【专家视角】中南大学薛生国团队CEJ：土壤-地下水重金属异质性分布对冶炼场地土水协同修复提出新挑战

通讯作者：薛生国教授

第一作者：曾嘉庆博士

通讯单位：冶金与环境学院/国家重金污染防治工程技术研究中心，中南大学

图片摘要

成果简介

近日，中南大学薛生国教授团队在ChemicalEngineeringJournal上发表了题为“Heterogeneousdistributionsofheavymetalsinthesoil-groundwatersystemempowerstheknowledgeofthepollutionmigrationatasmeltingsite”的研究论文(https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140307)，基于高密度土壤-地下水污染数据与水文地质数据的系统梳理，从重金属总量和赋存形态变化两方面，阐明了某冶炼场地土壤-地下水重金属的异质性分布特征，发现污染物的外源输入和复杂的水文地质结构是影响重金属迁移转化的关键因素。重金属在地下非饱和带通过多相传输和重力作用引起的垂向迁移为主，而在饱和含水层的迁移模式则以地下水流动引起的溶质运移为主。研究成果阐明了有色冶炼场地土壤-地下水系统重金属的迁移行为和扩散模式，有助于揭示有色冶炼场地的重金属赋存与分配规律，为开展污染场地的重金属环境风险管控和土壤-地下水协同修复提供理论支撑和实践参考。

引言

有色金属采选冶炼活动引起的重金属污染是世界各国面临的重大环境问题。污染物首先进入土壤，逐渐迁移至地下水，进一步扩散到周围环境，严重影响公众身心健康。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，重污染企业用地监测点位超标率36.3%，工业废弃地点位超标率34.9%，金属冶炼加工区超标问题突出，有色冶金行业尤为严重。2016年国务院印发《土壤污染防治行动计划》，2019年《中华人民共和国土壤污染防治法》正式施行，要求重点监管有色金属采选冶炼行业，加强土壤污染防治，保障公众健康，推动土壤资源永续利用，推进生态文明建设。2019年发布的《地下水污染防治实施方案》明确提出要严控有色金属冶炼等行业环境风险，监控地下水污染源，遏制地下水污染加剧趋势。

明确重金属在环境中的迁移扩散规律是制定针对性的污染控制措施的基础。有色冶炼活动排放的重金属与土壤介质发生一系列复杂的物理、化学和生物界面反应，通过扩散、淋溶、地表水与地下水间相互作用进入地下水。重金属与载体间反应类型和过程的不确定性、地下环境中“固/液/气”多相传输的复杂性、水文地质结构的高度离散性阻碍了对土壤-地下水中重金属赋存行为和迁移转化规律的准确预测。论文从系统化角度出发，兼顾重金属总量和赋存形态变化，探讨污染物在冶炼场地环境的迁移扩散规律，以期实现：（1）阐明污染场地的重金属异质性分布特征，揭示污染物在包气带和饱和含水层的迁移规律；（2）评估复杂场地条件下的重金属迁移潜力及其地下水环境风险；（3）筛选冶炼场地土壤-地下水重金属迁移转化的关键影响因素。研究成果是中南地区复杂地质环境条件下重金属迁移模式的系统思考，对有色金属冶炼场地环境污染风险管控和土壤-地下水协同修复技术研发具有重要的科学意义和实践价值。

图文导读

冶炼场地高密度的土壤-地下水取样

结合原冶炼生产工艺，将研究地块分为物料堆存区、焙烧炉区、熔炼铸锭区，按照10m×10m网格，布设土壤点位93个、地下水监测井14口，2021年3-7月，定期开展地下水位监测。区域地层一般由杂填土、素填土、淤泥质粘土、砂砾石层和泥质粉砂岩等组成，其中黏土层（K:4.05×10-5cm/s）和底部风化基岩层（K:4.79×10-5cm/s）质地紧密。地下水以非承压水为主，填土层以包气带水为主，接受降雨、地表径流与原有厂房排水补给。砂砾石层以潜水为主，接受大气降水和地下水侧向补给。

重金属迁移分布的水文地质参数量化与模型构建 

以地下水位为界，将钻孔岩心样品分为两类，地下水位线以上的土壤为包气带样品（杂填土顶层样品），地下水位线以下的土壤为含水层样品（砂砾石层底部、风化基岩顶部样品）。通过空间分析发现，非饱和带垂向优先流：地下水中重金属分布模式与顶层土壤高度重合，表明污染物在包气带的迁移是一个多成分、多相态的渗流过程。冶炼活动释放的重金属首先污染了表土，然后通过多相传输和重力作用被浸出并向下迁移，所以污染物的垂直传输在该区域占主导地位。饱和含水层水力作用：在最深的土壤层中，污染分布模式与上面两层有较大差异。污染物进入地下饱和含水层后，其迁移模式发生变化。污染物主要以其离子态或可溶态存在于地下水，并通过对流或扩散随地下水迁移。

