我国是世界上最大的焦炭生产国和出口国, 焦化生产过程产生的PAHs、重金属和氰化物等有毒物质, 通过大气沉降及淋溶扩散等途径进入焦化场地内部并造成污染^{[1, 2]}.其污染物中, 重金属具有难降解、易富集、持久性和不可逆性等特点, 不仅导致土壤质量恶化, 也会通过蔬菜等食物摄取及皮肤接触等途径进入人体, 诱发癌症等疾病并危害人体健康^[3~5].因此, 自2016年文献[6]发布后, 焦化场地作为典型的工业污染场地, 其污染种类多和污染范围广, 成为污染防治重点关注行业之一^{[7, 8]}.

污染物空间分布情况能够揭示污染物的空间变异性, 对于提高污染调查的准确性、降低污染研究的不确定性具有重要作用^{[9, 10]}.近年来对焦化场地特征污染物的空间分布特征研究中, 多数通过污染物含量描述性统计结果, 结合地统计学方法, 简要分析焦化场地内部及周边土壤污染物的空间分布状况, 并根据污染物空间分布情况简要判断污染物的来源^[11~16].已有研究中较少有系统性针对焦化厂内外部污染物空间分布驱动因素的深入探讨.此外, 焦化场地污染物空间分布的不均一性, 不仅受到土壤理化性质、污染物迁移特性等因素的影响^[17], 也受到污染源分布及类型的影响.学者研究发现焦化生产环节中, 备煤阶段主要产生重金属及PAHs污染^{[18, 19]}, 焦炉生产阶段主要产生PAHs污染及少量重金属^{[20, 21]}, 不同生产环节的分布也导致污染物分布的空间差异.

因此, 本研究通过空间插值分析及地理探测器, 对某在产焦化场地内外部重金属的空间分布及分布驱动因子进行系统性分析, 揭示焦化场地内外部重金属分布的主导驱动因子, 对于准确判断污染物在焦化厂内部及周边的空间分布, 指导后续的场地采样设计、污染风险评估及防控工作具有重要意义.

本研究选取某焦化厂土壤作为研究对象, 该焦化厂成立于2004年, 占地面积68 hm², 主要经营范围包括焦炭、焦油、煤气和粗苯的生产销售, 年产焦炭约1.1×10⁶ t、焦油5×10⁴ t、粗苯1×10⁴ t和煤气约5×10⁸ m³, 属于该地区的重点监管企业.该焦化厂址主导风向以东南风为主, 四周地形平坦开阔, 海拔高度约26 m.地表为第四系地层覆盖, 第四纪覆盖层厚度约45 m, 岩性自上而下由细砂、粉质黏土、砂质黏土、砂岩、泥岩和夹煤层互层沉积.

本研究结合布点原则^{[9, 22]}, 对点位的布设采用判断布点的方法, 根据焦化厂主要工艺, 判断选择炼焦熄焦区、制气区、冷鼓脱硫区、粗苯制造区、油库区和煤场区等疑似污染区及厂区周边土壤进行采样点布设(图 1), 土壤样品为采样深度0~20 cm的表层土壤.每个采样点的土样风干后取大约0.50 g过100目筛后放入聚四氟乙烯的微波消解管中, 加入浓硝酸5 mL、氢氟酸3 mL及过氧化氢1 mL并轻微晃荡直至摇匀, 加塞旋紧后将消解管放置于微波消解仪并按照设定的升温程序进行消解.消解完全后将消解液自然冷却1 h, 置于石墨加热板于150℃加热赶酸, 当液体呈现粘稠状后停止赶酸并冷却.将处理后的消解液用50 mL容量瓶定容, 之后取部分液体至离心管中, 并使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定消解液中的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的含量, 并将数据根据式(1)进行计算：

(1)

图 1

Fig. 1

图 1 焦化厂范围及采样点分布示意 Fig. 1 Scope of the coking plant and distribution of the sampling points

式中, C_土壤为各采样点的重金属含量(mg ·kg^-1); C_测定为ICP-MS测定的土壤消解样品的重金属含量(mg ·L^-1); m为每个土样的质量(g); V为消解液的定容体积(mL).

