基于地球物理、地球化学及脆弱性指数的复垦城市垃圾填埋场近地表土壤与浅层含水层重金属污染综合评估

《Journal of African Earth Sciences》：Integrated Assessment of Heavy Metal Contamination in Near-surface Soils and Shallow Aquifers of a Reclaimed Urban Dumpsite Using Geophysical, Geochemical, and Vulnerability Indices

　　

摘要：尼日利亚城市的快速城市化和恶劣的废物管理导致了前垃圾填埋场的回收，引发了对地下污染和地下水安全的担忧。本研究评估了尼日利亚西南部伊卡雷-阿科科一处回收垃圾填埋场近地表土壤和浅层含水层中残留的重金属污染，描绘了渗滤液迁移途径，量化了含水层脆弱性，并评估了健康风险。研究使用了四个电阻率断层成像（ERT）剖面线和一个十三点的斯勒姆杰尔垂直接地电场测试（VES）点来绘制岩性结构和断裂带。推导出的达尔-扎鲁克参数（纵向电导率S和电学电阻C）以及地电层易感性指数（GLSI）用于估算含水层脆弱性。分析了十一份地下水样本和十三份试坑土壤样本（深度0.5–1.5米）中的重金属浓度，以计算污染指数（重金属污染指数HPI、地球化学累积指数Igeo和生态风险因子ERF），并评估健康风险。VES解释描绘了四个岩性单元：表土（84.1–466.1 Ωm，0.8–2.2米）； lateritic 粘土（83.9–945.2 Ωm，2.9–8.8米）；风化层（123.8–966.0 Ωm，11.6–18.2米）；新鲜基底（>1246.8 Ωm）。ERT模型显示TR1–TR3沿线存在电阻率<200 Ωm的导流体填充特征和断裂带，解释为渗滤液入侵途径。含水层脆弱性指数，包括纵向电导率（S：0.007953–0.064609 mhos）和GLSI（1.83–2.67），表明风化含水层单元的微弱保护。地下水分析显示，井1–6和10中Pb（0.008–0.063）、Mn（0.024–0.110）、Ni（0.000–0.074）和Cr（0.017–0.100）的浓度（mg/L）超过饮用水容许限值。污染评估显示，54.6%的采样井的重金属污染指数HPI >100。健康风险评估显示，儿童和成人的非致癌健康指数（HI）超过安全阈值1。Igeo进一步表明，尽管该地点土壤重金属浓度（0.011–1.063 mg/kg）低于推荐的农业限值，但土壤污染程度为高度到极高度污染。回归分析显示，纵向电导率（S）与水质污染（HPI：r = 0.658, p<0.01）和健康风险（HI：r = 0.672, p<0.01）强相关。结果证实，结构断裂带超过了土壤的保持能力，需要在回收垃圾填埋场200米范围内对水井进行有针对性的监测。

引言：地下水为全球超过25亿人提供饮用水，但它极易受到人为源污染。在发展中国家，快速城市化和不充分的固体废物管理增加了垃圾填埋场渗滤液的产生，威胁了土壤质量和地下水资源。渗滤液迁移是一个连续过程：从废物释放的污染物首先通过吸附和解吸与近地表土壤相互作用，然后随下渗水垂直迁移到浅层含水层，并可能排放到地表水。这意味着土壤污染并非孤立存在；它是地下水污染的主要源项。

基岩综合体地形中的发展中国家垃圾填埋场尤其成问题，因为风化产生的断裂带和粘土剖面可能要么延缓要么促进污染物的传输。在这样的环境中，理解污染物迁移需要一种综合方法。

地球物理方法，特别是电阻率断层成像和垂直接地电场测试，被广泛用于绘制岩性、断裂带和渗滤液羽。然而，由于地下介质的异质性和复杂性，使用单一方法进行污染现场的现场检查可能会产生不确定的结果。土壤和水体的地球化学分析提供了污染物迁移性和赋存形态的直接证据。含水层脆弱性指数，如GOD（地下水水力封闭性；上覆岩性；和距地下水位的深度）、纵向电导率和GLSI，进一步量化了自然保护能力。

最近在发展中国家进行的研究，包括Agbeshie等人（2020），Ojo等人（2020），Ahmed等人（2021），Ale等人（2024a）和Aralu等人（2024），报告了在受调查的垃圾填埋场附近的下覆土和地下水中重金属浓度较高。其他研究，如Badmus等人（2022），Olasukanmi等人（2023），Bayowa等人（2023）和Ale等人（2024a），通过确认地下水中污染物的存在和范围来验证了地球物理解释。同样，Butt等人（2022）和Adedini等人（2023）的研究通过确认下覆土中污染物的存在和范围来验证了地球物理解释。由Asare和Száková（2016），Egbi等人（2017），Olasukanmi等人（2023）和Ale等人（2024b）进行的岩土工程调查对下覆土样本提供了关键见解，说明了土壤物理性质在控制垃圾填埋场下渗滤液渗入和迁移中的作用，以及这在多大程度上影响下覆土和地下水。

