煤矸石堆周圍土壤重金屬空間分布特征與評價(jià)

許緒成，許繼影，葉傳紅，闞立波，劉 洋

（宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 237000）

在礦業(yè)城市中，不可忽略由于采礦帶來的煤矸石堆對周圍土壤造成的重金屬污染影響.隨著人民生活質(zhì)量的逐步提高，重金屬污染越來越受到人們的重視.煤矸石通過多種方式對周圍產(chǎn)生影響，在風(fēng)化、淋濾作用下,可以產(chǎn)生大量粉塵、酸性水和攜帶有重金屬的離子水,污染大氣、土壤和水源[1],重金屬等有害元素再通過植物吸收富集，被人食用，進(jìn)入生物體內(nèi)的重金屬元素由于具有持久性、毒性和生物富集作用，對生物和人類健康均會造成嚴(yán)重的危害[2].其中煤矸石對土壤造成重金屬污染主要有兩種途徑:一是經(jīng)風(fēng)蝕后的矸石揚(yáng)塵懸浮于大氣中,隨風(fēng)降落于矸石堆周圍土壤;二是矸石受大氣降水的沖刷和淋溶作用而使重金屬隨地表徑流進(jìn)入土壤[3].煤矸石作為我國主要的固體廢棄物數(shù)量巨大且污染性也不容小覷.

目前對礦區(qū)周圍煤矸石堆的研究不在少數(shù)，但是受到地域條件和當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的影響，各處煤矸石堆對其周邊造成的影響都有所不同，所以為了能給周圍居民一個健康的生活環(huán)境，我們對宿州桃園礦區(qū)域進(jìn)行重金屬空間分布特征研究是十分有必要的.

淮北礦業(yè)集團(tuán)公司桃園煤礦是國家“八五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大型礦井，經(jīng)過擴(kuò)能改造，生產(chǎn)能力達(dá)到了150萬噸.在煤礦開采的過程中產(chǎn)生大量煤矸石，煤矸石的堆放和不合理運(yùn)用給當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的重金屬污染.由此進(jìn)行煤矸石堆周圍水平方向和垂直方向重金屬空間分布特征分析，分析重金屬污染規(guī)律，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)、保護(hù)居民身體健康具有重要的意義.

1 樣品采集與測試

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)位于宿州市墉橋區(qū)北楊寨鄉(xiāng)桃園鎮(zhèn)桃園煤礦煤矸石堆積點(diǎn)附近，采樣區(qū)域多為耕作區(qū)，西北向?yàn)榫用駞^(qū)，在圖1中的區(qū)域16點(diǎn)位處存在一處磚廠.原定取樣21個點(diǎn)位，每個點(diǎn)位的距離（圖1中的網(wǎng)格距離）設(shè)定在200-300m間.由于個別點(diǎn)位填埋煤矸石與碎磚屑，取樣器無法取樣，所以本次共取樣19個點(diǎn)位，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個點(diǎn)位以三角取樣法取樣，每個采樣點(diǎn)以不同深度進(jìn)行采樣（0-0.2m、0.2-0.4m），研究其地區(qū)在平面以及垂直縱深的重金屬分布特征.具體采樣點(diǎn)情況見圖1.

圖1 樣品采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2 樣品制備與測試

取樣后樣品在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干，剔除明顯的雜余物質(zhì).再用研缽研成粉末狀，過200目篩，裝入樣品袋中供測試.

樣品采用HCl-HNO3-HF-HClO3全分解法[4]檢測土壤中重金屬含量:稱取0.5g樣品放入聚四氟乙烯坩堝內(nèi),用少許蒸餾水潤濕,加入10mL鹽酸和10mL硝酸,在電熱板上加熱,控溫200℃;再向坩堝內(nèi)加10mL氫氟酸和10mL高氯酸,在電熱板上以200℃加熱;溶解完畢冷卻后,將坩堝內(nèi)消解液轉(zhuǎn)移到100mL容量瓶中,定容后送ICP-MS測試，測試在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心內(nèi)完成，儀器為Skyray Instrument ICP-2000，每測試3個樣品后利用儀器自帶標(biāo)樣進(jìn)行校準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)檢測 Pb、Ni、Cd、Mn、Cr、Cu、Zn 等 8 種重金屬元素.

