湘南某鈾礦山周邊水體放射性金屬及重金屬污染特征

門(mén)倩　唐振平　劉江　劉珊　黃偉　王正慶　馬如莉　陳亮

摘要：對(duì)湘南某鈾礦山周邊地表水進(jìn)行取樣，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）對(duì)20個(gè)樣本進(jìn)行放射性金屬和重金屬元素分析。利用SPSS軟件研究了樣本中重金屬以及放射性元素間的相關(guān)性，并采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，Ⅰ號(hào)水體（礦區(qū)附近的小溪）大部分重金屬及放射性金屬濃度遠(yuǎn)高于Ⅱ號(hào)水體（主干河流），礦區(qū)周邊地表水中Tl、Ni元素超標(biāo)。放射性元素U和重金屬元素Pb、Ni、Tl、Cu、Co、Zn的含量在0.05水平或0.01水平上顯著相關(guān)，表明其污染源可能相同。礦區(qū)水體污染主要來(lái)源于礦井水、碎礦廢水、渣場(chǎng)淋浸產(chǎn)生的廢水，該礦區(qū)水體水質(zhì)整體評(píng)價(jià)處于優(yōu)良水平。

關(guān)鍵詞：放射性金屬;重金屬;鈾礦;地表水

中圖分類(lèi)號(hào)：X824? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.009? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Distribution characteristics of radioactive metals and heavy metals in the surface water around a uranium-mine in southern Hunan

MEN Qiana，TANG Zhen-pinga，LIU Jianga，LIU Shana，HUANG Weia，WANG Zheng-qinga，MA Ru-lia，CHEN Lianga，b

（a.School of Resource Environment and Safety Engineering;

b.Post-Doctoral Research Station of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang 421001，Hunan，China）

Abstract： Through sampling the surface water that was from one uranium mine in southern Hunan， the radioactive metals and heavy metals of 20 water samples were analyzed by the method of inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS）. The correlation among the heavy metals and the radioactive metals were researched by the SPSS. Moreover， the method of Nemero index was selected to evaluate the water quality. The results indicated that the content of the most heavy metal and the radioactive metals of Water-Ⅰ （steams near the mine） was higher than that of Water-Ⅱ（the main river）， and the content of Tl， Ni in Water-Ⅰ exceed standard. The content of the radioactive metals of U and the heavy metal elements Pb， Ni， Tl， Cu， Co and Zn， was significantly related at 0.05 level or 0.01 level， which indicated that the source of this metals was possibly same. The main pollution sources of uranium mining were the waste water from mining， crushing rocks and waste rock yards. The uranium mine as a whole was at an excellent level.

Key words： radioactive metal; heavy metal; uranium mine; surface water

鈾礦山的勘探、開(kāi)采和水冶工作為中國(guó)核工業(yè)、核電以及國(guó)防事業(yè)作出了杰出的貢獻(xiàn)[1]。鈾礦開(kāi)采及相關(guān)活動(dòng)中重金屬污染和放射性污染經(jīng)常是相伴存在的[2]。重金屬具有毒性、持久性、來(lái)源廣泛和不能生物降解的特點(diǎn)[3-5];放射性污染具有穿透性、毒性，既可給人類(lèi)的遺傳帶來(lái)影響，也會(huì)造成動(dòng)植物的基因突變[6]，因此重金屬污染以及放射性污染一直受到全世界的廣泛關(guān)注[7-11]。

湘南某鈾礦是中國(guó)天然鈾生產(chǎn)的重要來(lái)源，為了更加深入地了解其周邊地表水的污染狀況，本試驗(yàn)對(duì)該鈾礦山周邊地表水中放射性元素U、Th以及相關(guān)重金屬元素含量進(jìn)行了測(cè)定，并利用SPSS 19.0軟件分析了重金屬及放射性元素間的相關(guān)性，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)礦區(qū)水質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，以期對(duì)該礦區(qū)周邊地表水的污染狀況提供有效的科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

1? 材料與方法

1.1? 礦區(qū)概況

湘南某鈾礦位于湘贛兩省重要水系源頭，年降雨量為1 662 mm，最大年降雨量為2 112 mm，雨季集中在3—5月。礦區(qū)內(nèi)地表水系為樹(shù)枝狀。Ⅱ號(hào)水體所處河流為主干河流。