在区域上，尼日利亚西南部的研究记录了垃圾填埋场周围的重金属污染，但它们常常忽略深层断裂带作为优势路径的作用，并且没有将土壤污染指数与地下水健康风险联系起来。在全球范围内，尽管存在综合评估，但来自基岩地形中回收垃圾填埋场的数据有限，在这些地方废物已被移除但残留污染仍然存在。这产生了一个关键的认知缺口：结构控制力多大程度上超过了土壤保持能力而影响地下水安全，仍然知之甚少。大多数这些研究还专注于活动性垃圾填埋场，并依赖于地球物理或水化学中的一种，而在土壤保持性质和人类健康风险评估方面整合有限。

因此，本研究评估了尼日利亚西南部伊卡雷-阿科科一处回收垃圾填埋场近地表土壤和浅层地下水中残留重金属污染的程度，描绘了污染物迁移途径，量化了含水层脆弱性，并评估了相关的健康风险。该评估包括：(i) 近地表土壤重金属特性的表征及其污染的量化，使用地球化学累积指数（Igeo）和生态风险因子（ERF）；(ii) 使用电阻率断层成像和斯勒姆杰尔垂直接地电场测试，描绘作为污染物路径的地下岩性和结构特征；(iii) 使用纵向电导率、GLSI和GOD指数估算风化层含水层的脆弱性；(iv) 使用重金属污染指数评估地下水中的重金属浓度和污染状况；以及(v) 通过地下水和土壤摄入及吸入暴露途径评估儿童和成人的非致癌和致癌健康风险。这种全面的方法将为类似基岩地形中的回收后监测提供可操作的见解。

研究区域：伊卡雷-阿科科位于尼日利亚西南部，北纬07°31′15″至07°33′00″，东经05°45′00″至05°46′36″，平均海拔356米。伊卡雷及其周边地区每年降雨频繁超过1800毫米，湿度水平超过50%，哈马丹季节（12月至2月）平均温度为22°C，3月为32°C。植被为热带雨林。伊卡雷镇下方是基底岩组。

材料与方法：本研究的方法包括几个步骤：初步现场评估、地球物理勘测（ERT和VES）、土壤和水采样、实验室分析、标准比较、近地表土壤水文地质特性的估算、污染和健康风险评估以及相关研究，如图2所示。

ERT和斯勒姆杰尔VES模型：VES反演模型揭示了四个岩性层，表土（84.1–466.1 Ωm，深度0.8–2.2米），lateritic粘土（83.9–945.2 Ωm，深度2.9–8.8米），风化层（123.8–966.0 Ωm，深度11.6–18.2米）和新鲜基底（>1246.8 Ωm），具有四种不同的曲线类型——HA、AA、H和KH曲线（表1和图3）。

GOD、GLSI和含水层脆弱性指数：风化层的AVI值从0.023565到0.233026，平均值分别为0.044043（回收场地），0.133487（农田），0.147593（住宅）和0.120354（对照）。

结论：本研究实现了在尼日利亚西南部伊卡雷-阿科科回收垃圾填埋场评估残留污染等五个目标。近地表土壤（0.5–1.5米）的表征显示重金属浓度为0.011–1.063 mg/kg，低于NESREA限值，但Igeo将土壤分类为高度到极高度污染，证实了尽管废物已移除但存在人为富集，而ERF表明生态风险较低。此外，描绘了四个岩性单元，并证实了……

作者贡献声明：Emmanuel Juwon Olotu：调查。Olutayo Olawale Ayeniyo：可视化，验证，软件。Isaac Ayodele Ololade：监督，资源。Oluyemi Emmanuel Faseki：初稿撰写，形式分析，数据管理。Tolulope Henry Ogunribido：调查，形式分析。Adedibu Sunny Akingboye：监督，方法论，调查。Temitayo Olamide Ale：调查，数据管理，概念化。Bolaji Mubarak Ajao：监督，资源，调查。Kolade Festus Adewumi：调查。

未引用的参考文献：Adedinni等人，2023；American Society for Testing and Materials ASTM D 854；American Society for Testing and Material ASTM D 422-63；Asare和Száková，2023；ASTM D4318，2017；Fetter，2018；Gupta等人，2022；Heidari等人，2021；Iserhien-Emekeme等人，2021；Kahal等人，2021；Muller，1969；Nigerian Geological Survey Agency，2006；Njingti-Nfor等人，2017；Olasunkanmi等人，2023；Omosuyi，2010；Pantha和Dassanayake，2020；Rehman等人，2018；Soil Survey Staff. Soil survey manual.

资金：本研究工作未从任何机构、代理机构或个人获得任何资助。

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的、可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢：作者感谢编辑和潜在审稿人的富有影响力的评论和建议。

Temitayo Olamide Ale | Tolulope Henry Ogunribido | Adedibu Sunny Akingboye | Isaac Ayodele Ololade | Oluyemi Emmanuel Faseki | Emmanuel Juwon Olotu | Olutayo Olawale Ayeniyo | Kolade Festus Adewumi | Bolaji Mubarak Ajao

尼日利亚翁多州Akungba-Akoko阿代昆勒·阿贾辛大学地球科学系