要污染物。 污染负荷比揭示了各种污染物或者各个污染物对环境影响的严重程度，可为 合理组织、安排污染物的治理提供依据。 ( 4 ) 环境质量评价方法 采用单项污染指数法和内梅罗综合指数法对环境质量污染现状进行评价。 a 单项污染指数法 单因子指数等于环境质量因子的实测浓度除以相应的评价标准，即 尸：9( 1 1 2 ) 浙江大学硕士学位论文 绪论 式中：r 为第i 种环境因子的环境质量指数；c i 为第i 种环境因子的实测浓度； s i 为第i 种环境因子的评价标准。 环境质量指数是无量纲量，表示污染物在环境中实际浓度超过评价标准的程 度，即超标倍数，p i 值越大表示该单项的环境质量越差。 b 内梅罗综合指数法 内梅罗指数法是一种兼顾极值的加权型多因子指数。 内梅罗指数计算公式为： 铋乒掣 式中：m a ) 【i i 表示各单因子环境质量指数中最大者；a v e i i 表示单因子环境质量指 数的平均值。 9 浙江大学硕士学位论文文献综述 2 文献综述 2 1 重金属污染调查 2 1 1 采样检测模式 重金属污染调查是现状评价的基础，调查结果可对区域污染评价产生深远的 影响。目前重金属污染调查多集中在水体、沉积物、土壤、农作物和水产品等方 面，大气重金属调查相对较少，由于农作物和水产品等食品重金属调查间接反映 环境重金属污染问题，故在此也简单涉及。几乎所有的重金属污染调查都采用现 场采样一实验室分析的模式进行。 水体重金属污染调查通过采集研究水体的水样，保存后运输至实验室进行分 析检测。程麟均【6 】等人在对北京市饮用水安全一重金属筛选性调查中，分期在5 处采样点采样2 次，膜滤后滴加1 硝酸保存于聚酯瓶，运至实验室采用电感耦 合等离子体质谱仪( i c p m s ) 检测重金属元素。大冶市罗桥东港渠水体重金属 调查中，汪亮【7 】等人对研究水体取样后送至实验室用激光等离子光质谱仪 ( l a i c p m s ) 检测。李四海【8 】在饮用水卫生调查中对2 3 处水源水和水厂出水进 行随机采集，按照生活饮用水标准检测方法( g b 厂r 5 7 5 0 2 0 0 6 ) 要求保存、 运送至实验室检测。 沉积物重金属污染调查采用现场布点采样，与处理后带回实验室分析的方法。 环渤海湾地区海岸表层沉积物重金属调查中，李任伟和李原【9 】对沉积区采样后送 至研究所完成相应的分析工作。马玉【1 0 】等人在对珠江口滨海湿地沉积物重金属 污染现状调查中按照高、高中、中、中低、低5 个潮区设置选取6 处典型断面， 于低潮期采集表层沉积物现场预处理，带回实验室分析，沉积物样品制备、预处 理分析等方法都采用国家检测规范g b l 7 3 7 8 5 2 0 0 7 中提出的。 目前，我国各地均开展了土壤重金属调查工作，调查方法也是在现场采样的 基础上送至实验室分析。相对于水体重金属调查，土壤调查在采样、样品前处理 等环节更为复杂，但研究方法已经相对成熟。息朝庄【】等人在对长沙市土壤重金 属污染的调查中，以市区为中心环绕布设采样点采样，干燥、四分、碾磨、筛滤 后送至检测中心消解、测定重金属含量。在福建沿海经济带生态地球化学调查中， 林才浩【1 2 】等人采用网格布样法采表层和深层土壤，筛滤后送至福建省地质测试 l o 浙江大学硕士学位论文 文献综述 研究中心分析检测。甘肃白银市污灌区土壤重金属调查中，赵保卫和王刚【l3 1 采 用方位定点、梅花形五点取样采集4 0 个样品，送至实验室风干、研磨、筛滤、 消解后，用电感耦合等离子体发射光谱仪检测重金属含量。 