基于流域水环境模型评估重金属面源污染负荷

为定量评估重金属面源污染负荷,以分布式流域水环境模型SWAT模型为基础,借鉴输出系数模型,考虑溶出率影响,发展了一个重金属面源污染模型—SWAT-MT模型. SWAT-MT模型模拟重金属在流域内的大气沉降、地表径流冲刷、土壤和河道中的运移过程,结构较为简单,兼具机理模型和输出系数模型的优点. 本文应用SWAT-MT模型评估了湘江株洲段一个子流域的铅面源负荷,并通过敏感性分析和蒙特卡洛模拟识别了铅面源模拟的敏感参数,量化了模型输出中的不确定性. 结果表明:①研究区铅的面源侵蚀量为2.09 t/a,侵蚀强度为5.27 kg/(km2·a). 铅侵蚀强度时空差异明显,汛期(4—7月)雨水集中,铅的侵蚀量大. 侵蚀强度高的地方集中在流域下游,城镇用地的侵蚀强度约为流域平均水平的2倍. ②流域出口的铅负荷为0.79 t/a,约60%的铅侵蚀量滞留在河道,说明沉降是河道运移的主要过程. ③蒙特卡洛模拟结果显示,模型输出存在显著的不确定性, 95%置信区间下,铅的面源侵蚀量为1.62～2.59 t/a,流域出口负荷为0.50～1.16 t/a;为降低模拟不确定性并提高模型可靠性,应重点关注城市地表积尘的铅浓度、铅溶出率和河道铅沉降速率等敏感参数的取值. 研究显示,通过合理的参数赋值,SWAT-MT模型能够提供较为可靠的重金属面源负荷估算结果,为重金属污染综合防治工作提供科学工具.      

湘中矿区不同用地类型面源Cd输出负荷的原位实验研究

受污染土壤重金属随降雨径流输出已成为河流、湖泊等水体重金属超标的主要来源之一,近年来日益受到关注.研究表明湘江中下游农田土壤重金属超标问题日益严峻,以镉超标最为严重.研究以湘中矿区Cd超标农业小流域为实验场,选取流域内水稻、旱田、荒草地这3类土地利用模式设置径流小区进行自然降雨水文过程的原位观测.结果表明,雨水pH值由春季到夏季呈升高趋势,径流水相溶解态Cd浓度呈明显的季节性差异,春季显著高于夏季,雨水pH值可显著影响土壤溶解态Cd向径流水相迁移,与径流水相溶解态Cd浓度呈负相关关系.相同降雨条件下,稻田径流水相溶解态Cd浓度显著低于旱田和荒草地,旱田与荒草地Cd面源输出负荷显著高于水稻田,由于降雨量差异,3类土地利用类型溶解态Cd面源输出负荷的季节性规律不明显.本研究可为流域尺度重金属面源输出负荷定量估算以及湘江流域水环境安全与水质预警提供数据支持和科学依据.     

巢湖地区无监测资料小流域面源磷污染输出负荷时空特征

在来自工业和城镇生活污水的点源污染得到有效控制的状况下,面源磷污染正逐步成为湖泊和河流富营养化的主导因子.在缺少监测资料的流域,移植处于同纬度和具有相同自然条件的流域的模型参数,是开展SWAT模型模拟的有效方法.因此,本文以巢湖地区的柘皋河小流域为例,通过移植率定好的模型参数,运用SWAT模型分析研究区面源磷污染输出负荷的时间变化和空间分布特征.结果表明,1980—2012年面源磷污染负荷围绕着平均值上下波动,不同水平年的磷污染负荷有较大差异,其中,1996—2012年的面源磷污染的年负荷大于1980—1995年的磷污染年负荷.两个时期内不同月份的总磷负荷均有显著性差异,其中,6—8月的磷污染负荷较大.两个时期的面源磷负荷的空间分布存在一定的差异,1996—2012年单位面积的面源磷负荷明显大于1980—1995年的单位面积面源磷负荷,其中,面源磷负荷的增加主要集中在水田区域.土地利用类型的变化和化肥的大量使用是导致研究区面源磷污染负荷增加的主要因素.     