数据分析及作图中, 通过Excel 2010处理计算采样点距离各污染源的远近, SPSS 22.0进行重金属污染数据描述性统计, Origin 9.0进行q值柱状图绘制, ArcGIS 10.2进行污染物空间分布可视化及采样点因子数据提取.

本研究选择土壤理化性质(图 2)和距离污染源远近作为污染物空间分布的驱动因子.理化性质的测定中, pH值利用PHS-3C酸度计进行测定, EC值通过土壤原位EC计进行测定.土壤全氮含量选用重铬酸钾-硫酸消化法, 有机质含量选用重铬酸钾容量法, 并用元素分析仪(Vario EL, Elementar)测定.土壤碳酸钙测定方法采用中和滴定法.土壤有效硼选用沸水浸提-甲亚胺比色法, 有效硅选用柠檬酸浸提-硅钼蓝比色法, 并分别用酶标仪(EnSpire, Perkin Elmer)于420 nm和700 nm波长处测定.土壤粒度组成通过激光粒度分析仪(Mastersizer 2000, Malvern)测定.距离因子方面, 采样点与各污染源的距离通过Arcgis 10.2的analysis tools-point distance工具计算.

图 2

Fig. 2

图 2 理化性质因子分布示意 Fig. 2 Distribution of physicochemical properties

理化性质方面, 根据测定的项目包括了土壤pH值、土壤EC值、有机碳含量、全氮含量、有机质含量、碳酸钙含量、有效硅含量、有效硼含量和土壤质地共9个因子.距离污染源远近方面, 根据该焦化厂的工艺, 选择了一号焦炉、二号焦炉、一号熄焦、二号熄焦、煤气柜、硫铵工段、粗苯工段、油库工段、冷鼓工段和煤场共10个因子.由于各因子数据属于数值量, 本研究需要将其进行数据离散化处理, 获得各因子数据的类型量.对于理化性质因子的离散化, pH值根据土壤酸碱度等级划分标准划分为4类; 土壤EC值和碳酸钙含量根据SPSS 19.0的K-Means聚类结果划分为4类^[23]; 土壤质地根据国际制土壤分类标准划分为4大类; 其余土壤养分因子根据全国第二次土壤普查养分分级标准划分.对于距离的划分中, 由于聚类分析能够解释不同污染点间的相似性和关联性^{[24, 25]}, 且根据q值最大原则, 因此利用K-Means聚类将距不同污染源的距离因子划分为6类.此外, 利用Arcgis 10.2工具箱中的spatial analyst tools-extraction-extract values to points功能, 对研究点位对应的驱动因子数据进行提取.

反距离加权法(inverse distance weight, IDW)是以插值点与样本点之间的距离作为权重的一种插值方法, 距离插值点越近的样本点赋予的权重越大^[26].IDW方法因其原理简单易行, 插值结果精确, 已被广泛应用在数据插值处理中^[27].各样点污染物的IDW插值通过ArcGIS 10.2软件进行.

地理探测器是由王劲峰等^[28]提出的一种揭示空间分异性及驱动力的统计学方法, 是度量、挖掘和利用空间异质性的新工具.探测器内部包含分异及因子探测器、交互作用探测器、风险区探测器和生态探测器共4个探测器, 并且被广泛应用于自然因素和人为因素等驱动力因素的影响机制研究^{[29, 30]}.本研究为揭示焦化厂内外部重金属空间分布的驱动因子, 选择了分异及因子探测器、交互作用探测器进行驱动因子探测.

(1) 分异及因子探测器用于探测变量的空间分异性, 以及探测某因子能够在多大程度上解释变量的空间分异, 其解释能力根据q值度量^[28].q值取值范围为[0, 1], 值为1时表明因子完全控制了因变量的空间分布, 值为0时则表明因子与因变量不能存在影响关系, q值大小表示因子解释了100×q%的因变量, 其数值表达公式如下.