食品重金属调查也是通过对典型作物、水产品取样后送检。孙美侠【1 4 】等人 对徐州市市场上的蔬菜水果进行随机取样，送至实验室后四分、切碎、均将、冷 藏，采用g b t 5 0 0 9 2 0 0 3 规定的方法分析。夏天翔【1 5 】等人对背景水产市场食用 贝类重金属调查时，选取代表性水产市场采样，带回实验室解剖处理，送至检测 分析中心按照国标方法检测。邹耀华【1 6 】等在对“浙八味”中药材有还重金属污染调 查中，按药材产地以大五点随机取样混匀后四分法处理，通过干燥、碾磨、筛滤 等制作检测样本，送至分析实验室采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测。 由于重金属污染物在大气中多附着在悬浮颗粒物上，绝大多数污染物终将进 入水体和土壤，不会长期停留在大气环境中，而且长期以来我国未将大气重金属 污染列入空气质量考核指标，大气重金属调查研究相对较少。八十年代初，长春 卫生医师【17 】已对长春市大气飘尘中铅、汞、镉、铜、铁和锌等六种重金属的污 染情况进行调查，网格布点、滤膜采样、滤膜消解后测试重金属含量。目前也有 开展道路两侧总悬浮颗粒物( t s p ) 中重金属污染的调查分析，卢宁川【1 8 1 等对江 苏省宁通高速、沿江高速和2 0 4 国道两侧t s p 中的c d 、c r 、c u 、n i 、p b 和z n 进行调查，采用预处理后的滤膜于1 5 m 高度采样，送至实验室参照空气和废 气监测分析方法进行重金属含量检测。 2 1 2 污染排放估算 重金属污染调查除了现场采样一实验室检测手段外，还可以通过产、排污系 数法估算各污染源的污染物产排情况，从而了解研究区域内的污染物产生及排放 情况，再结合模型模拟重金属污染物的空间分布，分析得出区域重金属污染程度。 这一方法在大气重金属污染研究领域应用的更为普遍。过去很长一段时间我国大 气重金属污染监测技术不成熟，检测标准缺乏，加之大气重金属污染物来源广泛， 空中停留特征不确定等特点，国内尚未开展区域性大气重金属监测调查。 产污系数法在燃煤大气重金属汞和类金属砷的排放量估算应用较多，区域大 气重金属排放可以通过排放因子法估算燃煤和非燃煤排放量得到。王起超【19 1 等 研究了中国煤炭汞含量及主要用煤行业燃煤汞排放因子，既可估算得到单个企业 浙江大学硕士学位论文文献综述 燃煤汞排放量，也可结合模型研究区域大气的重金属空间分布。王书肖【2 0 】等根 据我国非燃煤大气汞排放源的活动水平和排放因子，对全国各省的非燃煤大气汞 排放量进行估算。田贺忠 2 i j 等总结了我国各区域燃煤砷的质量分布，为燃煤砷 排放的估算提供基础数据；王明仕【2 2 】等综合考虑煤炭产地、锅炉和行业等因素 估算我国燃煤大气砷的排放量。 模型法在重金属污染迁移变化研究中应用广泛，水体、土壤、大气领域都有 涉及。王学测2 3 】在对垃圾焚烧时，利用挥发扩散模型研究重金属的释放和扩散； 邓丛蕊【2 4 1 通过h y s p l i t ( h y b i r ds i n g l e p a n i c i el a n g r a n g i a ni n t e g r a t e dt r 面e c o t y ) 模式，研究气溶胶的扩散；余垄【2 5 】利用三维运动模型推导得到污染物的二维扩 散模型，研究湘江流域水环境重金属污染；周海红【2 6 】等在对农田生态系统重金 属迁移机理研究中，建立一系列扩散迁移模型。 2 2 重金属污染评价 重金属污染评价方法很多，总体可以概括为重金属废水、沉积物和土壤三个 方面。