AnnAGNPS模型在流溪河下游流域农业非点源污染模拟应用

本文在珠江三角洲地区选取流溪河下游流域.借助GIS和RS以及相关资料率定模型参数,应用连续-分布式参数模型AnnAGNPS分别模拟了1998年、2000年和2002年三年的面源污染,并对污染负荷的空间和时间分布特征进行了分析,对于利用GIS和RS技术应用AnnAGNPS模型来计算流域面源污染提供了一种比较新的方法和思路,对我国其他地区尤其是经济较发达而环境污染问题较突出的地区研究面源污染具有重要的参考价值.     

信息约束条件下的流域农业面源污染控制优化

我国广大小流域迫切需要开展农业面源污染控制,但却面临着水质、水文、气象、土地等监测资料不足的信息约束条件。为了应对此问题,本文以具有冻融变化特征的东北地区为例,开发了一套信息约束条件下的流域农业面源污染控制优化系统。首先,提出了农业面源污染负荷的计算方法。其次,分析了流域水质的影响因素。接着,建立了面源污染输入与流域出水口水质之间的响应关系,经验证该系统输出数据与实际污染状况相吻合,能够很好地模拟流域污染状况。最后通过各种削减策略的运用,模拟出农业面源污染削减率和削减后的总氮浓度。通过采用本研究制定的控制优化方案,改变种植类型和面积以及改善施肥配施比,将污染源数据进行量化作为输入数据,经系统输出得到模拟污染输出数据,可得到较好的污染削减效果。研究结果为信息约束条件下治理流域农业面源污染提供了决策支持。     

矿山不同片区土壤中Zn、Pb、Cd、Cu和As的污染特征

根据某典型有色金属矿山生产过程的污染状况,将受污染的矿区土壤分为尾矿污染区、坑道废水污染区、污风降尘污染区和精矿运输污染区4种类型.选择该矿区受污染土壤样本28个,用等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)等方法分析了土壤重金属含量和形态特征.结果表明,该矿区土壤重金属Zn、Pb、Cd、Cu和As污染较为严重,土壤Zn、Pb、Cd、Cu和As平均含量分别达508.6mg·kg^-1、384.8mg·kg^-1、7.53mg·kg^-1、356mg·kg^-1 和44.6mg·kg^-1.不同片区间存在明显差别,污染强度以尾矿污染区最高,内梅罗综合指数为173,其次是精矿运输污染区和坑道废水污染区,污风降尘污染区污染较轻;各片区土壤的重金属元素以残余态为主,有机结合态比例最小,不同元素之间、不同片区土壤之间各形态所占比例差别不大.     

北京市面源入河污染物负荷测算方法体系研究

选择北京市城乡接合部南沙河流域为典型区,采用传统面源方法中的输出系数法和EcoHat-NPS模型方法分别计算典型区的面源污染入河负荷量及入河污染浓度,利用一维水质模型实现入河点源和面源污染分离,计算各入河口基于实测的面源浓度推算值,并对输出系数法和EcoHat-NPS模型2种方法测算结果的精度进行对比分析。结果表明:1)输出系数法计算精度一般,EcoHat-NPS模型模拟方法计算精度和稳定性良好,COD、NH₃-N、TP、TN的平均模拟精度R2为0.83、0.94、0.94、0.82,NH₃-N、TP模拟效果较好,COD、TN次之;2)输出系数法计算得到COD、NH₃-N、TN、TP入河量依次为1110.9,70.9,391.8,5.02 t/a;EcoHat-NPS模型方法则依次为1403.34,78,388.2,7.3 t/a;3)EcoHat-NPS模型方法可识别主要的面源污染区域,计算时间尺度灵活,更适用于北京市面源污染测算,在数据进一步精细化后,可推广用于全市面源入河污染物的测算。     

