宿州煤礦區(qū)大氣降塵重金屬的污染評價及來源解析

韓亞芬，李 琦，黃淑玲

(宿州學院環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

宿州煤礦區(qū)大氣降塵重金屬的污染評價及來源解析

韓亞芬，李 琦，黃淑玲

(宿州學院環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

為認識宿州煤礦區(qū)大氣降塵中重金屬的污染現(xiàn)狀及來源，利用富集因子指標評價塵樣中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Mn和Fe的污染等級，并借助相關分析和主成分分析手段對降塵中重金屬元素的來源進行了研究。結果表明：降塵中Cu、Pb、Zn、Cd和As的平均含量均高于安徽省土壤背景值，而Cr、Mn和Fe則低于土壤背景含量；Cd的元素富集因子為9.02，為顯著污染水平，Cu和As的富集因子介于2～5，為中度污染，其余元素富集因子均小于2，為無污染至弱污染；降塵中的Cd和As元素具有同源性，與煤礦開采及煤炭資源利用等相關的人為活動密切相關，Cu、Pb和Zn的含量富集主要受到礦區(qū)大型運輸車輛交通污染影響，而降塵中Cr、Mn和Fe則來源于地表土壤顆粒物。

煤礦區(qū)；大氣降塵；重金屬；富集因子；來源解析

作為地球表層地氣系統(tǒng)物質交換的主要形式，大氣降塵有著重要的環(huán)境指示意義[1,2]。由于降塵塵粒表面可吸附大量的重金屬有害元素，同時還具有沉降速度快、影響范圍廣等特點，因而成為評判區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的一項重要指標[3,4]。已有研究表明，大氣降塵能夠以自然沉降的方式進入地表土壤、水體和生物等環(huán)境介質，進而通過生物地球化學過程威脅到人體健康和生態(tài)系統(tǒng)安全[5,6]。自然狀態(tài)下的大氣降塵主要來源于地面土壤顆粒物，隨著工礦企業(yè)的快速發(fā)展，大量的粉塵污染物被排入到大氣環(huán)境中，使得大氣降塵呈現(xiàn)出顯著的多源性特點[7]。

宿州煤礦區(qū)是兩淮煤田的重要組成部分。近年來，該礦區(qū)煤炭開采規(guī)模的不斷擴大導致礦區(qū)周邊重金屬污染問題日益凸顯，目前有關該區(qū)大氣降塵重金屬污染及來源方面的研究尚未見報道。本文通過實地采樣和測試分析，評估了宿州煤礦區(qū)大氣降塵中重金屬元素的污染現(xiàn)狀，進而利用數(shù)理統(tǒng)計手段，對降塵中重金屬元素的來源進行了初步分析，以期為礦區(qū)環(huán)境污染防治提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

宿州市位于安徽省東北部(北緯33°18’～34°38’，東經116°09’～118°10’)，地貌以平原為主，占全區(qū)總土地面積的90%以上，地形呈西北向東南緩傾斜狀。該市屬華北暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，主要特征為季風明顯、四季分明。年平均降雨量890.1 mm，常年主導風向為NE，年平均風速1.7 m·s-1。宿州市煤炭資源較為豐富，儲量約60億t，是兩淮煤田的重要組成部分。本研究區(qū)位于宿州市東南部，區(qū)內建有蘆嶺、朱仙莊和桃園等五座煤礦。其中，蘆嶺礦和朱仙莊礦分別于1969年和1983年投產，年煤炭生產能力均接近200萬t，而桃園、祁南和祁東3座煤礦則為20世紀90年代后投產，年煤炭生產能力分別為150、300和200萬t。

1.2 樣品的采集與前處理

在研究區(qū)內設置23處采樣點(圖1)，于2015年3月上旬進行大氣降塵樣品采集。采樣點選擇距離煤礦廠區(qū)較近(1～3 km)且居住人口集中的村鎮(zhèn)、職工宿舍區(qū)等。在各采樣點處，采集25～50 g自然沉降于木門、窗臺、屋檐等物(距地面高度約1.5～2.0 m)上的灰塵，使用兔毛刷將其清掃至干凈的塑料薄板上，進而收集到自封袋中儲存。

采集到的降塵樣品及時送至安徽省煤礦勘探工程技術研究中心實驗室。樣品經低溫烘干和研磨后，使用100目(150 μm)尼龍篩對其進行篩分處理，以去除樹葉、木屑等大顆粒雜物。過篩后的塵樣保存至聚乙烯樣品袋中備用。