表1 宿州市桃園礦區(qū)土壤樣品重金屬含量(mg·kg-1)

2 結(jié)果與分析

原定取樣21個點(diǎn)位，本次取樣19個點(diǎn)位，區(qū)域16與區(qū)域19樣品數(shù)據(jù)缺失.Cr元素的檢出率為100%，Mn元素的檢出率為97.3%，Pb、Ni、Fe元素的檢出率為94.7%，Cu元素的檢出率為73.7%，Zn元素的檢出率為50%.由于Zn元素檢出率過低，導(dǎo)致aicgis10.2中克里金分布的可信度降低，所以Zn元素的重金屬分布圖被略去.具體測試結(jié)果如表1所示.

2.1 土壤背景值

研究區(qū)宿州市桃園礦區(qū)周圍耕地多為沙土和淤土，在所檢測的所有元素中除了Fe這類受自然因素影響，人為因素影響較小的元素之外，其余所有元素的平均值均大于安徽土壤重金屬背景值.其中Pb元素的平均含量為背景值的5倍，Ni元素的平均含量為背景值的3倍，Cd元素的平均含量約為背景值的100倍，Zn元素的平均含量約為背景值的2倍.研究區(qū)的重金屬背景值處于一個高水平.

2.2 重金屬分析結(jié)果

在Explorer 9000 SDD儀器中各元素的檢出率不一，其中Cr元素的檢出率最高為100%，Mn元素的檢出率次之為97.3%，Pb、Ni、Fe元素的檢出率為 94.7%，Cu 元素的檢出率為73.7%，Zn元素的檢出率為50%.Pb元素的檢出范圍為18.62-439.2，平均值為 138.22，方差為 102.46；Ni元素的檢出范圍為11.3-334.6，平均值為3.95，方差為86.14；Fe元素的檢出范圍為7282.4-37841.3，平均值為7282，方差為7477.99；Mn元素的檢出范圍為17.1-905，平均值為477.99，方差為192.75；Cr元素的檢出范圍為36-94.4，平均值為63.49，方差為15.5；Cu元素的檢出范圍為1.1-116.7，平均值為 29.62，方差為 31.13；Zn元素的檢出范圍為12.52-492.64，平均值為102.69，方差為123.03.

表2 土壤重金屬元素背景值

圖2 各元素含量在各點(diǎn)的含量分布

圖3 煤矸石堆周圍土壤重金屬含量

通過利用arcgis10.2的空間插值，我們得到了各個元素含量在采樣點(diǎn)范圍內(nèi)的分布情況.其中Cd元素在0-0.2m范圍內(nèi)在西北角靠近煤矸石堆以及東北角磚廠附近的含量最高，土壤在淺層范圍內(nèi)其受到煤矸石堆和磚廠燒制磚塊的直接影響，其區(qū)域內(nèi)的Cd元素含量尤其高.而在0.2-0.4m范圍內(nèi)的土壤則靠近西南部分的含量高，其地區(qū)為居民住宅區(qū)和煤廠地址，或與煤矸石填地利用、煤的堆放及煤場加工淋濾液滲透有關(guān).Cr元素沒有超過安徽土壤重金屬背景值，但是其含量分布在arcgis10.2顯示與磚廠的位置有直接關(guān)聯(lián)，0-0.4m深度從東北角磚廠取出的土壤樣品Cr含量均高，0-0.2m深度土壤在西南角也表現(xiàn)出含量異常，或與磚廠燒制磚塊一整個流程對土壤造成的影響有關(guān).Cu含量在淺層0-0.2m范圍內(nèi)含量受磚廠和煤矸石堆的直接影響，0.2-0.4m范圍內(nèi)則東北角與西南角的含量高，推測受到垃圾填埋、煤矸石填地利用的影響，不排除0-0.2m的淺層土壤受到過居民的翻動和更新.Fe含量比較正常，其在自然界中賦存并不過多地受到人類活動的影響.其含量最高的地方位于東北一角，磚廠所在地，在采樣過程中明顯能夠感覺到磚廠附近的土壤受到磚塊碎渣的覆蓋，所以磚廠對于Fe含量產(chǎn)生了一定的影響.Mn含量分布大致與Fe相同，但在0.2-0.4m范圍內(nèi)東北角也有異常，推測此處應(yīng)為煤渣、煤矸石的一處填埋地.Ni含量在0-0.2m與0.2-0.4m范圍的分布不同，0-0.2m深度Ni元素主要在西南角表現(xiàn)異常，或與煤矸石填地利用、煤的堆放及煤場加工淋濾液滲透有關(guān)，而0.2-0.4m深度則東北角的Ni含量高，根據(jù)此前推測此處應(yīng)為煤矸石或碎屑磚的填埋地.