(2)

式中, H为离散化后的类型值变量的分类数; N_h和N分别为分层层内和全局的单元数; σ_h²和σ²分别为分层h和全局因变量数值的方差; SSW和SST分别为层内方差之和以及全区总方差.

(2) 交互作用探测器识别不同风险因子之间的交互作用, 即评估因子X₁和X₂共同作用时是否会增加或减弱对因变量Y的解释力, 或这些因子对因变量的影响是相互独立的, 其交互作用关系可以分为非线性减弱、单因子非线性减弱、双因子增强、非线性增强及独立共5类.

本研究将测定的9种理化性质因子和选定的10种污染源距离因子作为探测因子, 分别对表层土壤采样点的6种重金属含量进行分异性探测, 探测某单一因子对焦化重金属污染物空间分布格局的影响作用, 判断焦化厂内外部主要影响因子的差异.同时, 本研究利用交互作用探测器探测影响因子两两间的交互作用, 对比交互因子对研究区内部及外部土壤重金属的空间分布格局的影响差异.

本研究中焦化厂内部及周边的重金属含量(表 1), 均未超出我国土壤环境质量标准中所限定的筛选值, 但大部分区域超过河北省土壤环境背景值^{[31, 32]}.焦化厂内部重金属超背景值率由大至小为：Hg＝Ni＞Cd＞Pb＝Cu＞Cr＞Zn＞As, 焦化厂外部重金属超背景值率由大至小为：Ni＞Hg＞Cd＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞As.而焦化厂内部及周边各重金属变异系数均大于15%, 属于中等变异, 其内部平均变异程度由大至小为: Hg＞Cd＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Pb＞Ni, 最大为Cd的78.6%; 外部平均变异程度由大至小为: Hg＞Cu＞Cd＞As＞Zn＞Pb＞Cr＞Ni, 最大为Cu的156.2%, 属于强变异.该结果说明该焦化厂内部及外部的土壤均受到重金属不同程度的影响, 空间连续性较差, 分异性较大, 重金属含量分布受到焦化厂生产影响的可能性大.

表 1 (Table 1)

表 1 焦化厂内外部重金属含量描述性统计结果1) Table 1 Statistical results of heavy metal content inside and outside the coking plant 重金属 区域 样点数 最大值/mg·kg-1 最小值/mg·kg-1 平均值/mg·kg-1 标准偏差/mg·kg-1 变异系数/% 背景值/mg·kg-1 筛选值/mg·kg-1 超背景值率/% As 内部 13 9.14 0.55 2.90 2.18 75.1 7.61 20 7.7 As 外部 23 7.95 0.91 3.10 1.68 54.2 7.61 20 5.7 Cd 内部 13 0.46 0.09 0.14 0.11 78.6 0.09 20 100.0 Cd 外部 23 0.57 0.09 0.18 0.13 72.2 0.09 20 100.0 Cr 内部 13 116.40 36.94 70.28 22.69 32.3 68.30 200 53.8 Cr 外部 23 109.92 41.09 67.28 17.69 26.3 68.30 200 48.6 Cu 内部 13 81.93 17.76 31.01 16.27 52.5 21.80 2 000 84.6 Cu 外部 23 448.18 17.76 78.30 116.40 148.7 21.80 2 000 85.7 Hg 内部 13 2.98 0.18 0.57 0.97 170.2 0.04 8 100.0 Hg 外部 23 0.64 0.02 0.13 0.16 123.1 0.04 8 97.1 Ni 内部 13 56.50 28.40 37.21 7.62 20.5 25.00 150 100.0 Ni 外部 23 47.76 26.29 34.96 5.65 16.2 25.00 150 100.0 Pb 内部 13 45.68 19.87 26.26 6.66 25.4 21.50 400 84.6 Pb 外部 23 71.59 21.61 29.09 10.28 35.3 21.50 400 91.4 Zn 内部 13 171.01 35.78 74.53 37.38 50.2 78.40 250 30.8 Zn 外部 23 205.53 41.93 81.75 46.42 56.8 78.40 250 34.3 1)As、Cd、Cu、Hg、Ni和Pb选取GB 36600-2018规定的筛选值, 该国标未规定总Cr和Zn的筛选值, 因此总Cr筛选值选取GB 15618-2018规定的6.5＜pH≤7.5土壤中其他农用地的标准, Zn筛选值选取GB 15618-2018规定的6.5＜pH≤7.5土壤中的标准

