江西德兴铜矿重金属环境质量演化与预警模型研究

摘要

德兴铜矿位于江西上饶德兴市境内，是我国最大的露天斑岩型铜矿床。本文针对德兴铜矿集区重金属环境问题，将德兴地区的环境问题按河流分为大坞河流域、4＃尾砂库及其下游、乐安江流域和戴村地区，在第一阶段（2002年至2006年）和第二阶段（2010年至2012年）对矿集区水、底泥、土壤、种植物进行样品采集工作，充分利用这些样品的测试数据，从以下几个方面建立数学模型来分析研究德兴铜矿重金属环境问题。
　　(1)分析不同流域，不同时间样品数据，国家标准和德兴地区地球化学基线值为标准，采用单污染指数法(Pi=Ci/Si)，地球化学基线法(P基=Ci/Ti)，综合污染指数法(P综=√((Pimax)2+（(P)i）2）/2，(P)=1/nn∑i=1Pi），对水、底泥、土壤、种植物进行评价，研究样品中重金属在德兴地区水、底泥、土壤、种植物的含量、时空分布规律及环境质量演化趋势。结果表明:德兴地区水、底泥、土壤污染主要集中在大坞河流域，水主要污染元素为Cu、Zn、Cd，底泥主要污染元素为Cu、As、Cd，土壤主要污染元素为Cu、As、Cd、Hg。种植物污染分布在整个德兴地区，主要污染元素为Cu、Pb、Cd、As、Hg。
　　(2)对德兴地区土壤重金属进行超标年限预测。建立数学模型，在不同流域中按区域分成加速堆积和匀速堆积模型，并以国家Ⅲ级土壤标准为土壤基准，最后推导出超标年限的计算公式，加速堆积公式为T=t√(Cb-Ci)/(Ci-Cn)，匀速堆积公式为T=Q/V0=t（Cb-Ci）/(Ci-Cn)。结果表明:德兴地区土壤主要是Cu、As、Cd、Hg超标，并且有部分样品在50年内超标，在今后的50年内仍要监测这些元素变化趋势。
　　在土壤评价模型和土壤超标年限的基础上，对德兴地区土壤重金属进行污染预警。首先根据加速和匀速累积模型预测未来T年后的土壤中重金属含量，然后T年后土壤质量评分值和当前土壤质量评分值，进行比较，将预警模型分为污染预警模型(P{E(t)>EP}≥α）、迅速恶化预警模型(P{E(T)＜EP，|E(T)-E(t)|/T-t＜△EP}＞α）和缓慢恶化预警模型(P{E(T)＜EP，|E(T)-E(t)|/T-t＞ΔEP}＞α）三类。预警结果表明:大坞河和4#尾砂库岸边都发现污染预警或迅速恶化预警，离岸较远处发出迅速和缓慢恶心预警。对土壤中重金属的预测预警为今后土壤环境治理提供理论依据。
　　(3)以种植物可食入部分为标准，结合富集系数来确定农田土壤中重金属风险阈值，即T=E/(W(A)/W(B))。结果表明:德兴地区大米土壤风险阈值Cu为78.302μg/g，Pb为35.219μg/g，Cd为0.328μg/g，As为13.31μg/g，Hg为0.405μg/g，Cr为737.48μg/g;小白菜土壤风险阈值Cu为61.902μg/g，Pb为6.465μg/g，Cd为0.029μg/g，As为1.804μg/g，Hg为0.063μg/g。本次研究解决了国标在某些地区严重偏差和种植物效应的考虑品种单一这两个缺点，为德兴铜矿集区的大米和小白菜的种植地点选择和污染农田土壤的治理提供科学依据。
　　由于小白菜对重金属富集系数较高，因此，用小白菜作为修复剂来吸收土壤中重金属元素，修复年限为Y=（ρ*s*h*w（A）*σ）/(m*t*α*w(B))。结果表明:用小白菜来作修复剂，对土壤中重金属元素进行吸收时，27年就可将土壤中有效态的Cu吸收，13年可将土壤中有效态的Pb吸收，61年就可将土壤中有效态的Cd吸收，2年就可将土壤中有效态的As吸收，9年就可将土壤中有效态的Hg吸收。因此，用小白菜吸收土壤中重金属可行，为土壤治理提供一种可行方法。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题来源和选题依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 重金属污染评价方法研究现状

1．2．2 土壤重金属污染预测预警研究现状

1．2．3 土壤重金属污染风险阈值研究现状

1．2．4 土壤重金属修复研究现状

1．2．5 德兴地区的环境问题研究现状

1．3 研究内容

1．3．1 实物工作量

1．3．2 研究区概况

1．3．3 土壤、水、底泥、种植物特征

1．3．4 土壤、水、底泥、种植物评价

1．3．5 土壤重金属污染预测预警

1．3．6 土壤重金属风险阈值和土壤修复

1．4 本文创新点

第2章 德兴铜矿重金属环境问题

2．1 水环境问题

2．1．1 大坞河水环境问题

2．1．2 4#尾砂库及其下游水环境问题

2．1．3 乐安江流域和戴村地区水环境问题

2．2 底泥环境问题

2．2．1 大坞河流域底泥环境问题

2．2．2 4#尾砂库及其下游底泥环境问题

2．2．3 乐安江流域和戴村地区底泥环境问题

2．3 土壤环境问题

2．3．1 大坞河流域土壤环境问题

2．3．2 1#尾砂库和4#尾砂库及其下游土壤环境问题

2．3．3 乐安江流域和戴村地区土壤环境问题

2．3．4 对照区土壤环境问题

2．3．5 德兴地区土壤环境问题总体特征

2．3．6 德兴地区土壤影响范围

2．4 种植物环境问题

2．4．1 大坞河流域种植物环境问题

2．4．2 1#尾砂库和4#尾砂库及其下游种植物环境问题

2．4．3 乐安江流域种植物环境问题

2．4．4 对照区种植物环境问题

2．5 小结

第3章 德兴铜矿重金属环境评价

3．1 地表水质量评价

3．1．1 大坞河地表水水质评价

3．1．2 4#尾砂库及其下游地表水水环境评价

3．1．3 乐安江流域和戴村地区地表水水环境评价

3．2 地下水水质量评价

3．3 底泥质量评价

3．3．1 大坞河底泥评价

3．3．2 4#尾砂库及其下游底泥评价

3．3．3 乐安江流域及戴村底泥评价

3．4 土壤质量评价

3．4．1 大坞河土壤评价

3．4．2 1#尾砂库和4#尾砂库及其下游土壤评价

3．4．3 乐安江流域和戴村土壤评价

3．4．4 对照区土壤质量评价

3．5 种植物质量评价

3．5．1 大米质量评价

3．5．2 小白菜质量评价

3．6 小结

第4章 土壤重金属污染预测预警

4．1 矿集区土壤超标年限预测

4．1．1 预测原理

4．1．2 数学模型

4．1．3 预测结果

4．2 矿集区土壤污染恶化预警

4．2．1 预警原理

4．2．2 数学模型

4．2．3 预警结果

第5章 农田土壤重金属风险阈值和土壤修复

5．1 农田土壤重金属风险阈值

5．1．1 土壤和种植物中重金属评价

5．1．2 土壤重金属风险阈值

5．1．3 讨论

5．1．4 小结

5．2 土壤重金属修复

5．2．1 研究区重金属超富集植物的初步筛选

5．2．2 小白菜吸附重金属的特性

5．2．3 小白菜修复土壤重金属污染效果设想

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录