基于替代模型的非点源污染模拟不确定性分析——以石头口门水库汇水流域为例

为分析机理模型参数不确定性对非点源污染模拟结果的影响,以石头口门水库汇水流域为研究区,选择采用SWAT模型对研究区非点源污染进行模拟,并应用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对非点源污染机理模拟模型参数进行不确定性分析.但蒙特卡罗方法需要大量的取样并多次运行模拟模型,若直接调用SWAT模型,耗费的时间和资源较多.为降低计算负荷,应用克里格方法建立研究区非点源污染机理模型的替代模型,而实现蒙特卡罗模拟.结果表明:采用克里格方法建立研究区非点源污染SWAT模型的替代模型,不仅可以大幅减小计算负荷,还可以保持较好的精度;在置信水平为90%时,氨氮负荷输出和总磷负荷输出的区间范围分别为0.98×10~3~1.67×10~3t/a,0.29×10~3~0.84×103~t/a;相比于非点源总磷的输出结果,非点源氨氮输出结果的不确定性较大.     

辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析

以辽宁太子河流域为研究区,为定量估算该区非点源氮磷污染负荷,经过实地调研和资料收集后,利用单位负荷法和SWAT模型相结合的方法对流域进行1997~2008年径流、泥沙和营养盐输出的模拟研究,进行了多参数、多目标和多站点详细的参数率定和模拟验证,最后分析了非点源氮磷负荷的时空分布规律.结果表明:径流模拟效果较好,泥沙和营养盐模拟结果符合要求,模型在太子河流域适用性较好,可以模拟分析该地区的非点源污染负荷问题;1997~2008年年均总氮和总磷负荷为17357.43t和7110.91t,氮磷负荷的时空分布受降雨径流过程的影响,汛期(6~9月)负荷总量占全年的77.76%和80%;负荷强度的空间差异较大,全流域多年平均值为13.20,5.41kg/hm2,流域内污染负荷关键源区是灯塔市和辽阳县.     

辽宁太子河流域非点源氮磷负荷模拟分析

以辽宁太子河流域为研究区,为定量估算该区非点源氮磷污染负荷,经过实地调研和资料收集后,利用单位负荷法和SWAT模型相结合的方法对流域进行1997~2008年径流、泥沙和营养盐输出的模拟研究,进行了多参数、多目标和多站点详细的参数率定和模拟验证,最后分析了非点源氮磷负荷的时空分布规律.结果表明:径流模拟效果较好,泥沙和营养盐模拟结果符合要求,模型在太子河流域适用性较好,可以模拟分析该地区的非点源污染负荷问题;1997~2008年年均总氮和总磷负荷为17357.43t和7110.91t,氮磷负荷的时空分布受降雨径流过程的影响,汛期(6~9月)负荷总量占全年的77.76%和80%;负荷强度的空间差异较大,全流域多年平均值为13.20,5.41kg/hm2,流域内污染负荷关键源区是灯塔市和辽阳县.     

内蒙古包头铁矿区土壤重金属污染特征及其评价

对位于内蒙古草原生态系统的包头尾矿库区和白云鄂博铁矿开采区土壤中重金属的污染状况进行了调查研究,旨在为治理草原矿区的土壤重金属污染提供理论依据.结果表明,包头尾矿库区周围不同方向的土壤都受到了重金属Pb、Cu、Zn和Mn的污染,单项污染指数法评价表明各重金属污染程度为Mn〉Zn〉Pb〉Cu;内梅罗综合污染指数法评价表明...     

我国几个工矿与污灌区土壤重金属污染状况及原因探讨

对我国几个重工业区、矿区、开发区以及污灌区土壤重金属污染状况的调查结果表明，土壤重金属含量绝大部分高于土壤背景值，Cd、Zn等明显超标，某些重金属元素含量间还存在着一定的伴生规律。土中浸提态Cd、Zn含量与土壤pH值呈负相关。土壤中的重金属主要来自于污灌、金属矿藏开采、污泥利用以及大气飘尘等。金属冶炼厂附近土壤中Pb、Zn、Cd含量皆与离污染源距离呈密切的指数相关（R^2＞0.9）。     

