岩溶水文过程介入下重金属的迁移过程及影响因素分析

      广西地区是我国重要的有色金属资源开采区，矿业活动导致的重金属污染是区域主要的水土环境生态环境问题。研究清楚不同环境介质中重金属的污染过程，尤其是多因素作用下迁移与转化机制是重金属污染治理与修复的关键环节。广西地区岩溶发育分布范围广，岩溶含水层连通性好、渗透性强、水流速度快，地表水与地下水交换快速、频繁，直接促进重金属的迁移与扩散，且岩溶水的化学特性可以促进重金属的形态转变。因此，岩溶水文过程介入下重金属的迁移及其潜在的地球化学过程仍需进一步探讨。
      针对上述问题，本项目拟选定广西阳朔铅锌矿流域思的村作为典型研究区，该地区是极为典型的铅锌矿影响下的岩溶流域。思的村区域土壤中重金属含量普遍较高，Pb、Zn、Cd、Cr和Cu等均超过背景值，形态上也有较大差异，呈现明显的空间分异特点，且由于该地区地下水埋深较浅（丰：0~1.2m，枯：0.8~1.5m），多分布在地下水位波动带中，在土壤/沉积物理化性质、含水介质特性及岩溶水文过程介入等多因素下，其具有复杂的迁移和转化特征。思的村地貌类型是以可溶岩为基底、阳朔铅锌矿床区为主要物源区的冲洪积物堆积体，后期经历尾矿库坍塌堆积与农田平整，以及多次水流改造，以思的河河水作为灌溉水源的农业灌溉活动仍持续进行，且思的河经“明流-伏流-明流”转换后汇入漓江，威胁漓江水系及流域生态环境安全。

      1、样品采集，分析重金属含量与形态、土壤/沉积物地球化学性质、水化学的时空分布特性，分析土壤/沉积物中重金属的可浸出性，探讨重金属向地下水迁移转化的潜在能力;
      2、分析岩溶水文过程介入下，水位波动过程中重金属在土壤/沉积物-地下水的迁移过程，阐述重金属分布与迁移的差异性.

      根据全国土壤污染调查公报，我国农田土壤中重金属超标率为19.4%，污染物类型主要包括镉、汞、砷、铜等，其中镉为首要污染物，污染点位超标率为7%，并且轻微、轻度、中度以及重度的比例依次为5.2%、0.8%、0.5%、0.5%。我国农田土壤正承受着巨大的环境压力，某些地区的农田中更是有87.29%的采样点呈现轻度的重金属污染[21，这也进一步说明在某些区域的重金属污染已经达到非常严峻的情形。随着工业的不断发展，土壤中外部输入的重金属来源只会越来越多，这必将导致土壤系统中所承受的污染压力逐渐增大，而土壤重金属污染情况愈加严峻。
     重金属的分布异质性特点揭示其在包气带和含水层中的迁移特征。在包气带中，重金属的迁移主要是由重力控制垂直向下输送，迁移能力随着深度增加而降低，可通过降雨和灌溉、多孔介质或水文地质连接路径等方式穿透包气带进入潜水含水层，而在岩溶含水层中进入的更为直接和迅速，此时重金属的迁移行为和模式将转变为地下水流动驱动。包气带毛细上升，伴随着土壤含水量与黏粒团聚体吸附能力改变，同样可以驱动重金属迁移。由于毛细管效应，非饱和带中存在的微弱水流诱导重金属与有机质络合，导致非饱和区内可萃取的重金属浓度增加。
      土壤环境的pH可以改变土壤中重金属的吸附位、吸附稳定性、存在形态和配位性能等特性，进而影响重金属的地球化学行为。pH升高时，附着在黏土矿物、水合氧化物和有机质表面的负电荷增加，增强吸附重金属的能力。较低pH致使土壤中某些矿物质溶解，降低土壤颗粒对重金属的吸附性，增加生物可利用形式重金属的比重，极大促进重金属的浸出。SOM含有大量有机配体，对重金属的形态分布起着重要作用，影响吸附重金属的能力[13]和重金属的生物有效性。土壤粒径分布直接影响土壤的孔隙度和紧密程度，间接影响土壤的通透性与透水性等，与重金属分布有着密切关系。土壤黏粒中含有大量的氧化物、黏土矿物和腐殖质等比表面积较大、吸附能力较强的组分会优先吸附和固定重金属。
      真实多孔介质复杂多变，对水动力条件的响应也不尽相同，土壤/沉积物剖面的异质性与水力条件的响应差异导致重金属迁移复杂且难以预测，加之岩溶水文过程的介入，复杂环境条件下重金属的迁移与转化行为及其影响因素认识仍需进一步深入，且更需要更深层次探讨多因素控制下重金属迁移转化的主要控制因子与影响机制。

      本项目关注铅锌矿影响下“岩溶流域内重金属迁移与滞留”这一科学问题，通过深入分析土壤理化性质、含水介质特性和岩溶水文过程介入等多因素耦合，重点识别重金属的地球化学行为及其时空变化特性，建立地下水波动带中重金属的迁移与滞留的多因素耦合模型。

拟解决问题的途径:

(1）文献资料检索与分析

利用图书馆纸质、电子数据库查阅国内外相关研究文献与著作，分析前人研究方法与研究重点，同时查阅国内外与本申请有关的文献资料，了解相关领域的研究动态和发展趋势，为开展本项目研究做准备
（2）研究方法
室内开展土柱淋滤试验、多因素正交试验，并采用XRD、SEM、XPS等方法分析实验过程中的微观形貌、吸附-解吸动力学过程等;
(3）数据分析
实验室检测土壤/沉积物样品、水样，分析重金属含量、形态及理化性质；依据土柱淋溶实验和箱槽实验采集的实验数据，绘制穿透曲线，并利用Hydrus拟合穿透曲线，分析吸附容量、吸附速率；通过改进的BCR提取法量化重金属的各种形态，尤其是重金属可利用态与残渣态的比例变化，阐述环境因子在重金属释放过程中所起到的抑制或促进作用；分析供试土样与淋滤液理化性质（包括pH、Eh、含水率等）、以及EC等与重金属全量和形态、供试土样质地、有机质、阳离子交换量等之间关系，分析重金属的分布与迁移过程，综合分析多因素耦合下重金属的迁移与转化机制。
预期成果
分析重金属（Pb、Zn、Cr和Cu）在岩溶水文过程介入、不同理化性质和水力条件下的迁移模式，并分析主要影响因素及作用方式。

     1、2024年4月-2024年5月：查阅相关文献资料，咨询指导老师，完善项目内容解决项目中存在的问题。开始实验药品的购买，联系实验室老师，咨询相关测定设亩的仗用，开始弟一阶段的野外样品采集，室内预处理
     2、2024年6月-2024年7月：进行第二阶段实验，处理样品分析测定土壤中的重金属全量与化学形态含量等。
     3、2024年7月-2023年11月：进行第三阶段在室内进行吸附试验与土柱试验;
     4、2024年12月~2025年6月：在测定三个阶段后的样品试验数据，整理讨论分析结果之后整理分析实验数据，得出实验结论，撰写科技论文，撰写研究报告。