1、环境监测课程设计蚌埠市大学城区土壤环境质量监测与评价课 程 设 计 课程名称环境监测题目名称蚌埠市大学城区土壤环境质量监测与评价专业班级2010级环境科学（1）班学生姓名张纯学 号51010021038指导教师朱兰保二一三年六月五日引言 土壤环境监测是指对土壤各种金属、有机污染物、农药与病原菌的来源、污染水平及积累、转移或降解途径进行的监测活动。土壤污染的优先监测应是对人群健康和维持生态平衡有重要影响的物质。如汞、镉、铅、砷、铜、铝、镍、锌、硒、铬、钒、锰、硫酸盐、硝酸盐、卤化物、碳酸盐等元素或无机污染物；石油、有机磷和有机氯农药、多环芳烃、多氯联苯、三氯乙醛及其他生物活性物质；由粪便、垃圾和
2、生活污水引入的传染性细菌和病毒等。土壤中的有机类和无机类污染物在实验室用重量法、容量法、化学法和仪器法进行测定；细菌和病毒用生物检测方法进行测定。土壤污染监测结果对掌握土壤质量状况，实施土壤污染控制防治途径和质量管理有重要意义。2.课程设计的任务和目的：2.1课程设计的任务：设计一个蚌埠市大学城区土壤环境质量监测方案，并对监测结果分别采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法进行环境质量评价。2.2课程设计的目的: 通过本课程设计，使学生掌握调查研究、查阅文件、进行土壤环境质量监测与评价方案的设计，土壤污染物的监测的方法，环境质量评价方法在土壤评价中的应用，提高使用资料、设计计算和编写设计说明书
3、的能力。3.土壤监测方案的制定3.1监测的目的（1）监测的目的是判断土壤是否被污染以及污染状况，并预测发展趋势，根据国家对土壤质量的三个等级的划分和PH的范围，知道大学城区的土壤执行哪一个标准。（2）通过分析测定土壤中重金属元素的背景值和变化，判断污染的来源。（3）掌握土壤样品的采集和配制方法，监测数据处理的方法。3.2. 调查研究和资料收集污染土壤的重金属主要包括汞（Hg）、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等元素。主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等，如汞主要来自含汞废水，镉、铅污染主要来自冶炼排放和
4、汽车废气沉降，砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调，镉、汞等元素在作物籽实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大，应特别注意防止重金属对土壤污染。一些矿山在开采中尚未建立石排场和尾矿库，废石和尾矿随意堆放，致使尾矿中富含难解的重金属进入土壤，加之矿石加工后余下的金属废渣随雨水进入地下水系统，造成严重的土壤重金属污染。在实施监测方案时，首先必须对监测区域进行调
5、查研究，收集相关资料，有利于优化采样点的布设和后续监测工作。 蚌埠市地处北亚热带北缘,属亚热带季风湿润区,主要气候特征是冬夏长、春秋短、雨季降水集中,光照充足,热量丰富,无霜期长。冬季受西北利亚高压控制，盛行西北风，气候干寒少雨；夏季受太平洋副热带高压影响，东南风盛行，气候炎热潮湿，雨量集中。 本次监测点蚌埠大学城位于蚌埠市龙子湖区同时也属于蚌埠经济开发区，在滨湖新区与高铁新区之间，全境位于龙子湖东岸北依滨湖高铁大学科技园区龙子湖国家4A级风景区境内，三面环山，一面临水。离蚌埠市中心老商业区约10公里，离新城区广场约6公里，离市政府约2公里，比邻京沪京福高速铁路蚌埠南站（全国最大的地市高铁站，
6、两站合一）。大学城共占地10000亩，共投资2000亿，建筑面积670万m2。目前一期工程基本完工，已经有4所大学入住，分别为：安徽财经大学和安徽电子信息职业技术学院。蚌埠医学院和蚌埠学院。公交115，117，122，207，217，126,128路公交以及沃尔玛免费6号线，家乐福01大学城周末专线，乐购全周大学城免费专线，华海3C周末免费专线分别经过大学城，到市中心乘公交约15-30分钟，大学城中央建龙湖春天西班牙风情商业街，美食休闲广场，大学城东建有蚌埠鸟巢龙湖体育馆和在建的大明皇家旅游世界。3.3监测项目和频率(1)土壤监测项目主要为pH、镉、铅、汞、砷，锌，铜和六六六、滴滴涕等有机氯农