2.3 重金屬環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的最常用的方法之一.該方法先求出各因子的分指數(shù)(超標(biāo)倍數(shù))，然后求出個分指數(shù)的平均值，取最大分指數(shù)和平均值計(jì)算，是一種兼顧極值或稱突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，見下式[5]：

其中Ci為元素的實(shí)際值，Li為元素的容差值.參考土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618－1995，參考《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價(jià)綱要》(1994),結(jié)合桃園礦區(qū)農(nóng)田地為旱地，PH在6.5-7.5之間，由內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)可劃分研究區(qū)的污染指數(shù)值:

表3 土壤綜合污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)

表4 土壤重金屬評價(jià)結(jié)果

依據(jù)評價(jià)結(jié)果，桃園礦區(qū)取樣點(diǎn)Pg均大于3.0，為重污染區(qū)域，且超過警戒水平40-110余倍不等，其原因應(yīng)是煤矸石堆放淋濾、煤矸石填充耕作地、磚廠燒制堆放磚塊及碎屑的不當(dāng)處理、垃圾填埋，除此之外，不排除當(dāng)?shù)赜捎谕恋氐姆瓌佣斐傻闹亟饘賹Ρ韺油寥赖挠绊?

3 結(jié)論

通過對宿州境內(nèi)桃園煤礦區(qū)域進(jìn)行重金屬空間分布特征的研究，再結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用駥?shí)際生產(chǎn)生活，得出以下結(jié)論：

(1)煤矸石周圍檢測有 Pb、Ni、Cd、Mn、Cr、Cu、Zn 等 8 種重金屬元素，Cr元素的檢出率為100%，Mn元素檢出率為97.3%，Pb、Ni、Fe元素檢出率為 94.7%，Cu元素的檢出率為73.7%，Zn元素的檢出率為50%.8種元素除Fe、Cr外均超標(biāo)，Cd超標(biāo)尤其嚴(yán)重，與周邊煤矸石堆和廢棄磚廠有關(guān)聯(lián).

(2)由aicgis10.2空間插值發(fā)現(xiàn)0-0.2m與0.2-0.4m的重金屬分布情況并不成正相關(guān)，推測煤矸石與附近磚廠碎屑磚的填埋有關(guān)聯(lián)，兩者造成了嚴(yán)重超標(biāo)的重金屬污染.

(3)地面表層平面范圍內(nèi)某些重金屬并沒有和煤矸石堆的距離產(chǎn)生正相關(guān)，可能與當(dāng)?shù)鼐用窀?，翻新表層土壤有關(guān)聯(lián).

(4)根據(jù)《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價(jià)綱要》研究區(qū)域?yàn)橹匚廴緟^(qū)域，且超過警戒水平40-110余倍不等，其原因應(yīng)是煤矸石堆放淋濾、煤矸石填充耕作地、磚廠燒制堆放磚塊及碎屑的不當(dāng)處理、垃圾填埋有關(guān).