城市社会问题的地球化学解决方案:以伦敦为例

以地球化学数据和模型为基础,可以比较海岸带特大型城市伦敦在地表水、地下水、大气、土壤和沉积物成分方面的变化。地球化学数据发挥的作用取决于各方之间的有效勾通,这是很有挑战性的。地球化学工具和方法可以为决策支撑提供证据,并为解决城市环境问题提供方案。地球化学家不能仅仅单纯地提供证据,还要构想解决方案,然后说服政治家把该方案付诸实践。

引言

作为地球与环境科学家,我们可以提供城市的边界条件作为基准,比如天气、河流、潮汐与基础地质。但是,为了真正了解城市对其所处环境的影响,我们必须将这些数据与社会、工程和经济的因素综合起来考虑,才能做出对这些事实有科学基础的合理响应,进而提高在大城市生活的质量。由于英国伦敦的监测设施比较完善,并且具有长期监测的历史,我们就将伦敦作为一个可扩展的实例,来研究一个城市是如何影响地球系统的。这当然包括寻找揭示这些影响的方法并真正理解何为基准以及基准这个概念可能会多么有用。

长期监测的重要性与地球化学的作用

回溯到几十年以前,己经有大量关于泰晤士河及其支流的地球化学数据,包括伦敦当地的大气条件、土壤和地下水以及泰晤士河入海口及其沉积物。像伦敦这样的大城市,应当具有好几种基准:如原子弹爆炸试验以前、工业革命以前、大规模使用硝酸盐肥料以前以及车辆广泛使用柴油以前。无论哪一种类型的环境影响,都必定是相对于某种恰当的基准而言的。

泰晤士河有关硝酸盐浓度测量的记录可追溯至19世纪中叶,这对于评估长期来自农业活动的硝酸盐输入具有重要价值。

如前所述,地球化学家通常只反映事实,而不提供解决方案。他们收集数据,并向政府提供分析选项,这些选项可影响政府全方位的决策过程。

泰晤士盆地

泰晤士盆地的面积超过16,000平方千米,英国首都伦敦就位于其腹地,这是一个在有限的集水区维系着1300多万人口生活的河流盆地。

伦敦的地质情况见图1。英国地质调查局根据钻孔与地球物理资料,恢复了其三维地质情况。该模型是世界上主要城市中最先进的地质模型之一。该地质模型为伦敦正在进行的工程与建设工作提供了详细信息,其地质条件还控制了那里的土壤基准地球化特征。

图1  英国伦敦三维地质图

伦敦的土壤

BGS伦敦地球调查项目以每平方千米四个采样点的密度,在整个伦敦地区采集了6000多处土壤样品(采样密度见图2)。每个采样点都测量了50多个无机化学元素的化学特征。此次调查采用与土地用途或污染点均无关系的系统这一公正的方法,确保了本次调查所测量得到的是“基准地球化学情况”,但不一定是未被改造过的原始土壤成分。

图2 伦敦地球项目顶层土壤采样点的分布

粉红色代表多环芳烃(PAHs)和多氯联苯(PCBs)研究区;黄色代表汞先导试验研究区。

从人为特征中推导出地质信息是有可能的。图3为硅、铝和钙三种化学成分的合成图,如果将其叠加在图1所示的地质模型中,可以清楚地区分出白垩和伦敦的粘土基岩,从而识别和量化土壤的母体物质。

图3 伦敦表层土壤地球化学图解

包括砷、铬、钡、铅、梯、锡和锌在内的这些其他元素的变化,受地球成因(总体上小于20%)与人为因素(80%)的联合控制。例如,图4反映了伦敦地区土壤中铅的分布。

图4 伦敦地球项目采集的表层土壤中铅的分布图

伦敦土壤地球化学分析工作的一个重要成果是简易地识别与查明了污染区的分布及污染渠道,其大多数都是过去工业活动所留下的问题。

泰晤士河里的硝酸盐与“硝酸盐定时炸弹”

泰晤士河中的硝酸盐含量自1868年以来就有记录。这些为我们模拟泰晤士盆地硝酸盐输出奠定了基础,并提供了一些有意思的发现,比如在二战以前硝酸盐输出为每公顷50千克,而战后由于肥料的使用量不断增加,现在己经增至三倍,如图5A所示。

图5  (A)在特丁顿水闸测得的泰晤士河的硝酸盐浓度反映了自1868年起过去一百多年来土地政策对污染程度的影响;(B)氮肥的使用从二战前的每年25千克/公顷增加到上个世纪八十年代每年约70千克/公顷。

由于泰晤士河受地下水的强烈影响,因而河流治理的效果取决于地下水系统通过生物与物理过程的排硝酸盐速率。如图5B所示,它表示硝酸盐的输入量随时间的变化。黑点为BGS数据库中300个取芯钻孔的孔隙水硝酸盐浓度。

Wang等(2012)称地下水里的硝酸盐浓度就是一枚“硝酸盐定时炸弹”,不仅会影响伦敦,还可能影响到整个英国。他们依据地理信息系统(GIS),建立了一个简单的过程模型,对岩石和土壤中的不饱和带内硝酸盐的搬运过程进行了模拟,并预测了伦敦地下水中硝酸盐浓度达到峰值的时间。

对地下水进行模拟并了解硝酸盐的基准情况,对于今后伦敦的长期土地管理和水利用决策将有重要意义。

伦敦的大气污染(CLEARFLO实验)

不同于来自污染土壤和河流沉积物的历史遗留问题,伦敦的大气条件部分取决于现在对燃料的使用情况以及目前的工业活动。这些大气问题在公众眼里正在快速增加。

为了监测伦敦可能很糟的空气条件并对其作出反应,我们进行了ClearfLo(Clean Air for London)实验(www.clearflo.ac.uk)。在伦敦或任何主要城市,ClearfLo实验都是第一次,实验目的是为了对伦敦的城市大气进行长期的综合监测,包括气象状态、成分与悬浮的微粒浓度等。

结论

伦敦是一个经典的案例,通过它可以对以一种或另一种方式影响居民生活的城市地球化学的诸多方面进行研究。根据伦敦城区丰富的环境科学信息,我们现在能否建立这个城市对其流域面积的环境影响模型,然后将其推广到全世界的其他城市?如果这样可以的话,我们就能找到对任何一个城市几个世纪以来由环境破坏所造成的遗留问题进行管理的最佳途径。

李万伦 译自:John Ludden, Denis Peach and Dee Flight. Geochemically based solutions for urban society: London, A case study. Elements, 2015, 11: 253~258.(孙春强审稿)

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