南水北调中线工程焦作段滨河地带土壤重金属污染风险评价

以南水北调中线工程焦作段为研究区，通过野外调查和室内分析的方法，采集总干渠流经的农业区、市区、工的滨河地带土壤样本，分别测定重金属 Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｐｂ的质量分数，利 用 单 因 子 污 染 指 数 法、Ｎｅｍｅｒｏｗ 内梅罗污染指数法和 Ｈａｋａｎｓｏｎ综合潜在生态风险指 数 评 价 研 究 区 的 重 金 属 污 染 状 况 及 其 潜 在 生 态 风险。结果表明，与《土壤环境质量标准》中的Ⅱ级标准pH>7.5）相比，主要重金属污染风险元素为 Ｃｄ。农业区、市区、工矿区的内梅罗污染指数分别为37.56、36.65、37.98，且均处于重度污染水平。三个区段的综合潜在风险指数分别为41823.39、18973.18、19659.09，均具有很强的生态风险。综合分析表明，南水北调焦作段总干渠依次流经的农业区、市区、工矿区滨河地带均受到不同程度的土壤重金属污染，以工矿区污染最为严重，对干渠的水质安全造成极大威胁，该研究结果对南水北调焦作段水质安全防护及滨河地带土壤污染治理具有重要意义。

关键词

南水北调工程；中线工程；滨河地带；土壤污染；风险评价

Risk assessment of heavy-metal pollution in riverside soil of Jiaozuo segment in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

Taking Jiaozuo segment in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project as the study area, using field investigation and experimental analysis, we collected soil samples from the industrial and mining area, urban area, and agricultural area along the main canal, measured the content of heavy metals (Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Hg, and Pb) in the soil, and evaluated the condition of heavy-metal pollution and its potential ecological risks using the single factor pollution index, Nemerow pollution index, and Hakanson comprehensive potential ecological risk index. The results showed that, according to the Grade Ⅱ criteria of the Standard for Soil Quality (PH>7.5), the main heavy-metal pollution risk element was Cd. The Nemerow pollution index of the agricultural area, urban area, and industrial-mining area was 37.56, 36.65, and 37.98, respectively, all reaching severe pollution level. The comprehensive potential risk index of the three areas was 41823.39, 18973.18, and 19659.09, respectively, all posing high ecological risks. The analysis results showed that the soil of the agricultural area, urban area, and industrial-mining area along the main canal are all contaminated by heavy metals to different degrees. The industrial-mining area has the most serious pollution, which posed a great threat to the water quality safety of the canal. The above results are of important significance to water quality protection and soil pollution control in the riverside area of Jiaozuo segment of the South-to-North Water Transfer Project.

Key words

South-to-North Water Transfer Project; Middle Route Project; riverside zone; soil pollution; risk assessment

基金项目

河南省科技攻关项目（162102110169）；河南理工大学创新型科研团队资助（B2017-16）；河南省高校教师科技创新团队(18IRTSTHN008)

为了解决我国北方水资源严重短缺的问题，国家启动了南水北调重大基础战略性工程。国务院在落实科学发展观中明确提出将“南水北调水源地及沿线”作为水污染防治和国家用水安全的重要组成部分。但是在长距离输水过程中，南水北调滨河地带的环境污染问题对水质安全造成重大威胁，因此，对南水北调输水工程周边区域实施环境污染监测并进行评价，及时发现问题并解决问题，对于保障南水北调一汪清水永续北上至关重要［１］。在众多污染因素中，重金属是主要污染类型之一，其中，土壤承担着环境中大约９０％的重金属污染物［２－３］。由于重金属不能被土壤微生物分解，易于在土壤中积累，破坏土壤的生态结构和功能，从而影响植物的生长发育，并通过食物链在动物、人体内富集，严重危害生命健康［４－６］。