7、药。监测分析方法根据国家调查方案采用国家标准或国家环保总局认可的行业技术规范，部分项目分析方法参照美国EPA标准。(2)对于本次常规监测中的铜，锌，铅，铬这几个监测项目，采样时间为一天，采样频率为一次。3.4大学城区土样的采样3.41采样点的布设原则（1）合理的划分采样单元。在进行土壤监测时往往面积比较大，需要划分成若干个采样单元，同时在不受污染源影响的地方选择对照采样单元，同一单元的差别要尽量减少（2）对于土壤污染监测坚持哪里有污染就在哪布点，优先布置在污染严重、影响农业生产活动的地方。（3）采样点不应设在田边、沟边、路边、肥堆边、及水土流失严重和表层土被破坏的地方。3.42采样点的布设方法
8、采样方法适用条件布点数量对角线布点法 适用于面积较小、地势平坦的污水灌溉或污染河水灌溉的田块。一般采样点不少于5个梅花形布点法适用于面积较小、地势平坦、土壤 污染程度较均匀的地块。一般设5-10个采样点棋盘式布点法适用于中等面积、地势平坦、地形完整开阔， 但土壤污染程度较不均匀的地块， 该法也适用于受固体废物污染的土壤一般设10个以上采样点，因为固体废物分布不均匀，应设20个以上采样点蛇形布点法适用于面积较大、地势不很平坦、土壤污染程 度不够均匀的田块。布设采样点数目较多。放射状布点法大气污染型，主导风向明显主导风向明显处网格布点法地形平缓的地块网格两直线的交点处采样地图：说明：采样点1设置在
9、蚌埠学院，采样点2设置在龙湖春天，采样点3设置在高铁蚌埠南站，采样点4设置在安徽财经大学。3.43土壤样品的采集1、土壤剖面样品的采集：在研究土壤发生分类和剖面理化性状时，常按土壤剖面的发生层采样，先挖好11.5m（或12m）土壤剖面，然后根据土壤剖面颜色、结构、质地、松紧度、湿度、植物根系分布等自上而下划分层次进行观察记载，观察记载后，在发生层的典型部位采集样品。为了避免上下层混杂，应自下而上逐层采集，分层装袋，每袋土重约1kg，填好标签，土袋内外各挂一个，该土样备作常规分析用。2、土壤物理性质样品的采集：若进行土壤物理性质的测定，须采集原状样品。如测定土壤容重、孔隙度、其样品可直接用环刀在
10、各层土层中取样。对于研究土壤结构性的样品，采集时须注意土壤湿度不宜过干、过湿，最好在不粘铲的情况下采取。在采集过程中必须保持土块不受挤压，不使样品变形，保留原状土样，然后携带回室内进行处理。3、土壤盐分动态样品的采集：在研究盐分动状态变化时应定位、定点、定期取样，上密下稀，但取样层次厚度不得超过50cm，通常为05，510，1020，2040，4060，60100，100150cm。在研究作物耐盐能力时，应紧靠作物根系钻取土样，其深度应考虑作物根系活动层及盐分在土体中的分布情况，一般应按02，25，510，1020，2040，406 0 cm取土，在作物的各个生育期分次采样。4、混合土样的采集
11、：为了解某地区或地块耕地土壤肥力状况需要采集混合土样。采样时间在施肥前或收获后一星期，土壤养分变动比小，相对稳定时进行采土。大约每3050亩面积可采一个土样，每个土样至少九个以上样点（一般采奇数点）。每个样点的取土深度、重量要尽量保持均匀一致，上下层的比例大致相同，采样器应垂直地面入土，深度一般为020，2040cm。每个土壤样品约取1kg装入布土袋中，用钢笔写标签，注明采集地点，日期、编号、土类名称、采样者姓名等，土袋内外各挂一个标签。5、养分动态土样的采集：可根据研究养分动态问题的要求进行布点取样，如研究条施磷肥的水平方向移动距离时，可以施肥沟为中心，在沟的一侧或两侧按水平方向每隔一定距离
12、同一深度所取的相应同位土样进行多点混合。同样在研究氮肥的垂直方向移动时，应以施肥层为起点，向下每隔一定距离深度取样，将不同样点相同深度采集的土样混合成混合土样。6、其他特殊样品的采集：测定土壤微量元素的土样采集，采样工具要用不锈钢土钻，土刀、塑料布、塑料袋等，忌用报纸包土样，以防污染。剖面土壤： 7.采样深度：一般的农作物耕地在0-20为耕作层土壤，种植果林类-60CM为耕作层，所以大学城区土壤的采样深度在20。.采样注意事项不同土壤类型都要布点。 在一定区域面积内，要有一个采样点，污染较重的地区布点要密区。 要在非污染区的同类土壤中布设一个或几个对照采样点。3.5土壤样品的制备3.51样品的
13、风干：即将取回的土壤样品置于阴凉、通风且无阳光直射的房间内，并将样品平铺于晾土架、油布、牛皮纸或塑料布上，铺成薄薄的一层自然风干。风干供微量元素分析用的土壤样品时，要特别注意不能用含铅的旧报纸或含铁的器皿衬垫。干燥过程也可以在低于40度并有空气流通的条件下进行（如鼓风干燥箱内）。当土壤样品达到半干状态时，需将大土块（尤其是黏性土壤）捏碎，以免完全风干后结成硬块，不易压碎。此外，土壤样品的风干场所要求能防止酸、碱等气体及灰尘污染。3.52土样的保存：对于易分解或易挥发等不稳定组分的样品要采取低温保存的运输方法，并尽快送到实验室分析测试。测试项目需要新鲜样品的土样，采集后用可密封的聚乙烯或玻璃容器