冶炼场地土壤-地下水的重金属异质性分布与扩散 

通过整合水文地质数据、土壤和地下水重金属数据以及地下水流场数据，模拟研究土壤-地下水系统中重金属的分布和扩散情况，直接获取整个系统中重金属的污染量。污染量的排序为Cd（55.8%）>As（52.1%）>Pb（30.9%）>Zn（27.5%）。此外，该模型还可以辅助理解污染物的迁移模式。在非饱和带（地下水面以上，图5），四种重金属均呈现出地表垂直向下迁移的模式；而饱和带（地下水面以下）未见类似模式。

冶炼场地土壤-地下水的重金属赋存形态

土壤As以残渣态为主（>80%），通常存在于形成土壤颗粒基质的Alamino-Silicate矿物中；Pb残渣态（~49%）以铁锰氧化物结合态（~20%）为主，Cd主要为碳酸盐结合态（~38%）和可交换态（~22%），Zn可交换态和碳酸盐结合态分别占14%和21%。Cd和Zn的高活性组分（F1和F2）随着深度增加而减少，可交换态和碳酸盐结合态组分较低。重金属的潜在流动性：Cd（52.6%）>Zn（32.2%）>Pb（22.5%）>As（3.7%）。

选择水文地质特征（地下水流累积量和土层类型）、土壤理化性质（pH和Eh）、冶炼活动类型等6个因素，通过相关性分析解释重金属的迁移模式。冶炼场地土壤-地下水系统呈现出中性至碱性（6.4-11.4）、轻度氧化至强还原性条件（-224至171mV），这有利于重金属向稳定态过渡。重金属的高流动性部分易受到地下水流场的影响，可交换态含量均与地下水流呈显著正相关（图7）。

重金属可交换态含量与地下水中的浓度呈显著正相关，Cd、Zn、Pb的相关系数分别高达0.99、0.96、0.993。可交换态重金属主要通过静电作用吸附在土壤颗粒表面，流动性较强，易进入地下水环境，我们建立的土壤可交换组分和地下水重金属的相互作用模型可以佐证（图8）。土壤中可交换重金属的分布与地下水污染羽流有很大的重叠区域，重叠区域大小排序为Cd>Zn>Pb>As，这一趋势与前文讨论的重金属迁移潜力一致。土壤中的可交换态重金属最容易释放到地下水中，并在径向迁移中发挥重要作用，这是地下水污染形成的主要原因。

小结

本研究基于高精度的有色冶炼场地污染与水文地质调查，以三维表征和数值模拟为有效工具，全面挖掘场地多源环境信息，发现污染物的外源输入和复杂的水文地质结构是控制重金属迁移转化的关键因素。重金属在地下非饱和带通过多相传输和重力作用引起的垂向迁移为主，而在饱和含水层的迁移模式则以地下水流动引起的溶质运移为主。研究成果有助于揭示有色冶炼场地的重金属赋存与分配规律，为开展污染场地的重金属环境风险管控和土壤-地下水协同修复提供科学依据。

本论文得到了国家重点研发计划项目（2019YFC1803600）、湖南省研究生创新项目（CX20210203）和中南大学研究生自主探索创新项目（2021zzts0121）的资助。

通讯作者简介

通讯作者：薛生国 中南大学二级教授，博士生导师，中国生态学会污染生态专业委员会副主任、中国硅酸盐学会冶金渣专业委员会副主任、中国土壤学会土壤环境专业委员会委员、中国环境学会重金属污染防治专业委员会委员。

研究方向：主要从事污染场地土水协同修复、工业固体废物生态处置、重金属污染环境修复、环境突发事件应急管理等研究。主持国家重点研发计划项目、国家自然基金重点项目、国家环保行业科研专项等20余项。以第一或通讯作者在ChemicalEngineeringJournal、JournalofHazardousMaterials、JournalofCleanerProduction、EnvironmentalPollution、《环境科学》《生态学报》《土壤学报》等发表高水平论文130余篇，其中ESI1%论文15篇、ESI热点论文6篇。主编专著4部，授权国家发明专利15件。

课题组主页：http://faculty.csu.edu.cn/xueshengguo/zh_CN/index.htm

第一作者：曾嘉庆，男，博士研究生，研究方向为有色冶炼场地土壤-地下水污染精细刻画与修复，以第一作者在ChemicalEngineeringJournal、JournalofHazardousMaterials、JournalofEnvironmentalScience、《中国有色金属学报》等发表论文5篇，主持湖南省研究生创新项目1项、中南大学研究生创新项目1项，参编专著1部。