表 1 焦化厂内外部重金属含量描述性统计结果1) Table 1 Statistical results of heavy metal content inside and outside the coking plant

结合IDW插值的焦化厂内部重金属分布情况(图 3), 可知焦化厂内部Cd、Cu和Hg主要富集区域在煤气制气区附近, As、Hg、Ni、Pb和Zn主要富集区域分布在焦炉熄焦区附近, 该结果与已有研究发现炼焦设备排放的颗粒物中吸附有As、Hg、Zn和Pb等重金属元素的结果相似^{[33, 34]}.Cr主要富集区域分布在焦炉熄焦区、粗苯区和脱硫区, 说明焦化厂的多个化学生产过程均会产生Cr排放.综上, 该焦化厂内部整体呈现出西北区域重金属含量高于东南区域的状况, 该分布状况也与焦化厂基本生产工艺集中于西北区域相符合.

图 3

Fig. 3

图 3 焦化厂内部重金属空间分布情况 Fig. 3 Distribution of heavy metals inside the coking plant

结合IDW插值的焦化厂外部重金属分布情况(图 4), 除了As以外, Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn和Pb在焦化厂外部的主要分布在焦化厂周边, 且主要分布在焦化厂东南部.该结果与高燕等^[35]的研究结果相一致, 说明焦化厂周边土壤重金属含量与污染源距离有关, 距离污染源越近重金属含量越高.而As主要富集区域为焦化厂外部东北区域及东南区域, 结合As超背景值率低而变异系数较大的结果, 可以判断As受到除焦化厂以外的其他污染源影响.此外, 结合图 4及表 1可以发现, 多种重金属在焦化厂外部的含量高于内部, 说明焦化厂生产过程中产生的废气会经过一定距离的迁移扩散, 最终重金属沉降在焦化厂外部区域.综上, 该焦化厂外部整体呈现出东部区域重金属含量高于西部区域的状况, 而焦化厂所处区域盛行西北风, 进一步证明外部重金属分布受生产过程中废气沉降及风向的影响较大.

图 4

Fig. 4

图 4 焦化厂外部重金属空间分布情况 Fig. 4 Distribution of heavy metals outside the coking plant

重金属含量在焦化厂内部(图 3)与外部(图 4)的空间分布, 存在重金属As、Cd、Cr、Pb和Zn在场地外部个别点位的含量高于内部点位的情况.对于焦化厂外部重金属含量的空间分布, 由于化石燃料相关企业是As和Cr排放的主要来源, 由此判断东北区域可能存在相关的污染企业, 导致东北部区域As和Cr含量高于焦化厂内部^{[36, 37]}; 而Cd来源于农业施肥等途径, 因此周边土壤中个别点位的高Cd含量可能来自于农业投入品^[38]; Pb和Zn则可能与交通排放和烟尘沉降有关^[39].

由于重金属空间分布存在较大差异, 为进一步判断焦化厂内外部重金属分布的主要驱动因子之间的差异, 本研究利用地理探测器分析土壤理化性质因子和距污染源远近因子对该焦化厂内部及外部重金属的驱动作用.