1.3 樣品測試與數(shù)據(jù)處理

稱取4.0 g的塵樣，經過30 t壓片機壓片成型后，利用X熒光光譜儀(型號Explorer 9000SDD，美國伊諾斯公司)測定樣品中Cu、Pb、Zn、Cr、As、Mn和Fe元素的含量；而對于樣品中的Cd含量，采用四酸(HNO3-HCl-HClO4-HF)消解和石墨爐原子吸收法(TAS-990FG，普析通用，北京)測定。在樣品測試過程中，每測試5個樣品后采用國家標準樣品(GBW07307)校準一次，標樣測試值和參考值間的相對標準偏差(RSD)均小于10%。測試數(shù)據(jù)結果的統(tǒng)計和分析采用Excel 2010和SPSS 13.0軟件。

2 結果與分析

2.1 宿州煤礦區(qū)大氣降塵中重金屬的含量特征

依據(jù)測試結果，將宿州煤礦區(qū)大氣降塵中8種重金屬元素的含量統(tǒng)計特征值列于表1。由表1可知，降塵中各元素含量高低依次為Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd。其中，Cu、Pb、Zn、Cd和As的含量平均值分別為60.22、38.61、100.61、0.77和17.00 mg·kg-1，均高出安徽省土壤元素含量背景值，分別為背景含量的2.95、1.45、1.62、7.90和1.89倍；而Cr、Mn和Fe的含量分別為47.13、375.87 mg·kg-1和2.84 g·kg-1，均低于背景值。

從大氣降塵中各元素含量的分布情況來看，其空間變異系數(shù)依次為Pb>Zn>Cu>Cd>As>Fe>Mn>Cr。Mn和Fe的變異系數(shù)均小于0.1，為弱變異水平，說明這兩種元素在宿州煤礦區(qū)附近大氣降塵中的空間分布差異較??；而其余6種元素的變異系數(shù)均處于0.1～0.3之間，屬于中等變異水平，說明其含量的空間分布可能與人類活動密切相關。

2.2 富集因子評價

作為評估人類活動對自然環(huán)境擾動程度的重要指標，富集因子(enrichment factors,EF)是衡量元素污染程度與污染來源的有效手段[8]。該法首先選擇地球化學性質較為穩(wěn)定的元素作為參比元素[9]，并將樣品中污染元素含量實測值及其背景值分別與參比元素進行對比，進而判斷表生環(huán)境介質中元素的人為影響狀況。其計算公式如下：

(1)

圖2為宿州煤礦區(qū)大氣降塵重金屬富集因子計算結果。由圖2可知，Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As和Mn元素的富集因子可分為3類：第一類為Pb、Zn、Cr和Mn4種元素，其富集因子普遍低于2.0，為無污染至弱污染水平，而其中又以Cr和Mn元素的EF值最低(Cr為0.78，Mn為0.80，二者均非常接近于1.0)，表明大氣降塵中這兩種元素的富集狀況與區(qū)域背景土壤相似；第二類以Cu和As元素為代表，它們的富集因子分別為3.38和2.16，處于中度污染水平；而第三類元素為Cd，其富集因子高達9.02，說明該元素已受到顯著的污染。

2.3 元素相關性分析

重金屬含量的相關分析可以有效地揭示不同元素間的來源或遷移途徑的一致性。本文對所選重金屬元素含量間的Pearson相關系數(shù)進行了計算和檢驗，結果見表3。由表3可知，Pb和Zn的相關系數(shù)最高，達0.869，且其富集因子數(shù)值較為相似，分別為1.67和1.87(見圖2)，表現(xiàn)出較好的一致性，而它們同時都與Cu呈現(xiàn)顯著相關，暗示著這3種元素同源的可能性較高；Cd和As的相關性為極顯著，相關系數(shù)為0.692，說明它們可能具有著相似的污染來源；Cr、Mn和Fe的元素含量呈現(xiàn)顯著的相關性，且它們的含量平均值均低于安徽省安徽省土壤背景值，表明這3種元素具有相似的環(huán)境地球化學特性。