1.2? 樣品采集

樣品采集時(shí)間為2017年5月上旬，屬于礦區(qū)河流豐水期，河流水量充沛。根據(jù)污染源分布以及礦區(qū)周邊地勢(shì)等具體情況布置了20個(gè)采樣點(diǎn)，如圖1所示。Ⅰ號(hào)水體為礦區(qū)附近的小溪，共5個(gè)采樣點(diǎn)，由1號(hào)采樣點(diǎn)流向5號(hào)采樣點(diǎn)，1號(hào)與2號(hào)采樣點(diǎn)之間有一污水處理廠，2號(hào)采樣點(diǎn)距離尾礦庫(kù)向南1 km，3號(hào)和4號(hào)采樣點(diǎn)為放礦口，5號(hào)采樣點(diǎn)位于渣場(chǎng)附近。Ⅱ號(hào)水體為受納水體，共15個(gè)采樣點(diǎn)，礦區(qū)污水在10號(hào)采樣點(diǎn)后匯入受納水體，13號(hào)采樣點(diǎn)上游為一小型水電站。

1.3? 樣品檢測(cè)

1.3.1? 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)? 對(duì)所采集水樣的pH、溶氧量、電導(dǎo)率等進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，后將樣品存放于經(jīng)2%的HNO3浸泡24 h的聚乙烯瓶，并用1%的優(yōu)級(jí)純HNO3酸化，密封保存。

1.3.2? 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)? 野外采集處理過(guò)后的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，搖勻后依次通過(guò)濾紙與0.22 μm的水系濾膜過(guò)濾，取5 mL過(guò)濾液備用。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）檢測(cè)過(guò)濾液放射性以及重金屬元素的含量。

1.4? 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

內(nèi)梅羅指數(shù)是一種兼顧極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[12-14]。這種評(píng)價(jià)方法既突出了污染物最大值，同時(shí)又考慮了多種污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的綜合影響[15]，因此采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)礦區(qū)周邊地表水放射性與重金屬元素污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)公式：

Pi=■? ?（1）

P綜合=■? ?（2）

式中，P綜合為地表水綜合污染指數(shù);Pi、Pimax分別為污染物元素i的污染指數(shù)和最大污染指數(shù);Pi為污染物元素i的平均值;Ci為污染物元素i的實(shí)測(cè)濃度;Si為污染物元素i濃度的標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)地表水綜合污染指數(shù)將礦區(qū)周邊地表水水質(zhì)分為5個(gè)等級(jí)：P綜合<0.80，優(yōu)良;0.80≤P綜合<2.50，良好;2.50≤P綜合<4.25，較好;4.25≤P綜合<7.20，較差;P綜合≥7.20，極差。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 放射性金屬與重金屬元素含量

由表1可知，礦區(qū)周邊地表水的pH為6.30～8.80，溶氧量為5.37～8.67 mg/L，符合地表水Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)水體電導(dǎo)率分別為430～822 mS/cm、44～80 mS/cm，Ⅰ號(hào)水體的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于Ⅱ號(hào)水體，這可能是由于Ⅰ號(hào)水體位于礦區(qū)附近，重金屬以及放射性元素含量相對(duì)較高所致。由各金屬元素含量可知，除2號(hào)采樣點(diǎn)的Tl含量外，Ⅰ號(hào)水體各采樣點(diǎn)Tl、Ni含量均高于標(biāo)準(zhǔn)值，其匯入Ⅱ號(hào)水體后均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2? 放射性金屬與重金屬元素的相關(guān)性分析

研究重金屬元素間的相關(guān)性可以推測(cè)重金屬來(lái)源是否相同[18]，用SPSS軟件對(duì)污染物受納水體中的重金屬元素進(jìn)行Pearson雙變量相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。放射性金屬元素U和重金屬Ni、Tl、Zn、Pb、Cu、Co的含量在0.01或0.05水平上顯著相關(guān)，表明其污染來(lái)源可能相同。