根据内部重金属-理化性质的分异及因子探测器的结果(图 5), 土壤理化性质中土壤全氮含量为该焦化厂内部除Hg以外的7种重金属分布的主要驱动因子, Hg的影响因子主要为有效硼含量和土壤质地.此外, 影响As空间分布的次要因子为碳酸钙、有效硅和有效硼的含量; 影响Cd空间分布的次要因子为碳酸钙含量和土壤质地; 影响Cr空间分布的主要因子还包括有效硅含量, 次要因子为土壤有机碳、碳酸钙含量和土壤质地; 影响Cu空间分布的次要因子为有机碳、碳酸钙和有效硼的含量; 影响Ni空间分布的次要因子为有机碳、有效硅含量和土壤质地; 影响Pb空间分布的次要因子为有机碳、有机质、有效硅和有效硼含量; 影响Zn空间分布的主要因子还包括有机质和有效硅含量, 次要因子为有机质、碳酸钙和有效硼含量.

图 5

Fig. 5

1.pH; 2.EC; 3.有机碳; 4.全氮量; 5.有机质; 6.碳酸钙; 7.有效硅; 8.有效硼; 9.土壤质地 图 5 焦化厂内部重金属-理化性质分异及因子探测结果 Fig. 5 Results of the factor detector for heavy metals and physicochemical properties inside the coking plant

根据外部重金属-理化性质的分异及因子探测器的结果(图 6), 该焦化厂外部8种重金属分布的主要驱动因子存在一定差异.其中, 有机碳含量为As、Hg和Ni空间分布的主要影响因子, 有机质含量为Pb和Zn空间分布的主要影响因子, 全氮含量为Cd、Cr、Cu空间分布的主要影响因子.此外, 影响As空间分布的次要因子为全氮、有机质含量和土壤质地; 影响Cd空间分布的次要因子为土壤有机碳和有机质含量; 影响Cr空间分布的次要因子为有机质、有机碳和有效硼含量; 影响Cu空间分布的次要因子为土壤质地; 影响Hg空间分布的次要因子为pH和有机质含量; 影响Ni空间分布的次要因子为全氮含量和有效硼含量; 影响Pb和Zn空间分布的次要因子为全氮和有效硅含量.

图 6

Fig. 6

1.pH; 2.EC; 3.有机碳; 4.全氮量; 5.有机质; 6.碳酸钙; 7.有效硅; 8.有效硼; 9.土壤质地 图 6 焦化厂外部重金属-理化性质分异及因子探测结果 Fig. 6 Results of the factor detector for heavy metals and physicochemical properties outside the coking plant

在理化性质驱动因子方面, 焦化厂内部及外部的污染物空间分布受到的影响因素较为一致, 且焦化厂内部及外部的重金属空间分布, 受到土壤的全氮、有机物质和有效元素含量的驱动作用最为明显.赵一鸣等^[40]的研究认为, 土壤理化性质会对重金属的迁移性和活性等产生影响, 影响重金属的迁移转化.土壤理化性质的影响实质就是改变重金属的有效态含量, 有研究发现重金属有效态所占比例越多, 土壤重金属越活跃, 也就更有利于重金属迁移扩散^[41].其中, 土壤氮含量大部分来源于有机质, 其含量与有机质含量存在明显相关关系, 而土壤有机质能够络合重金属离子, 降低重金属的生物有效性和移动性, 导致局部土壤重金属含量的增加, 因此全氮含量和有机质含量是影响重金属含量的重要指标^[42].土壤有效元素的含量则通常会与重金属发生吸附作用或形成络合物, 降低重金属的生物活性, 影响重金属的空间分布^[43].

进一步对比分析焦化厂内外部主要驱动因子, 可以发现土壤全氮含量对内部重金属空间分布的驱动作用明显强于外部.焦化厂在生产过程中容易排放氨氮废水, 而废水中也含有一定量的重金属污染物^{[44, 45]}.当焦化厂内部的废水出现泄漏或处理不当时, 导致局部区域的土壤含氮量增加, 重金属聚集, 影响内部重金属空间分布.因此可以推测该焦化厂内部重金属空间分布受到氨氮废水的影响.综上所述, 理化性质因子中的全氮、有机物质和有效元素含量是焦化厂内外部重金属分布的主要驱动因子, 且全氮含量对于内部重金属分布的驱动作用更强.