焦作市是南水北调中线工程总干渠唯一从中心城区穿越的城市。同时，焦作市是以矿业而兴的城市，煤炭开采历史悠久，此外还有铁、铜、锌等矿产资源。在矿产资源的开发和利用过程中，矿区废弃物如矿渣、煤矸石长期随意堆放，极易对周围环境造成污染。众多研究表明，矿区废弃物煤矸石中含有大量的重金属元素，在长期堆放过程中极易经雨水及风力作用，迁移至周边土壤、水体、大气中，从而对区域环 境 造 成 重 金 属 污 染［７－９］。近 年 来，河 流 重 金 属污染评价 一 直 是 国 内 外 研 究 的 热 点，关 于 南 水 北调的污染 评 价 虽 有 一 些 研 究，但 大 多 是 针 对 河 段底泥和水 质 的 污 染 研 究［１０－１１］，还 有 对 干 渠 两 侧 浅层地下水 的 污 染 评 价［１２－１３］，以 及 某 河 段 滨 河 地 带单个土地类 型 的 污 染 研 究［１４］，缺 乏 对 南 水 北 调 滨河地带土 壤 污 染 的 整 体 性 研 究，南 水 北 调 作 为 国家重大的水利 战 略 工 程，其滨河地带的土壤环境质量与南水北调的水质安全保障息息相关，因此，对其沿岸的土壤污染风险进行评价尤为重要。本研究以南水北调中线工程焦作段为研究对象，将流经区域按照不同的土地利用类型分为农业区、市区、工矿区三个研究区段，分别对三个研究区段土壤中的重金属元素 Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｎｉ和 Ａｓ的 含 量 进行测定，并对重金属污染状况进行评价。评价结果对南水北调滨河地带土壤污染治理及水质安全防护具有重要意义。

1材料与方法

1.1研究区域概况

焦作市位于河南省西北部，太行山南麓，地理坐标在113°４′－113°26′Ｅ，35°10′－35°21′Ｎ 之间。南水北调中线工程焦作段起始于焦作市温县北冷乡北张羌村，向东北穿越焦作市城区，止于焦作市修武县方庄镇丁村，全长８４．１５ｋｍ，干 渠 由 西 到 东 依 次 经过农业区、市区和工矿区。本研究通过分析焦作市的区位特征、土地利用类型及污染源类型，将南水北

1.2样品采集与测定

根据农业区、市区和工矿区的地形地貌特征、土地利用类型及植被类型，以距离南水北调工程干渠两侧沿线１００ｍ为缓冲区进行勘察布点，分别对三个研究区进行取样，用五点取样法采集０～２０ｃｍ 表层土，每个点位重复３次且分别检测取平均值，其中市区和农业区各取６个点位，工矿区取５个点位，并用 ＧＰＳ记录采样点坐标（图１）。土样采集后置于室温下通风阴干，用木棒压碎大的土块，并去除岩石块、植物根等杂物。风干后充分研磨过２ｍｍ（２０目）的尼龙筛，混合均匀并放入自封袋密封保存，记录样品号待测。

取干燥后的土壤样品，经 ＨＣｌ－ＨＮＯ₃－ＨＦ－ＨＣｌＯ₄进行消化处理，用体积比为１∶１的 ＨＣｌ水溶液溶解定容，采用火焰原子吸收分光光度法测定 Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ的含量；采用石墨炉原子吸收分光光度法测定Ｃｄ、Ｐｂ的含量以及用原子荧光光度计测定 Ａｓ、Ｈｇ的含量，测定过程中加入国家标准参比物质土壤样品（ＧＢＷ０８３０３）进行质量控制，各元 素测 定 值 的 误 差 均 在国家标准物质的允许范围内；土壤 ＰＨ 值按水土比１∶２.５比例混合、搅拌、静置，ｐＨ 计测定。