2.3? 水體中放射性金屬與重金屬元素的分布

根據(jù)圖2至圖4的元素點(diǎn)分布狀況可知：礦區(qū)周邊地表水重金屬及放射性金屬元素含量總體上隨著水流方向遞減。

2.3.1? U元素點(diǎn)分布? 由圖2可知，U元素含量均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，在Ⅰ號(hào)水體中的2號(hào)采樣點(diǎn)達(dá)到峰值，這是由于2號(hào)采樣點(diǎn)位于尾礦庫(kù)附近，該礦區(qū)的礦井水、碎礦廢水等都在該采樣點(diǎn)處匯入;3號(hào)和4號(hào)采樣點(diǎn)U元素含量隨水流方向逐漸遞減，因此3號(hào)和4號(hào)采樣點(diǎn)U元素含量逐漸降低;5號(hào)采樣點(diǎn)處于渣場(chǎng)附近，渣石受雨水淋浸、滲透、溶解作用，產(chǎn)生含有U元素的廢水，因此，該采樣點(diǎn)的U元素含量明顯升高。Ⅰ號(hào)水體自10號(hào)采樣點(diǎn)后匯入Ⅱ號(hào)水體，由于Ⅱ號(hào)受納水體河流流量充沛，稀釋能力較強(qiáng)，因此受納水體并未遭受明顯污染，但在13號(hào)采樣點(diǎn)出現(xiàn)極值，這是因?yàn)樵摬蓸狱c(diǎn)上游是一個(gè)小型水電站的出水口，因?yàn)樗畨蔚淖韪艉图s束，受納水體流速減緩，泥沙和污染物等在此處沉淀、富集，溶解相與懸浮相和底泥相之間的吸附-解吸、懸浮相與底泥相之間的沉降-再懸浮使得此處U元素含量增加[19]。

2.3.2? Tl、Ni元素點(diǎn)分布? Tl和Ni元素含量的分布極其相似，Ⅰ號(hào)水體明顯高于Ⅱ號(hào)水體。Tl元素最高點(diǎn)濃度為0.335 μg/L，但在2號(hào)采樣點(diǎn)驟降，這是由于2號(hào)采樣點(diǎn)的水體經(jīng)過(guò)了上游廢水處理系統(tǒng)的再處理，因此在該點(diǎn)處濃度降低;而在3號(hào)采樣點(diǎn)再次回升，這是由于被封死的放礦口與外界物質(zhì)交換較少，污染物濃度聚集導(dǎo)致;5號(hào)采樣點(diǎn)也有小幅度的升高，表明渣場(chǎng)淋浸產(chǎn)生的廢水對(duì)該鈾礦區(qū)周邊地表水的影響也不容忽視。Ni元素隨著水流方向持續(xù)遞減，最高濃度位于1號(hào)采樣點(diǎn)，這可能是由于廢水處理系統(tǒng)對(duì)U、Tl等元素污染的處理效果較為明顯，而對(duì)其他重金屬元素的處理效果相對(duì)有限造成的，其在Ⅱ號(hào)水體均未超標(biāo)，在11號(hào)采樣點(diǎn)處濃度升高，這是由于Ⅰ號(hào)水體從該采樣點(diǎn)匯入導(dǎo)致。

綜上所述，由礦山開(kāi)采而產(chǎn)生的礦山廢水的污染元素主要有U、Ni、Tl等。該礦區(qū)的污染主要來(lái)源于廢水處理廠的排放、碎礦廢水以及渣場(chǎng)淋浸產(chǎn)生的廢水等。

2.4? 礦區(qū)周邊地表水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)

由表3可以看出，Ⅰ、Ⅱ號(hào)水體水質(zhì)評(píng)價(jià)分別處于良好、優(yōu)良水平。1號(hào)采樣點(diǎn)各金屬單因子污染指數(shù)值并不高，但綜合污染指數(shù)值較大，這說(shuō)明該鈾礦周邊地表水污染不僅僅來(lái)自礦山開(kāi)采活動(dòng)產(chǎn)生的廢水，同時(shí)農(nóng)田灌溉以及其他生產(chǎn)活動(dòng)排放的廢水對(duì)其也產(chǎn)生了一定的影響。但該鈾礦區(qū)的水體水質(zhì)評(píng)價(jià)整體良好，表明其并沒(méi)有遭受明顯污染。