此外，基于污染的复杂性和不确定性又提出了生物评价法，但是大气重金 属污染评价研究较为缺乏。下面就研究较多的重金属废水、沉积物和土壤污染评 价方法和模型进行简单介绍。 2 2 1 重金属废水评价 当前重金属废水评价方法国内外主要有指数法【2 他剐模糊数学法和因子分析 法等。 ( 1 ) 指数法。指数法可按照单因子指数评价与多因子综合指数评价两种模 型划分。单因子评价公式如下：i i = c i s i ，其中c i 是第i 种评价因子的实际测量浓 度；s i 是第i 种评价因子的环境评价标准；i i 是第i 种因子的单项指数。模型考 虑单因子影响，不能完整反映总体的污染情况。 以单因子指数为基础的多因子综合评价指数模型，能够反映多项污染因子的 总体影响，一般采用直接加和与算术平均两种方法。这两种方法存在缺陷，主要 因子的作用被掩盖，均一化了各因子的影响。 也有考虑主要污染因子影响的方法。向量模法i _ 【i i 2 】m ( i = l n ) ，单个污染 因子超标严重时可使用。权平均法i = w i i i ，w i - l ( i - l n ) ，其中w j 是第i 种评 价因子的权重，考虑各污染因子的不同影响，缺点是引入权重时可能带主观性。 1 2 浙江大学硕士学位论文 文献综述 ( 2 ) 模糊数学法 2 9 1 。充分考虑重金属元素实际测量值与指标间的不确定性， 基于对隶属度计算来确定各元素在污染分级中的等级，从而由权重计算判定各元 素在总污染中的比重，再采用模糊矩阵复合计算，得到不同的等级。 ( 3 ) 因子分析法。陈东景【3 0 】等曾用此方法价了甘肃酒泉水质的污染情况。 因子分析法是一种统计分析法，将复杂变量归为少数的综合因子，再对由综合因 子组成的向量集分析计算，得到多个综合因子各自的权重，然后确定研究区域内 水域的污染级别。 2 2 2 重金属沉积物评价法 有研究表明，重金属污染物在受纳水体中是不易溶解的，多数很快从水相进 入固相，进入悬浮物和沉积物中，再通过水体流动，当负荷为搬运能力所不及时， 就真正进入沉积物。因此，沉积物中的重金属含量比相应水体来的高，并可以进 一步积累，分布规律较为明显。故有学者认为，沉积物是水体重金属污染很好的 指示剂【3 1 1 。沉积物污染评价方法主要有潜在生态危害指数法、污染负荷指数法 和地积累指数法等。 ( 1 ) 地积累指数法。早在1 9 6 9 年，地积累指数法已经被德国海德堡大学沉 积物研究所m u l l e r 提出【3 2 1 ，该方法指数一共有7 级，污染程度从无到强。方法 在自然成岩可能会引起背景值变动的基础上，综合考虑环境地球化学背景值、人 为污染因素，较为直观表示了污染级别，缺点是倾向于单一金属，未将地理空间 的差异、因子间的不同污染贡献比值和生物有效性等因子纳入考虑范围。 ( 2 ) 污染负荷指数法。该法是1 9 8 0 年t o m i i n s o n 等人提出的，他们是英国 重金属污染水平分级研究工作者。方法中涉及的评价指标有单项最高污染系数、 单个点的污染负荷指数以及单个区域( 流域) 的污染负荷指数。各项指数是研究 区域内包含的多种重金属元素构成，较为表观反映各元素贡献的大小和污染元素 时空发展变化，较为简单方便，但也存在缺点，即很难反映元素生物可利用性及 化学活性。 ( 3 ) 潜在生态危害指数法。本方法是由瑞典科学家h a k a n s o n 于1 9 8 0 年提 出，这是建立在元素丰度和释放能力之上的1 3 5 1 。