区域尺度黄河流域面源污染负荷特征与来源解析

掌握黄河流域甘肃段面源污染负荷特征及其来源,是在区域尺度上提升水环境污染治理水平的重要基础。基于DPeRS面源模型,从农田径流、城镇径流、畜禽养殖、农村生活、水土流失5大污染类型,选取TN、TP、NH₃-N和COD 4个污染指标,对甘肃黄河流域9个市(州)58个县(区)面源污染进行污染负荷估算、污染来源解析及空间分布分析。结果表明:从模型估算结果看,2018年整个流域TN、TP、NH₃-N和COD面源污染排放负荷均值分别为65.6,11.8,19.1,77.2 kg/km2。从区域尺度分析,甘肃黄河流域TN、TP面源污染负荷最高的区域均是兰州市安宁区,分别占整个流域总负荷的10.83%和5.16%;NH₃-N和COD面源污染负荷最高的区域均是临夏回族自治州临夏市,分别占整个流域总负荷的26.23%和56.56%。从污染产生来源分析,TN、TP、NH₃-N和COD的首要污染来源分别为农田径流、水土流失、农田径流和畜禽养殖。从空间分布分析,黄河流域各县(区)面源污染总负荷呈中间高两边低的分布特征,污染负荷较重的区域主要集中在黄河兰州段、大夏河临夏段、渭河天水段等局部区域。     

基于PMF模型及地统计法的乐安河中上游地区土壤重金属来源解析

为实现较大区域范围内土壤重金属来源贡献程度的定量化,选取江西省乐安河中上游地区表层土壤为研究对象,分析污染源样品化学组分并构建本地污染源成分谱,利用PMF（正定矩阵因子分解）模型对土壤重金属进行源解析,并结合地统计空间分析法识别各源的主要影响区域.结果表明:乐安河中上游地区土壤中w（As）、w（Hg）、w（Cd）、w（Cr）、w（Zn）、w（Cu）、w（Mn）、w（Pb）的平均值分别为21.400、0.105、0.25、73.5、88.4、56.2、577.0、49.5 mg/kg,是江西省土壤背景值平均值的1.0~1.8倍,其中,w（As）、w（Cd）、w（Cu）、w（Pb）平均值超过GB 15618-1995《土壤环境质量标准》一级标准限值.土壤重金属主要受铅锌矿冶炼源、金矿选冶源、铜矿采选源、自然源、混合源的影响.铅锌矿开采冶炼活动对洎水河左岸大部分区域土壤造成了影响,源贡献率均大于30%;金矿选冶活动目前仅影响矿区附近土壤,源贡献率最高可达94%;铜矿采选活动也使德兴铜矿周边较大区域范围土壤受到影响,源贡献率处于19%~89%之间.研究显示,构建本地源成分谱可以辅助解析验证PMF源成分谱的有效性,将PMF模型与地统计空间分析法相结合,可以进一步得到源贡献率在空间上的分布状况,对于土壤污染治理决策可提供行之有效的支撑.      

河南洛阳市不同功能区土壤重金属污染特征及评价

以河南洛阳市居民区、科教区、城市绿地、商业区、城市主干道、工业区和城乡结合处这7个功能区为研究对象,共采集63个样品.分析不同功能区土壤重金属含量,采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数评价重金属污染的程度,Hakanson潜在生态风险指数法评价土壤重金属潜在生态风险,主成分分析重金属污染的成因和来源.结果表明,6种重金属平均含量均超过河南省土壤重金属背景值.不同功能区重金属的单因子污染指数平均污染趋势为CdZnPbCuNiCr.内梅罗综合污染指数显示工业区重金属总含量最高,污染最为严重.单个重金属潜在生态危害指数Eir表明,Cd的潜在生态危害指数最高.不同功能区土壤多金属潜在危害危险指数RI依次为工业区(548.87)主干道(466.06)商业区(392.81)居民区(226.27)科教区(189.76)绿地(153.72)城郊(117.45),工业区、主干道和商业区达强生态危害水平,居民区、科教区和绿地达中等生态危害水平,而城乡属轻微生态危害.Cu、Zn、Pb和Cd为人为因子,主要来源于工业废物和交通排放;Cr和Ni为自然源因子,受成土母质的控制.     