根据内部重金属-距离因子的分异及因子探测器结果(图 7), 可以得知焦化厂内部重金属Cd和Cu的主要驱动因素为粗苯工段, 且其q值均超过0.8, 说明Cd和Cu空间分布基本受粗苯工段影响, 结合相关研究中粗苯废水中Cd和Cu含量明显高于排放标准^[42], 可以判断该焦化厂粗苯工段周边存在污水排放现象, 造成该区域对Cd和Cu分布驱动力强.焦化厂内部As、Cr、Pb、Ni和Zn的主要驱动因素为冷鼓工段; Cr和Hg的主要驱动因素为焦炉.此外, Cr相较于其他重金属受到除煤场外的各生产环节的驱动作用更强, 说明除煤场外的各生产环节均能产生Cr并影响其分布; As比其他重金属受到各生产环节的驱动作用弱, 说明各生产环节造成As排放及分布的可能性较低, 也解释了区域内As超背景值率低的原因.

图 7

Fig. 7

1.一号焦炉; 2.二号焦炉; 3.一号熄焦; 4.二号熄焦; 5.煤气柜; 6.硫铵工段; 7.粗苯工段; 8.油库工段; 9.冷鼓工段; 10.煤场 图 7 焦化厂内部重金属-距离因子分异及因子探测结果 Fig. 7 Results of the factor detector for heavy metals and distance inside the coking plant

根据外部重金属-距离因子的分异及因子探测器结果(图 8), 可以得知焦化厂外部重金属Cr的主要驱动因素为焦炉、煤气柜、硫铵和粗苯多个工段; Cu、Hg和Ni的主要驱动因素为焦炉和熄焦工艺; As、Cd、Pb和Zn的主要驱动因素为焦炉和硫铵工段.

图 8

Fig. 8

1.一号焦炉; 2.二号焦炉; 3.一号熄焦; 4.二号熄焦; 5.煤气柜; 6.硫铵工段; 7.粗苯工段; 8.油库工段; 9.冷鼓工段; 10.煤场 图 8 焦化厂外部重金属-距离因子分异及因子探测结果 Fig. 8 Results of the factor detector for heavy metals and distance outside the coking plant

由内部的驱动因子结果可知, 煤气和焦油精制环节中的粗苯工段和冷鼓工段, 对于焦化厂内部重金属空间分布的解释能力最强, 即煤气焦油精制区域是焦化厂内部重金属空间分布的主要驱动因子.相关研究也表明, 该区域中煤气和焦油等物料所含重金属含量高于炼焦过程排放的废气废水, 更容易造成该区域内的重金属富集^[1].而备煤环节、炼焦环节和煤气焦油精制环节等过程会产生含重金属的废气和废水等, 且存在选煤废水的排放、焦油生产的泄漏和焦化烟气的沉降等因素导致焦化厂内部重金属空间分布差异^[16], 因此焦化厂内部重金属空间分布除了受到粗苯和冷鼓工段的主要驱动外, 也受到了焦炉、熄焦和硫铵等工段的驱动.由外部的驱动因子结果可以得知, 焦炉、熄焦和煤气柜等炼焦环节, 对于焦化厂外部重金属空间分布的解释能力最强.有研究表明, 炼焦环节会产生大量含有重金属的烟尘, 且烟尘会随着大气沉降造成焦化厂周边土壤的重金属污染^[46~48], 是影响周边土壤重金属分布的主要因素.