14、在4以下避光保存，样品要充满容器。避免用含有待测组分或对测试有干扰的材料制成的容器盛装保存样品，测定有机污染物用的土壤样品要选用玻璃容器保存。4.样品的预处理4.1样品消解的方法：在分析土壤的组成和受污染的状况时，根据分析项目的不同，需要将样品进行溶解处理工作，即是将样品配制成溶液再进行分析测定，常用的溶解方法有分解和提取法。其中，分解法包括酸分解法，碱熔分解法，密封容器消解法和微波炉消解法。分解法的作用是破坏土壤中的矿物质晶格。4.2样品消解的步骤：（）精确称取0.20g 土壤样品（100目以上）于聚四氟乙烯消解罐中，加入5mL HNO3 、2mL HCl ，混匀并静置10分钟使之初步反应结
15、束，再加入2mL HF，混匀，加盖密封。（）将消解罐置于WX-4000微波快速消解系统中，功率设定为500W（3个消解罐同时运行）；温度设定为200；压力设定为25 atm ；时间设定为15分钟。待冷却后取出消解罐，打开并在其中加入12 mL 硼酸或少量高氯酸于加热器上继续加热至蒸干。5.标准曲线的配制及重金属的测定5.51样品中锌的测定土壤中的锌一般以下列几种形态存在：(1)以游离态或复合态离子形式存在于土壤溶液中的水溶态；(2)以非专性(交换态)或专性吸附在土壤粘粒的阳离子；(3)主要与碳酸盐和铝、铁、锰水化氧化物结合的闭蓄态阳离子；(4)存在于生物残体和活的有机体中有机态；(5)存在于原
16、生和次生矿物晶格结构中的矿物态。溶液中锌的定量常用比色法、极谱法、AAS法和ICP-AES法。比色法测定锌的显色剂常用的有二乙基二硫代氨基甲酸钠(DDTC），它称作锌试剂(Zincon)。但是由于这显色剂的专一性差，能与多种金属离子配合，对测定产生干扰，需要经过多次分离后才能测定锌，操作繁琐冗长，不能满足大批量分析工作的要求。极谱法测定锌也有许多离子的干扰，ICP-AES法虽然是较理想的测定锌的方法，但受仪器普及程度的限制。原子吸收光谱仪的使用较普及，故溶液中锌的定量目前一般都采用快速准确的AAS法。用AAS法测定土壤中的锌的原理：测量对象是呈原子状态的金属元素和部分非金属元素，是由待测元素灯
17、发出的特征谱线通过供试品经原子化产生的原子蒸气时，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收，通过测定辐射光强度减弱的程度，求出供试品中待测元素的含量。原子吸收一般遵循分光光度法的吸收定律，通常借比较对照品溶液和供试品溶液的吸光度，求得供试品中待测元素的含量。5.52样品中铅的的测定方法原理：本方法基于样品经基体改进后，所含铅离子在石墨管内，生成难挥发的化合物，高温蒸发离解为原子蒸气，并吸收铅空心阴极灯发射的共振线，其吸收强度在一定范围内与铅浓度成正比。因此，在其他条件不变的情况下，根据测得的吸收值与标准系列比较定量。5.53样品中铜的测定（1）地壳中铜的平均含量约为70mg/kg；全球土壤中铜的含量范
18、围一般在2100mg/kg之间，平均含量为20mg/kg；我国土壤中铜的含量在3300mg/kg之间，平均含量为22mg/kg。土壤的铜含量常常与其母质来源和抗风化能力有关，因此也与土壤质地间接相关。土壤中的铜大部分来自含铜矿物孔雀石、黄铜矿及含铜砂岩等。一般情况下，基性岩发育的土壤，其含铜量多于酸性岩发育的土壤，沉积岩中以砂岩含铜最低。各类土壤的含铜量按多少排列如下：砂姜黑土（25.49mg/kg）潮土（22.48mg/kg）褐土（22.18mg/kg）盐碱土（18.78mg/kg）棕壤（17.81mg/kg）黄棕壤（15.58mg/kg）风沙土（8.44mg/kg）。（2）实验方法和原理：
19、 （一）方法 土壤污染监测的常用方法有： 重量法适用于测定土壤水分； 容量法适用于浸出物中含量较高的成分如Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-等测定； 气相色谱法适用于有机氯、有机磷及有机汞等农药的测定； 分光光度法（AAS、AES、AFS）适用于重金属如Cu、Cd、Cr、Pb、Hg、Zn等组分的测定。 （二）原理 土壤样品用HNO3HFHClO4混酸体系消化后，将消化液直接喷入空气乙炔火焰。在火焰中形成的铜的基态原子蒸汽对光源发射的特征电磁辐射产生吸收。测得试液吸光度扣除全程序空白吸光度，从标准曲线查得铜的含量。计算土壤中铜的含量。 注：该方法的检出限为1mg/kg。（3） 实验步骤和注意