1.3评价方法

本文采用单因子污染指数法和 Ｎｅｍｅｒｏｗ 内梅罗污 染 指 数 法 进 行 土 壤 环 境 质 量 评 价［１５］，以 Ｈａ－ｋａｎｓｏｎ潜在生态 风 险 指 数 法 评 价 土 壤 重 金 属 的 潜在生态风险等级［１６］。

单因子污染指数法，计算公式如下：

其评价标准见表２。

内梅罗污染指数法，计算公式如下：

2结果与分析

2.1研究区土壤重金属污染元素分布特征

如表５所示，在农业区滨河地带土壤中 Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｐｂ八种元素的平均含量分别为１２１.８８、４４.７８、３９、７４.８３、１３、４２、１４、３３.１７ｍｇ／ｋｇ，是河 南 省 土 壤 背 景 值 的 １.９３、１.６３、１.９５、１.２０、１.３３、６４６.１５、５６０、１.４９倍；市区滨河地带土壤中，除 Ｈｇ未能检测出有效数据外，Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｐｂ七种元素的平均含量分别为１１０.１１、４７.８４、４８.３４、１３０.０５、１４.６１、４１、３９.３３ｍｇ／ｋｇ，是河南省土壤背 景 值 的 １.７４、１.７５、２.４２、２.０８、１.４９、６３０.７７、１.７６倍；工矿区滨河地带土壤中，除 Ｈｇ未能检测出有效数据外，Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｐｂ七种元素的平 均 含 量 分 别 为 １１９.３３、４３.２７、３７.６７、８４.０７、１３.２０、４２.５０、３４.８ｍｇ／ｋｇ，是河南省土壤背景值的１.８９、１.５８、１.８８、１.３５、１.３５、６５３.８５、１.５６倍。

变异［２１］。由对三个研究区的各重 金 属 的 变 异 系 数计算可知，农业区滨河土壤中 Ｃｄ、Ｃｒ、Ｈｇ的变异系数分别为５０.５３％、４７.８％、３７.２７％，属于高度变异；Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ 的 变 异 系 数 分 别 为 １３.６％、１１.９９％、１０.０４％，属于中等变异；Ａｓ、Ｃｕ的 变 异 系 数 分 别 为１３.６％、１１.９９％，属于弱变异。市区滨河土壤中 Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ 的 变 异 系 数 分 别 为 ６９.８４％、５０.５６％、３７.２７％，属于高度变异；Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ的变异系数分别为２９.１０％、１１.６５％、１０.１４％，属于中等变异；Ａｓ的变异系数为６.９０％，属于弱变异。工 矿 区 滨 河 土 壤中 Ｃｒ、Ｃｄ的变异系数分别为４９.５９％、４９.１３％，属于高 度 变 异；Ｚｎ、Ａｓ、Ｐｂ 的 变 异 系 数 为 分 别 为２７.８２％、１４.０８％、１.６８％，属于中等变异；Ｎｉ、Ｃｕ的变异系数分别为７.６０％、９.９２％，属于弱变异。

2.2研究区土壤重金属污染评价

采用单因子污染指数法对研究区重金属污染状况进 行评价，评价结果见表６，在农业区滨河土 壤中，Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ 的 Ｃｄ元 素 污 染 指 数 分 别 为 ６０、５０、４７．５０，Ｆ１的 Ｈｇ元素污染指数为９．３３，达到了严重污染水平，其 余 Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｐｂ六种 元素的污染指数均未达到污染标准，处于未污染状态；在市区滨河土壤中，Ｃ３的 Ｃｄ元 素 污 染 指 数 为１３６．６７，达到 重 度 污 染 水 平；Ｃ４ 的 Ｚｎ 元 素 污 染 指 数 为１．０８，属 于 轻 度 污 染，其 余 Ｈｇ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｐｂ七种元素的污染指数均未达到污染标准；在工矿区滨河土壤中，Ｍ４、Ｍ５的 Ｃｄ元素污染指数分别为５０、５６．２５，达到重度污染水平，其余 Ｈｇ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｐｂ七 种 元 素 的 污 染 指 数 均 未 达 到 污 染 标准，处于未污染状态。