2.4 主成分分析

為進一步驗證相關性分析結果，本文利用SPSS 13.0對上述8種重金屬元素含量進行主成分分析，得出主成分因子旋轉載荷矩陣，如表4所示。由表4可知，所提取的3個主成分因子貢獻率依次為39.06%、20.03%和17.11%，三者的特征值均大于1，能夠解釋的累積信息量占數(shù)據(jù)總量的76.20%。同時，各主成分因子中元素載荷值的分布情況與相關性分析結論基本一致。其中，第一主成分中以Cd和As的載荷值為最高，說明該因子主要反應出這兩種元素的污染來源信息；第二主成分中Cu、Pb和Zn具有較高的正載荷，表明三者在大氣降塵中的富集程度主要受控于第二主成分因子；而Cr、Mn和Fe在第三主成分中較高的載荷值則說明它們在降塵中的含量水平及來源與該主成分因子密切相關。

2.5 大氣降塵重金屬來源解析

結合重金屬元素相關性分析和主成分分析結果可發(fā)現(xiàn)，宿州煤礦區(qū)大氣降塵中Cd和As的相關性為極顯著，且同屬第一主成分因子，可能具有相同的來源特征。一般認為，As是燃煤活動的典型示蹤元素，而Cd在煤炭開采、煤矸石淋溶及自燃等過程中也會被大量釋放，因此推斷第一主成分因子主要代表與煤礦開采及煤炭資源利用等相關的人為活動影響。Cu、Pb和Zn是第二主成分的構成元素，其在表生環(huán)境介質中的富集通常是由礦業(yè)開采、機械加工、冶煉等工業(yè)活動以及交通污染等所致[11]，考慮到研究區(qū)內并無大型機械、冶煉工廠運營，而煤炭資源開采的同時多伴隨著大量的交通運輸活動，可以推斷第二主成分中的3種元素主要來自于大型運輸車輛導致的交通污染。降塵中Cr、Mn和Fe的元素含量與安徽省土壤背景值比較接近，三者具有顯著的相關性，且同屬第三主成分，因此可認為它們來源于地表土壤顆粒物。

3 結 論

宿州煤礦區(qū)大氣降塵中重金屬元素含量依次為Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd。與安徽省土壤背景值相比，除Cr、Mn和Fe外，其余元素含量均高出背景值。而富集因子評價結果顯示：降塵中Cd元素為顯著污染，Cu和As處于中等污染水平，而Pb、Zn、Cr和Mn則介于無污染至弱污染。

基于相關性分析和主成分提取的元素來源解析發(fā)現(xiàn)：宿州煤礦區(qū)大氣降塵中Cd和As的污染與煤礦開采及煤炭資源利用等相關人為活動密切相關，Cu、Pb和Zn在降塵中的富集主要受煤礦區(qū)大型運輸車輛交通污染影響，Cr、Mn和Fe元素則來源于地表土壤顆粒物。

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[責任編輯：劉守義 英文編輯：劉彥哲]

Pollution Assessment and Source Analysis of Heavy Metals in Atmospheric Deposition in Suzhou Coal Mine Area

HAN Ya-fen,LI Qi,HUANG Shu-ling

(School of Environment and Surveying Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

To recognize the pollution situation and sources of heavy metals in atmospheric deposition in Suzhou coal mine area,the contamination levels of eight elements(Cu,Pb,Zn,Cr,Cd,As,Mn and Fe)were assessed by the index of Enrichment Factor(EF),and then the sources of these elements were revealed based on the methods of correlation analysis and principal component analysis.The results showed that:the average concentrations of Cu,Pb,Zn,Cd and As were higher than the soil background of Anhui province,while Cr,Mn and Fe were reverse;Cd belonged to significant pollution level with the highest EF value of 9.02,Cu and As was intermediately polluted,and the other elements were between no pollution and weak pollution;Cd and As mainly came from the human activities related to coal exploitation and consumption,Cu,Pb and Zn were obviously influenced by transportation of larger vehicles,and Cr,Mn and Fe were from the surface soil particulates.

coal mine area;atmospheric deposition;heavy metal;enrichment factor;source analysis

安徽省高等學校省級自然科學基金重點項目(KJ2014A251)；宿州學院校級科研平臺(安徽省煤礦勘探工程技術研究中心)基金項目(2013YKF05)；宿州學院教授(博士)科研啟動基金項目(2013JB01)

韓亞芬(1984-)，女，山西文水人，工學碩士，講師，主要從事環(huán)境污染與評估方面研究。

X 513

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.06.009

來稿日期：2015-10-05