20、事项： （一）土壤样品的预处理 1.把课前采集的土样均匀地摊开在一张比较厚的牛皮纸上； 2.挑出其中的动植物残渣及难以研磨碎的石块； 3.用四分法弃取土壤（留下四分之一）； 4.用筛子（尼龙筛网为100目）和研钵（白陶瓷制）对留下的土样进行反复的过筛研磨，直至几乎全部过筛。 （二）土壤试液的制备 1.称取约0.5g土样于25mL聚四氟乙烯坩埚（高温消化罐）中，用少许水润湿； 2.加入15mLHNO3，在电热板上加热消化至溶解物剩余约5mL； 3.再加入5mLHF，加热分解SiO2及胶态硅酸盐； 4.最后加入5mLHClO4，加热至消解物呈淡黄色； 5.打开盖，先蒸至近干，然后取下冷却； 6.加
21、入（1：5）HNO31mL微热溶解残渣，移入10mL容量瓶中定容。 注：制备土壤试液的同时进行全程序试剂空白实验。7.通过制作标准曲线从而计算得到铜的浓度。5.54样品中铬的测定火焰原子吸收分光光度法测定土壤中的铬，基本原理：仪器从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测原素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测原素的含量。火焰原子吸收分光光度法测定土壤中的铬的步骤：（1）0.15mm的风干土样0.5000g至聚四氟乙烯坩埚后用水润湿，加氢氟酸10ml、浓硝酸8ml和1ml高氯酸100度加热1小时然后逐渐升温直至坩埚内容物蒸至糊状再加1:1硝酸溶液2
22、ml，稍微加热使糊状物溶解，再用水洗移至25ml容量瓶，定容过滤，同时做空白！（2）取2.005.00ml（含铬25500微克）于50ml容量瓶，再加10ml焦硫酸钾，定容用原子吸收光谱测定。6.大学城区土壤环境质量评价6.1评价的方法与标准土壤环境质量标准是为贯彻中华人民共和国环境保护防止土壤污染，保护生态环境，保障农林生产，维护人体健康，制定本标准。本标准按土壤应用功能、保护目标和土壤主要性质，规定了土壤中污染物的最高允许浓度指标值及相应的监测方法。本标准适用于农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等地的土壤。土壤环境质量评价一般以单项污染指数为主。 单因子指数法单因子指数法的计
23、算方法如下：PCS （1）式中，P为重金属元素的单因子评价指数；C为采样点重金属的实测浓度；S为蚌埠市的土壤环境背景值。表2-4 污染等级划分标准分级污染指数污染等级1级P0.7清洁2级0.7P1.0尚清洁3级P1.0污染超标单因子指数法可以判断出环境中的主要污染因子，但环境是一个复杂的体系，环境污染往往是有多个环境因子复合污染导致的，因此这种方法仅适用于单一因子污染特定区域的评价；单因子指数法是其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价的基础。尼梅罗综合指数法当评定区域内土壤质量作为一个整体与外区域土壤质量比较，或土壤同时被多种重金属元素污染时，需将单因子污染指数按一定方法综合起来进行评价，即
24、应用综合污染指数法进行评价。计算公式如下： （2）式中，为尼梅罗综合指数，为土壤中元素单因子指数，为所有重金属元素污染指数中的最大值。尼梅罗综合指数的计算公式中含有评价参数中最大的单项污染分布指数突出了污染指数最大的重金属元素对土壤环境质量的影响和作用。表2-5 土壤污染分级标准土壤级别污染指数污染等级污染水平1I0.7清洁清洁20.7I1.0警戒限尚清洁31.0I2.0轻污染土壤污染超过背景值，作物开始受到污染42.0I3.0中污染土壤、作物均受到中度污染5I3.0重污染土壤、作物受污染已相当严重GB15618-1995表1 土壤环境质量标准值 mg/kg级别一级二级三级土壤pH值自然背景7