方法运用前假设：元素是丰度 响应的，这就是说随沉积物污染程度的加重，其潜在生态风险指数( 刚) 也在增加； 多种污染物协同生效，重金属生态危害可以叠加，重金属元素复合污染的潜在生 浙江大学硕士学位论文 文献综述 态风险较单一污染要大，优先考虑铅、镉、铬、砷、汞等污染物；各元素的毒性 响应是不同的，生物毒性强的对刚的权重就要大于毒性弱的元素。潜在生态风 险指数具有地积累指数法不具备的有点，充分考虑了生物有效性相对贡献比例 和地理空间差异的因素，综合反映重金属对环境的影响，被广泛应用于分析评价 重金属潜在生态影响研究中，但具有毒性加权系数主观性的缺点【3 岳3 7 1 。 ( 4 ) 沉积物富集系数法。沉积物富集系数法是对沉积物中重金属含量的测 定来表明受污染的程度。由于沉积物中存在重金属背景值，陈静生【3 8 1 提出次生 相，原生相分布比法，原生相为沉积物原生矿物，次生相为原生矿物风化产物及 外来次生物，次生相中重金属的含量和原生相中含量的比值被用来指示沉积物中 的污染水平 除以上方法，目前也有回归过量分析法【3 9 1 、模糊集理论【4 0 1 、脸谱图法【4 1 1 、 底栖生物评价法【4 2 4 3 】等方法。前面三种因自身缺陷应用较少，回归过量分析法一 般只用于判断重金属污染相对的程度，不能应用于污染级别的确定。底栖生物评 价法作为生物评价法，较为可靠反映重金属污染生物效应，应用前景较好，但也 有待进一步完善方法。 2 2 3 重金属土壤污染评价法 重金属土壤污染评价一般采用单因子指数多因子综合指数等指数评价方法， 将众多因素影响下的土壤环境加以区分，得到的结论可能会与实际情有不同。现 在土壤重金属污染的评价方法还有模糊数学法、层次分析法、灰色聚类法，在一 定曾度上将指数法的不合理、不科学因素剔除，符合客观实际。其中，在重金属 废水评价中已有阐明模糊数学重金属评价方法。 ( 1 ) 层次分析法在建立关于土壤环境质量层次结构模型的基础上，构造 出每两个元素间的判断矩阵，计算矩阵的最大特征值和与之相对应的特征向量， 再由综合权重中最大权重值对应的级别作为研究环境的质量级别。孟宪林等基于 对值域和权重相互影响考虑改进了本方法，当质量级别确定时，放弃“最大原则 法”，反而采用“大于其上一级别之和”的分类原则做出判断评估，将评价结果的 可信度进一步提高【4 4 1 。 ( 2 ) 灰色聚类法。土壤重金属污染多因子的分级标准体现了各因子的“重要 性”，所以，不同因子在相同级别的权重和相同因子在不同级别的权重一般是不 1 4 浙江大学硕士学位论文 文献综述 同的。不同因子在多种级别下的权重是由计算得到的，确定了聚类系数，再利用 “最大原则法”或者“大于其上一级别之和”原则即可确定土壤环境重金属质量级 另4 【4 5 _ 4 6 1 。 2 2 4 重金属大气评价 目前，国内较少通过空气重金属质量监测直接获得数据的方式进行重金属大 气评价。早期研究多通过考察植物和土壤【4 9 】中的重金属元素含量间接进行，采 用单因子质量指数法、多因子综合指数法等进行评价；也有利用生物有效性评价 方法【5 0 】分析t s p 中的重金属污染，从而完成重金属大气评价工作。 浙江大学硕士学位论文重金属污染调查 3 重金属污染调查 3 1 大同市概况 3 1 1 自然环境概况 3 1 1 1 地理位置 大同市位于山西省最北端，居晋、冀、蒙交界，地处黄土高原东北边缘，地 理坐标为东经1 1 2 0 3 4 1 1 4 0 3 3 ，北纬3 9 0 0 3 4 0 0 4 4 之间，平均海拔1 0 5 6 米。