3? 結(jié)論與建議

對(duì)湘南某鈾礦周邊地表水的污染研究表明，礦山活動(dòng)開(kāi)采產(chǎn)生的污染物元素主要有重金屬元素Ni和Tl等，污染物來(lái)源主要有礦井水、碎礦廢水以及渣場(chǎng)淋浸產(chǎn)生的廢水等。采樣區(qū)Ⅱ號(hào)水體的水質(zhì)優(yōu)于Ⅰ號(hào)水體，隨著采樣點(diǎn)距離污染源越遠(yuǎn)，污染物濃度越低，這是由于Ⅱ號(hào)水體在采樣期間正處于豐水期，河流流量充沛，稀釋能力較強(qiáng)，因此受納水體并未遭受明顯污染，但枯水期污染情況還有待考察。為了有效地保護(hù)礦山生態(tài)環(huán)境，企業(yè)建立了污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)Tl元素處理效果顯著，對(duì)其他重金屬元素處理效果相對(duì)有限。因此企業(yè)除了需監(jiān)測(cè)常規(guī)污染物U元素外，對(duì)其他重金屬元素含量也應(yīng)該進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和控制，以確保礦區(qū)周邊居民的用水安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮穎思，宋? 剛，祝秋萍，等.某鈾礦下游水系沉積物剖面的放射性核素分布特征[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2013，33（8）：1442-1446.

[2] 施宸皓，梁? 婕，曾光明.某廢棄鈾礦周邊農(nóng)田土壤重金屬和放射性元素的風(fēng)險(xiǎn)分析和修復(fù)措施[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2018，12（1）：213-219.

[3] YALCIN M G，ILHAN S. Multivariate analyses to determine the origin of potentially harmful heavy metals in beach and dune sediments from Kizkalesicoast （Mersin），Turkey[J].Bulletin of environmental contamination and toxicology，2008，81（1）：57-68.

[4] CHEN X，XIA X H，ZHAO Y，et al. Heavy metal concentrations in roadside soils and correlation with urban traffic in Beijing，China[J].Journal of hazardous materials，2010，181（1-2-3）：640-646.

[5] OTUYA B O，AKPOROHNOR E E，ACHUBA F I. Determination of heavy metals in toads exposed to oil polluted environment （Ekpan） Delta State，Nigeria[J].Environmentalist，2008，28：405-408.

[6] 畢忠偉，丁德馨，段仲沅.鈾礦開(kāi)采對(duì)環(huán)境的影響及治理的特殊性[J].安全與環(huán)境工程，2004，11（4）：40-42

[7] MAO L J，MO D W，F(xiàn)U Q，et al. Multivariate analysis of heavy metals in surface sediments from lower reaches of the Xiangjiang River，southern China[J].Environmental earth sciences，2013，69（3）：765-771.

[8] 鄒兆莊.鈾礦山放射性污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)方法研究[D].北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，2015.

[9] ZHU H N，YUAN X Z，ZENG G M，et al. Ecological risk assessment of heavy metals in sediments of Xiawan Port based on modified potential ecological risk index[J].Transactions of nonferrous metals society China，2012，22（6）：1470-1477.

[10] ZHANG C，NIE S，LIANG J，et al. Effects of heavy metals and soil physicochemical properties on wetland soil microbial biomass and bacterial community structure[J].Science of the total environment，2016，557-558：785-790.

[11] LIU J Y，LIANG J，YUAN X Z，et al. An integrated model for assessing heavy metal exposure risk to migratory birds in wetland ecosystem：A case study in Dongting Lake Wetland，China[J].Chemosphere，2015，135：14-19

[12] 林娜娜，許秋瑾，胡小貞，等.江西崇義縣小江流域重金屬污染現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)研究，2014，27（9）：1051-1060.

[13] OUYANG T P，ZHU Z Y，KUANG Y Q，et al. Dissolved trace elements in river water： Spatial distribution and the influencing factor，a study for the Pearl River Delta Economic Zone，China[J].Environmental geology，2006，49（5）：733-742.

[14] 薛志斌，李? 玲，張少凱，等.內(nèi)梅羅指數(shù)法和復(fù)合指數(shù)法在土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的對(duì)比研究[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2018，16（2）：119-125.

[15] 唐振平，荊曼黎，敖海龍，等.粵北某鈾礦周邊地表水放射性與重金屬污染狀況研究[J].環(huán)境工程，2017，35（6）：103-107.

[16] GB 23727-2009，鈾礦冶輻射防護(hù)和環(huán)境保護(hù)規(guī)定[S].

[17] GB 3838-2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[18] 曹玲瓏，王建華，黃楚光，等.大亞灣表層沉積物重金屬元素形態(tài)特征、控制因素及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2014，44（6）：1988-1999.

[19] 米慶彬.閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬及機(jī)理研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2015.·