25、.56.5项目镉 0.200.300.601.0汞 0.150.300.501.01.5砷 水田 1530252030旱地 1540302540铜 农田等3550100100400果园 150200200400铅 35250300350500铬 水田 90250300350400旱地 90150200250300锌 100 200250300500镍 40405060200六六六 0.050.501.0滴滴娣 0.050.501.0土壤环境质量分类：根据土壤应用功能和保护目标，划分为三类： 类主要适用于国家规定的自然保护区(原有背景重金属含量高的除外)、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保
26、护地区的土壤，土壤质量基本 保持自然背景水平。 类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。 类主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤(蔬菜地除外)。土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。 标准分级 一级标准 为保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量的限制值。 二级标准 为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。 三级标准 为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。 各类土壤环境质量执行标准的级别规定如下： 类土壤环境质量执行一级标准； 类土壤环境质量执行二级标准； 类土壤环境质量执行三级标准
27、；6.2大学城区土壤的评价（1）蚌埠市大学城区土壤重金属含量（mg/kg）采样点PbZnCuCr样点1254.0181.845.472.1样点2279.4331.966.387.7样点3248.3180.848.969.5样点4148.780.118.229.3（2）蚌埠市土壤环境质量标准值（mg/kg）CuZnPbCr50200250150数据处理：采样点1:P Cu 45.4/50=0.908 P Zn=181.8/200=0.909 PPb=254/250=1.016 P Cr=72.1/150=0.481 采样点2：PCu 66.3/50=1.326 P Zn=331.9/200=1.
28、660 PPb=279.4/250=1.118 P Cr=87.7/150=0.585 采样点3：PCu 48.9/50=0.978 P Zn=180.8/200=0.904 PPb=248.3/250=0.993 P Cr=69.5/150=0.463 采样点3：PCu 18.2/50=0.364 P Zn=80.1/200=0.401 PPb=148.7/250=0.595 P Cr=29.3/150=0.195由此可以看出，采样点1中，铬的单因子指数小于0.7，属于清洁。铜，锌的单因子指数在0.7和1.0之间，污染等级属于尚清洁，而铅的单因子指数超过1.0，属于污染超标。采样点2中，铬的
29、单因子指数小于0.7，属于清洁。而铜，锌，铅的单因子指数都超过1.0，属于污染超标。采样点3中，铬的单因子指数小于0.7，属于清洁。而铜，锌，铅的单因子指数都超过1.0，属于污染超标。在采样点4中，所有的重金属的单因子指数都小于0.7，属于清洁。对于Cu：=(C1+C2+C3+C4)/4=(45.4+66.3+48.9+18.2)/4=44.7（mg/kg） 对于 Zn: =(C1+C2+C3+C4)/4 =(181.8+331.9+180.8+80.1)/4=193.65（mg/kg）对于 Pb: =(C1+C2+C3+C4)/4 =(254.0+279.4+248.3+148.7)/4=2
30、32.6（mg/kg）对于 Cr: =(C1+C2+C3+C4)/4 =(72.1+87.7+69.5+29.3)/4=64.65（mg/kg） 尼梅罗综合指数法： 采样点1： =0.927采样点2：I=1.437采样点3：I=0.909采样点4：I=0.523根据尼梅罗综合指数土壤污染分级标准，采样点1和采样点3属于警戒限，污染水平为尚清洁，采样点4属于清洁，污染水平为清洁，采样点2污染等级为轻污染，污染水平为土壤污染超过背景值，作物开始受到污染。6.3土壤重金属污染的主要影响因素1.进入土壤中的重金属的归宿将由一系列复杂的化学反应和物理与生物过程所控制。虽然不同重金属之间某些化学行为有相似之处，但它们并不存在完全的一致性。当它们加入土壤后，最初的可动性将在很大程度上依赖添加重金属的形态，也就是说这将依赖于金属的来源