基于GIS对宁夏某铜银矿区周边土壤重金属来源解析

以中卫市沙坡头区南部崾岘子沟汇水区为研究区,采用网格布点法采集0~20 cm表层土壤样品194份,对Ni、Cu、Zn、As、Ag、Cr、Cd、Hg和Pb这9种重金属元素进行含量测定,采用PMF源解析模型和IDW插值法分析重金属的来源和空间分布,利用ArcGIS空间统计分析工具进行空间自相关和聚类与异常值分析,得到土壤中重金属来源的分布区域.结果表明,研究区Hg、Ag、Cd和Pb平均值分别为背景值的20.48、3.13、2.23和1.12倍,Cd、Cu、Pb和As最大值分别为筛选值的10.92、5.52、2.03和1.39倍,污染较为严重;Cu、Cd、Pb和Hg的变异系数大小为：Cu （283.23%）>Cd （224.77%）>Pb （144.40%）>Hg （67.12%）,受人类活动影响密切;PMF源解析得到4个主要污染源：自然母质源（32%）、矿业活动和交通运输综合源（17.1%）、工业活动和大气沉降综合源（40.3%）及农业活动和农田压砂综合源（10.6%）,代表元素分别为Cr和Ni,As和Cu,Hg以及Cd;空间统计分析结果表明土壤重金属主要污染源为矿业活动和农业活动,污染严重的区域分布在研究区南部的矿区和研究区东部、中部和西北部的种植区.     

Soil heavy metal pollution from Pb/Zn smelting regions in China and the remediation potential of biomineralization

Smelting activities pose serious environmental problems due to the local and regional heavy metal pollution in soils they cause. It is therefore important to understand the pollution situation and its source in the contaminated soils. In this paper, data on heavy metal pollution in soils resulting from Pb/Zn smelting (published in the last 10 years) in China was summarized. The heavy metal pollution was analyzed from a macroscopic point of view. The results indicated that Pb, Zn, As and Cd were common contaminants that were present in soils with extremely high concentrations. Because of the extreme carcinogenicity, genotoxicity and neurotoxicity that heavy metals pose, remediation of the soils contaminated by smelting is urgently required. The primary anthropogenic activities contributing to soil pollution in smelting areas and the progressive development of accurate source identification were performed. Due to the advantages of biominerals, the potential of biomineralization for heavy metal contaminated soils was introduced. Furthermore, the prospects of geochemical fraction analysis, combined source identification methods as well as several optimization methods for biomineralization are presented, to provide a reference for pollution investigation and remediation in smelting contaminated soils in the future.     

基于稳定同位素与多元素的土壤铅污染源解析

以杭州市富阳区典型工矿企业附近农田为研究对象,基于单因子指数法及内梅罗指数法对土壤重金属污染状况进行了评价,并采用稳定同位素与多元素特征指纹结合多元统计定量解析研究区内农田土壤重金属铅污染的来源,建立基于铅稳定同位素与多元素特征指纹结合主成分-聚类分析的农田土壤铅污染源解析技术.结果表明：研究区域内电镀厂和冼矿场附近的农田土壤受重金属污染很严重,两个地区的铅污染均达到重度污染水平.根据不同污染源及土壤的铅同位素比值（²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb、²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb）,利用源解析软件Isosource分析不同潜在污染源对土壤铅污染的贡献率,结果显示电镀废弃物、废水对电镀厂附近农田土壤铅污染的累计贡献率达70.5%,冼矿场堆放的矿石、尾矿对附近农田土壤铅污染的累计贡献率达71.7%.为了进一步解析土壤铅污染来源,对电镀厂和冼矿场污染源样品中28种多元素含量进行主成分-聚类分析,结果显示不同来源样品的多元素组成差别较大,电镀厂附近农田土壤的多元素组成与电镀废弃物和废水相似度最高,冼矿场附近农田土壤的多元素组成与矿石和尾矿相似度最高.因此,基于铅稳定同位素比值与多元素特征指纹结合主成分-聚类分析得出电镀厂排放的固废、废水和冼矿场堆放的矿石、尾矿是造成附近土壤铅污染的主要原因,也证明基于铅稳定同位素与多元素特征进行铅污染源解析具有较高的准确度和可靠性.