综合污染指数反映了８种重金属元素在三个研究区的综合污染状况，综合污染指数法不仅考虑了各种污染物的平均污染水平，还能反映污染最严重的污染物给 环 境 造 成 的 危 害［２２］。采 用 内 梅 罗 综 合污染指数评价方法的评价结果如 表６所示，农业区

内梅罗污染指数分别为０.５３、０.５０，属于安全范围内。市区中 Ｃ₁、Ｃ₂ 的内梅罗污染指数分别为０.５２、０.４６，均处于安全范围内；Ｃ₃点内梅罗污染 指 数 为３６.６４，属于重度污染；Ｃ₄ 和 Ｃ₅内梅罗污染指 数 分别为０.８９、０.７９，处 于 警 戒 线 水 平。工 矿 区 中 Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃的 内 梅 罗 污 染 指 数 分 别 为 ０.４９、０.４８、０.５８，均处于安全 范 围 内；Ｍ₄、Ｍ₅ 的 内 梅 罗 污 染 指数分别为３５.８８、４０.２１，属 于 严 重 污 染。计 算 各 点位的内梅罗污染指数得出，滨河土壤重金属的内梅罗污染指数范围在０.４６～４３.０５之间，１７个点位中安全、警戒线、轻度污染、中度污染和重度污染所占比率分别为 ４７.０５％、１１.７６％、０、０、４１.１８％，大部分受污染点位处于警戒线或重度污染水平，污染点的具体分布情况见图２。综合三个研究区段的评价结果，农业区、市区、工矿区三个研究区段滨河土壤的平均综合污染指数分别为３７.５６、３６.６５、３７.９８，污染程度依次为工矿区＞农业区＞市区，均达到了重度污染水平。

2.3研究区土壤重金属生态风险评价

生态风险评价可以确定生态效应与风险污染源之间的关系，从而判断有害物质对生态系统中的生物产生显著性危害的概率，是对可能产生的负面生态效应进行 评 价 的 过 程［２２］。潜 在 生 态 风 险 指 数 法综合考虑了研究区域对重金属污染的敏感度和区域背景值的差异，重金属元素的毒性以及在沉积物中普遍的迁移转化规律，避免了异源污染和区域差异的影响［２３］。

采用单项 潜 在 生 态 风 险 指 数 评 价 的 结 果 见 表７，在农业区土壤中，Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃ 的 Ｃｄ元素平均潜在风险指 数 分 别 为２２１５３.８５、１８４６１.５４、１７５３８.４６，Ｆ４点位的 Ｈｇ元素潜在风险指数高达２２４００，处于极强烈风险水平，其余元素的单项潜在生态风险指数显示均处于轻微风险水平，重金属潜在生态风险指数依次为 Ｈｇ＞Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｐｂ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｃｒ＞Ｚｎ；在市区滨河土壤中，仅有 Ｃ３的 Ｃｄ元素潜在风险指数为１８９２３.０８，达到 极 强 烈 风 险 水 平，其 余 元 素 的单项污染风险指数均处于轻微风险水平，重金属潜在生态风险指数依次为Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｃｕ＞Ｐｂ＞Ｎｉ＞Ｃｒ＞Ｚｎ；在工矿区 滨 河 土 壤 中，Ｍ４、Ｍ５点 位 Ｃｄ元 素的潜在风险指数分别为１８４６１.５４、２０７６９.２３，达到极强烈风险水平，其余元素的单项污染风险指数均处于轻微风险水平，重金属潜在生态风险指数依次为 Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｐｂ＞Ｃｒ＞Ｚｎ。采 用 综 合 潜在风险指数评 价 的 评 价 结 果 见 表７，市 区、工 矿 区、农业区的滨河地带污染风险等级逐渐加剧，三类研究区域的平均综合潜在风险指数分别为１８９７３.１８、１９６５９.０９、４１８２８.２９，均具有很强的生态风险。