在距污染源远近驱动因子方面, 焦化厂内部及外部的污染物空间分布受到的主要驱动因子存在一定差异, 焦化厂内部重金属空间分布的主要驱动因子为粗苯工段和冷鼓工段, 焦化厂外部重金属空间分布的主要驱动因子为焦炉、熄焦和煤气柜等炼焦环节.受焦化工艺影响, 焦化废水主要包括粗苯工段的粗苯分离液、冷鼓阶段的焦油分离液和蒸氨废水、硫铵工段的脱硫废液等^[47].焦化废气则来自于焦炉煤气柜等在炼焦燃烧过程中排放的粉尘气体, 且气体中包含炼焦过程产生的重金属污染物^[48].结合各主要驱动因子以及理化性质因子中土壤全氮含量在焦化厂重金属空间分布起主要驱动作用的推测, 可以判断焦化厂内部的重金属富集主要受到焦化产品制作处理及输送时发生产品泄漏和废水处理不完全等的影响, 而外部重金属分布受到炼焦制气过程中排放废气的大气沉降影响.此外, 污染源排放污染物的差异也造成了内外部重金属空间分布驱动因子存在差异的现象.

对焦化厂内外部重金属分布的最大影响因子进行对比分析(表 2), 可以得知：第一, 在整体最强驱动因子方面, 场地内部驱动因子的q值普遍高于场地外部驱动因子的q值, 说明焦化厂内部重金属的空间分布受焦化厂的影响程度更大.第二, 对于单个重金属元素, As内外部空间分布的最大影响因子为理化性质因子, 结合其超背景值率较低的结果, 可以判断该焦化厂As排放较少, 其空间分布主要受土壤理化性质影响.第三, 重金属Cd和Cu在内部分布受粗苯工段的影响较大, 在外部分布受焦炉和熄焦的影响较大, 说明其内部分布主要受粗苯生产过程重金属泄漏而富集, 而外部分布受焦炉熄焦过程中产生的烟气沉降而富集.第四, 重金属Cr在内部分布受焦炉影响较大, 在外部分布受土壤全氮含量影响较大, 是因为Cr属于难挥发元素, 主要富集在焦炉生产的气化灰中^[49], 因此在内部的空间分布受焦炉生产影响, 在外部的空间分布则受土壤理化性质影响导致富集状况不同.第五, 重金属Pb、Hg、Ni和Zn在内部分布受理化性质影响较大, 在外部分布受生产工艺影响较大.说明内部生产生成的Pb、Hg、Ni和Zn来源较为单一, 其在土壤中的分布受到土壤理化性质影响, 而外部重金属的分布则受焦炉和硫铵工段的排放废气沉降所决定.

表 2 (Table 2)

表 2 焦化场地内外最强因子数据对比 Table 2 Comparison of the strongest factors inside and outside the coking plant 重金属 场地内部 场地外部 最强驱动因子 q值 最强驱动因子 q值 As 全氮含量 0.776 有机碳含量 0.498 Cd 粗苯 0.835 焦炉 0.422 Cr 焦炉 0.689 全氮含量 0.442 Cu 粗苯 0.923 熄焦 0.489 Hg 有效硼 0.488 熄焦 0.309 Ni 全氮含量 0.725 熄焦 0.335 Pb 全氮含量 0.905 焦炉 0.435 Zn 全氮含量 0.849 硫铵 0.475

表 2 焦化场地内外最强因子数据对比 Table 2 Comparison of the strongest factors inside and outside the coking plant

根据对驱动因子进行交互后的交互探测结果, 选择其中对焦化厂内部及外部重金属空间分布影响最高的q统计值, 获得表 3结果.对交互结果分析表明, 焦化厂内部重金属空间分布交互驱动因子q值略高于外部交互驱动因子q值, 说明焦化厂内部重金属的空间分布受到驱动因子的交互影响力更大, 外部重金属的空间分布可能受到其余污染源的影响.