北以 外长城为界，与内蒙古自治区丰镇、凉城县毗邻，西、南与本省朔州市、忻州地 区相连，东与河北省阳原，涞源、蔚县相接。市区东距首都北京3 0 0 公里，南距 省会太原2 5 0 公里，是晋北重要的政治、经济、文化中心和商品集散地。 3 1 1 2 气侯条件 大同市气候属典型的温带大陆性季风气候，其特点是四季分明。夏季短暂炎 热，最热月( 七月) 的温度平均值为2 1 8 ，极端最高温度为3 7 7 ，受海洋气 团影响，多年平均降水4 0 0 m m 左右，集中于七八月份，多为局部大雨、暴雨及 冰雹；冬季漫长，严寒少雪，受蒙古高压控制，气候寒冷干燥，1 月份平均温度 1 0 9 左右，极端最低温度为2 9 1 ；春秋凉爽，气候温和，雨热同季，温差 较大全年多大风，年平均大风日数3 6 8 天，年平均风速2 9 米秒。2 0 0 8 年大 同市平均气温为8 4 ，平均无霜期1 9 9 天，年平均降水量3 9 3 6 m m 3 1 1 3 水文特征 大同市主要河流为桑干河( 大同段) 、御河、南洋河、唐河、壶流河及支流、 口泉河、十里河、浑河，分属于海河流域永定河水系和大清河水系，境内海河流 域面积1 4 0 3 2 平方公里，其中永定河水系1 2 9 0 2 平方公里，大清河水系3 1 0 6 平 方公里。大同市境内地下水出露形成的泉水主要有广灵县城南的水神堂泉域和灵 丘县城附近的城头会泉域，此外，浑源县境内还有有1 8 9 处泉水。大同有各种水 库9 9 座，总库容7 8 4 亿m 3 ，主要用于拦洪蓄水，其中总库容达到5 8 亿m 3 的 册田水库为大型水库，其主要功能是城市工业供水，灌溉和防洪。 1 6 浙江大学硕士学位论文 重金属污染调查 3 1 1 4 自然资源 ( 1 ) 土地资源 大同市土地资源相对丰富，土地开发潜力较大：大同市人均土地面积6 6 5 亩，人均耕地1 7 6 亩，高于山西省平均水平全市土地未利用率达3 8 7 4 ，大 农业中低产田、园、林、牧面积比重大，生产潜力大，土地开发利用的前景广阔， 但是局部地区土壤重金属污染较为严重。 ( 2 ) 水资源 大同市2 0 l o 年水资源总量为1 2 1 8 亿m 3 ，人均水资源占有量仅为3 1 6 6 m 3 ， 其中市区人均水资源占有量仅为8 1 1 m 3 ，为全国人均占有量的3 o 。水资源构 成主要为大气降水形成的地表水和地下水资源，其中，地表水资源量8 3 4 亿m 3 ， 地下水资源量7 4 3 亿m 3 ，重复水量3 5 9 亿m 3 。境内主要河流中流域面积最大 的为桑干河，其支流有御河、十里河、浑河、口泉河，多年平均径流量为7 3 4 亿m 3 ，径流深4 1 4 m m ，境内干流长5 5 6 公里，境内流域总面积7 2 6 2 平方公里。 ( 3 ) 矿产资源 大同市矿产资料丰富，是我国著名的煤都，煤炭储量大，质量好、热值高， 已探明的煤炭总储量达3 1 2 亿吨，是我国重要的动力煤生产基地。部分矿种储量 较大，有较好的开采条件，已发现的矿产4 2 种，探明储量的2 8 种，特别是在经 济建设中用途广、用量大的矿产，如煤炭、沸石、珍珠岩等储量在全国颇具地位， 还有建材金属矿藏等也很有开采价值。境内地下矿藏还有石墨、石灰岩、大理石、 花岗岩、长石、云母、膨润土、高岭土及金，银、铜、铁、铝、镁、磷等，其中 不少为高品位和较高价位，为建材工业和有色金属工业提供充足的原料。 ( 4 ) 能源资源 大同市本身蕴藏的能源资源主要为煤炭、电力、风力以及生物质能源等。大 同煤炭储量大，质量好、热值高，含煤面积9