3讨论

在市区、农业区、工矿区的滨河土壤重金属污染元素 中，Ｃｄ元 素 为 最 严 重 的 污 染 物，其 平 均 值（４２ｍｇ／ｋｇ）是二 级 标 准（０.８ ｍｇ／ｋｇ）和 河 南 省 土 壤 背景值（０.０６５ｍｇ／ｋｇ）的５２.５、６４６倍，考 虑 其 Ｃｄ元素的毒性系数影响，导致三个区段的土壤重度污染，且加重了滨河地带潜在生态风险。工矿区污染点集中在中州铝厂与南水北调交汇处以及北孟村与白庄村之间，该区段是焦作市工矿企业尤其是煤矿较为集中的区域。关于煤矿区土壤重金属污染已有许多研究，丛鑫等［２４］对 煤 矸 石 山 周 边 土 壤 分 析 表 明，土壤中 Ｐｂ、Ｃｕ、Ｃｒ和 Ｎｉ含量的平 均 值 均 高 于 土 壤 背景值；马骅等［２５］研究发现煤矸石周边土壤中 Ｃｄ、Ｐｂ和Ｚｎ污染程度最 严 重；马 守 臣 等［２６］对 焦 作 矿 区 农田土壤研究发现，矿井水污灌农田土壤中 Ｚｎ和 Ｃｄ达到中度污染水平，煤矸石污染农田 土 壤 中 Ｚｎ、Ｃｒ和 Ｃｄ达到 轻 度 污 染 水 平。可 见，长 期 煤 炭 开 采 使矿区周围形成大量煤矸石堆，以及矿井废水不合理排放使用都对矿区周边治理环境造成严重的污染。

农业区污染点大多集中在河流交汇处，其主要原因是焦作市的河流大多为工矿企业的排污渠道，工矿企业排放的含有超标重金属的污水经过排污河渠的途中渗入地下水，再通过农业灌溉进入土壤，导致农业区的土壤存在极高的重金属污染风险。于树宾等［１４］通过对 南 水 北 调 焦 作 段 典 型 区 浅 层 地 下 水污染研究发现，研究区浅层地下水重金属污染严重。此外，重金属元素是肥料中报道最多的污染物质，其中品位较差的磷矿粉和过磷酸钙中含有微量的 Ｃｄ、Ａｓ［２７］。因此，在农业区由于生产过程中大量使用化肥农药也加重了农田土壤重金属污染。

市区滨河土壤重金属污染主要来源工矿企业的长期“三废”排放，土壤重金属污染地段主要分布于有建筑垃圾堆积物、生活垃圾污水排放处。由于焦作市干渠周 边 分 布 有 火 电 厂、化工厂等企业，长期“三废”排放会对周围土壤造成环境污染。李艳利等［２８］人对焦作市城区土壤中 Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｄ、Ｐｂ共４种重金属的空间变异结构和分布格局进行了分析，结果表明 Ｃｒ、Ｃｄ污染较为严重；另外，在南水北调施工过程中由于村庄拆迁，生活垃圾、建筑垃圾处置不科学或者未及时处理从而对滨河地段土壤造成一定程度的污染。郭彦海等［２９］对生活 垃 圾 焚 烧 厂 周 边表层土壤样品研究表明垃圾焚烧厂周边土壤处于中等生态风险水平，其中 Ｃｄ 贡献率高达７９.６３ ％；银燕春等［３０］对成都市区、城郊和农村三区生活垃圾的重金属污染特性和来源研究发现 Ｃｄ 、Ｃｕ、Ｚｎ和 Ｐｂ主要源于尘土和塑料和包装纸。