表 3 (Table 3)

表 3 重金属的最强交互作用影响力 Table 3 Strongest interaction factors of heavy metals 污染物 焦化厂内部 焦化厂外部 交互因子对 交互影响力 交互因子对 交互影响力 As 油库∩有机碳 0.953 焦炉∩有效硼 0.813 Cd 焦炉∩有效硼 0.978 熄焦∩全氮量 0.872 Cr 焦炉∩有效硼 0.973 焦炉∩全氮量 0.903 Cu 油库∩有机碳 0.996 煤气柜∩土壤质地 0.998 Hg 有效硼∩土壤质地 0.987 熄焦∩土壤质地 0.974 Ni 全氮∩土壤质地 0.982 油库∩土壤质地 0.904 Pb 油库∩有机碳 0.989 煤场∩有机质 0.989 Zn 碳酸钙∩土壤质地 0.985 粗苯∩有机质 0.995

表 3 重金属的最强交互作用影响力 Table 3 Strongest interaction factors of heavy metals

根据表 3焦化厂内部的结果可知, 除了Hg、Ni和Zn以外, 其余重金属最强交互因子对均为污染源因子和土壤理化性质因子的交互, 说明焦化厂内部工艺对于Hg、Ni和Zn的分布驱动作用较差, 土壤理化性质起主要驱动作用.对于重金属As、Cu和Pb, 其受到最强交互因子对为油库工段和土壤有机碳含量, 说明其在焦化厂内部的分布主要受到油库产品装配外溢及有机碳的络合作用驱动.对于重金属Cd和Cr, 其受到最强交互因子对为焦炉和有效硼, 说明其在焦化厂内部的分布主要受到焦炉装煤过程灰尘沉降及有效硼的吸附作用的驱动.

根据表 3焦化厂外部的结果可知, 重金属最强交互因子对均为污染源因子和土壤理化性质因子的交互, 但与内部因子对存在差异.焦化厂外部重金属As受到最强交互因子对为焦炉和有效硼, Cd受到最强交互因子对为熄焦和全氮量, Cr受到最强交互因子对为焦炉和全氮量, 说明As、Cd和Cr在焦化厂外部的空间分布主要受到了焦炉和熄焦废气的沉降驱动以及土壤养分含量对重金属有效性影响的驱动.重金属Pb受到最强交互因子对为煤场和有机质, Zn受到最强交互因子对为粗苯和有机质, 说明Pb和Zn在焦化厂外部的空间分布除了受到有机质对其有效性的驱动外, 还分别受到煤场淋洗过程中的Pb排放及粗苯精制过程中的Zn排放的驱动影响.重金属Cu、Hg和Ni受到最强交互因子对为焦化工艺和土壤质地, 说明其在焦化厂外部的空间分布主要受到了焦化工艺中煤气柜、熄焦和油库生产过程中排放烟尘沉降的影响, 同时其迁移受土壤质地的驱动作用更强.

根据以上对地理探测器结果的分析讨论, 在产焦化场地内外部驱动因子存在一定的差异, 因此针对焦化场地内部的污染防控, 应当着重对焦化场地内部的粗苯工段、冷鼓工段煤气和焦油精制环节进行污染废水排放的把控; 针对焦化场地周边土壤的污染防控, 应当着重对焦炉、熄焦和煤气柜等炼焦制气环节进行废气排放把控和废气治理.此外, 也可通过添加土壤改良剂以改变土壤理化性质, 进而降低土壤中重金属的有效性, 抑制重金属的迁移.

(1) 根据内部驱动因子结果, 焦化厂内部重金属空间分布主要受焦化产品精制工艺的驱动影响, 且受到精制工艺和土壤质地等理化性质的交互驱动力最强.

(2) 根据外部驱动因子结果, 焦化厂外部重金属空间分布主要受焦化排放废气等炼焦制气工艺的驱动影响, 且受到炼焦制气工艺和土壤质地等理化性质的交互驱动力最强.

(3) 驱动结果中焦化厂内部驱动因子q值高于外部驱动因子q值, 揭示了焦化厂对内外部土壤重金属分布影响的差异及主要驱动力的差异, 对于土壤污染的准确预测和针对性管控具有指导意义.