调查结果显示，虽然农业区中仅在 Ｆ₄ 点位中检测到 Ｈｇ元素（９.３３ｍｇ／ｋｇ），但却是二级标准（１.５ｍｇ／ｋｇ）和 河 南 省 土 壤 背 景 值 （０.０２５ ｍｇ／ｋｇ）的６.２２、３７３.２倍，导致 Ｈｇ的单因子污染指数和单项潜在风险指数分别为９.３３、２２４００，属于重度污染并存在极强烈生态风险。市区滨河土壤中 Ｃ₄ 的 Ｚｎ元素（３２４ｍｇ／ｋｇ），是二级标准（３００ｍｇ／ｋｇ）和河南省土壤背景值（６２.５ｍｇ／ｋｇ）的１.０８、５.１８倍，属于轻度污染且处于轻微风险水平。由 于 其 侧 重 点 不同，重金属的污染程度和潜在生态风险结果往往存在差异，污染指数评价主要用于反映单个重金属元素和研究区的整体污染程度，而潜在生态风险评价引入了重金属元素的毒性响应系数，使其更侧重于毒理方面［３１］。从评价结果来看，而Ｚｎ的毒性系数为１，则潜在生态风险较低。Ｈｇ的毒性系数为４０，则潜在生态风险强烈，由于重金属 Ｈｇ对人体危害十分严重，因此仍需予以重视。此外，市区中Ｃ４ 点位的Ｚｎ元素变异系数（６９.８４％）为三个研究区八种元素的最高值，虽然主要原因可能是受到研究区范围大小和采样点位置的影响，但众多研究较为一致认为Ｚｎ元素主要来源于土壤母质［３１］，不会对土壤造成污染。

总之，本研究表明部分重金属已经对滨河地带土壤造成一定程度的污染风险，如果不及时采取措施，不仅对土壤环境、植被健康产生影响、也对南水北调的水质安全造成极大地威胁，从而影响到生态环境和人类健康。结合现场调查结果显示，在农业区的跨渠公路桥、工矿区企业与南水北调交汇处，以及南水北调与排污河流临近区域的土壤面临着较高的重金属潜在生态风险，对区域生态环境以及干渠水质带来安全隐患。因此，可以根据不同土地类型土壤的重金属含量与分布差异，对研究区开展土壤重金属污染分区治理，以降低滨河地带土壤重金属污染对输水工程的污染风险。

4结论

通过对南水北调滨河地带土壤进行调查采样，测定土壤中８种重金属元素的含量，对其进行重金属污染特征分析、综合污染评价、生态风险评估，得出以下结论。

01 南水北调中线工程焦作段滨河地带土壤中主要重金属污染风险元素为 Ｃｄ。在农业区段，重金属污染指数依次为 Ｃｄ＞Ｈｇ＞Ａｓ＞Ｃｒ＞Ｎｉ＞Ｐｂ＞Ｃｕ＞Ｚｎ；在市区段，重金属污染指数依次为Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｐｂ＞Ｎｉ＝Ｃｕ＞Ｃｒ＞Ｚｎ；在工矿区段，重金属按污染指数依次为 Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｃｒ＞Ｐｂ＞Ｎｉ＞Ｃｕ＞Ｚｎ。

02 在农业区段，潜在生态风险指数依次为 Ｈｇ＞Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｐｂ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｃｒ＞Ｚｎ；在市区段，潜在生态风险指数依次为 Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｃｕ＞Ｐｂ＞Ｎｉ＞Ｃｒ＞Ｚｎ；在工矿区段，重金属潜在生态风险指数依次为Ｃｄ＞Ａｓ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｐｂ＞Ｃｒ＞Ｚｎ。

03 综合三个研究区段的评价结果，污染程度依次为工矿区＞农业区＞市区，且均处于重度污染水平；潜在生态风险等级依次为农业区＞工矿区＞市区，且均具有很强的生态风险。

原标题：南水北调中线工程焦作段滨河地带土壤重金属污染风险评价