單因子法及綜合污染指數(shù)法在礦山土壤重金屬污染評價中的應(yīng)用

陳 錦，郭 錦

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一六隊(duì)，湖南 長沙 412003）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用過程中會帶來很多地質(zhì)環(huán)境問題，特別是金礦開采區(qū)，礦坑廢水、選礦廢水及廢石堆淋濾水的無序排放，對周邊土壤造成重金屬污染。

1 研究區(qū)概況

官莊金礦區(qū)位于醴陵市官莊鎮(zhèn)境內(nèi)，官莊水庫上游，地理坐標(biāo)：東經(jīng)113°31′27.03″，北緯27°53′10.21″。官莊金礦區(qū)地貌屬侵蝕剝蝕低山區(qū)，含金礦脈主要分布于冷家溪群第二巖組第二巖性段第一亞段地層中，共分布有6個金礦，礦山面積9.3425Km2。

2 采樣方法與評價

2.1 采樣方法及分布范圍

根據(jù)礦區(qū)土壤的分布情況，分別針對廢石堆下方溝谷內(nèi)農(nóng)田、廢石堆下方林地及尾礦庫周邊土壤進(jìn)行了樣品采集工作，共采集土壤樣品21組，采用以地塊為單位，多點(diǎn)采取混合樣，采樣深度0cm～20cm。

2.2 測定方法

由湖南省地質(zhì)工程勘察院檢測中心，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析指南及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)檢樣及外檢樣分析測試均按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。分別對土壤pH值、Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni重金屬元素進(jìn)行測定，而Cu、Pb、Zn、Cd、Cr的測定采用HF-HClO4—HNO3消化，原子吸收分光光度法；Hg、As的測定，采用硫酸—高錳酸鉀消解法對土壤進(jìn)行消解，冷原子吸收法。

2.3 評價方法

采用單因子法進(jìn)行評價可以看出單個重金屬元素與評價標(biāo)準(zhǔn)之間的差距，方法簡單，結(jié)果直觀，但是只能反映土壤中單個元素的污染程度，不能反應(yīng)所有重金屬元素的綜合污染狀況；綜合指數(shù)法考慮多種重金屬元素的綜合污染作用；本研究采用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法來評價土壤污染狀況，用多種方法有助于更全面的把握礦山土壤重金屬污染狀態(tài)。

單因子污染指數(shù)的計(jì)算公式：

式中，Pi為土壤中的污染物i的污染指數(shù)，Ci為土壤中污染物的i的實(shí)測濃度，Si為土壤中污染物的i的評價標(biāo)準(zhǔn)。

綜合污染指數(shù)法：本次采用加權(quán)疊加綜合指數(shù)法對土壤重金屬污染狀況進(jìn)行綜合評價。

式中，Pe為評價指標(biāo)的綜合指數(shù)；wi為某項(xiàng)評價指數(shù)的權(quán)系數(shù)；Pi為某項(xiàng)評價指標(biāo)的分指數(shù)；PT為評價指標(biāo)的分指數(shù)和。

2.4 背景值的確定

由于缺乏區(qū)域內(nèi)背景值資料，本次工作按照《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評價指南》的要求來確定區(qū)內(nèi)土壤的背景值，其計(jì)算方法如下：

式中，xi為區(qū)域土壤中元素在i樣品中的實(shí)測值，為區(qū)域土壤中的元素所有統(tǒng)計(jì)樣品實(shí)測值的算術(shù)平均值，代表該元素的土壤環(huán)境背景值，S為標(biāo)準(zhǔn)差，n為統(tǒng)計(jì)樣品數(shù)。

式中，xi區(qū)域土壤中該元素在i樣品中的實(shí)測值，GM為樣品實(shí)測值的幾何平均值，D為幾何標(biāo)準(zhǔn)差，n為統(tǒng)計(jì)樣品數(shù)。

剔除異常值后，對近似正態(tài)分布的元素，用算術(shù)平均值表示元素含量集中的趨勢，代表土壤元素背景值。對近似對數(shù)正態(tài)分布的元素，用幾何均值GM表示元素含量集中的趨勢，代表該元素土壤背景值。

根據(jù)以上方法確定元素背景值的方法，剔除了各元素的異常值后，計(jì)算出區(qū)內(nèi)土壤重金屬元素背景值，結(jié)果如表1。

表1 區(qū)域土壤重金屬元素背景值（mg/kg）

3 結(jié)果與分析

3.1 官莊金礦區(qū)土壤重金屬含量單因子法分析結(jié)果

采用單因子法，對官莊金礦區(qū)土壤中Pb、Zn、As、Hg、Cu、Cr重金屬元素分別進(jìn)行評價，得出每個土壤樣品中這八種重金屬的污染累積指數(shù)，并進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 土壤中重金屬元素單因子法評價結(jié)果

由表2可知，區(qū)內(nèi)Cr、Ni、Cd、Hg元素污染較輕，主要為輕度污染，無中～重污染樣品；As元素污染最重，其中重污染樣品達(dá)28.57%、中污染樣品為19.05%、輕污染樣19.05%；Cu元素污染主要為較輕，重污染樣品占4.76%；Pb元素整體較輕，局部較重，中污染樣品占9.52%、重污染樣品4.76%；Zn元素整體較輕，中污染樣品4.76%，無重污染樣品。

為了比較各元素污染程度的嚴(yán)重度，將單因子評價結(jié)果進(jìn)行排序，采用的方法為：按照單因子累積指數(shù)評價法平均污染指數(shù)從大到小依次排序，得出各元素污染嚴(yán)重程度排序結(jié)果，區(qū)內(nèi)污染嚴(yán)重度排序?yàn)椋篈s＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞Cr＞Ni＞Hg。

3.2 官莊金礦區(qū)土壤重金屬含量綜合指數(shù)法分析結(jié)果

采用綜合指數(shù)法計(jì)算了區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬綜合污染指數(shù)，得出了區(qū)內(nèi)土壤樣品綜合污染狀況結(jié)果見表3。

表3 土壤中重金屬元素綜合指數(shù)法評價結(jié)果

利用AcrGIS軟件將土壤綜合評價結(jié)果分等級顯示，從圖2及表3可知，區(qū)內(nèi)礦山21組土壤樣品受到不同程度污染，無清潔樣品、尚清潔樣品達(dá)14.29%，輕污染樣品占52.38%，中度污染樣品占4.76%，重污染樣品占28.57%。

4 結(jié)語

采用不同的評價方法，單因子法和綜合指數(shù)法對醴陵市官莊金礦區(qū)土壤的綜合污染狀況進(jìn)行了評價，而采取單因子法，只能看出區(qū)域內(nèi)單個元素的超標(biāo)狀況，無法對區(qū)域土壤污染狀況進(jìn)行綜合評價；而在單因子法評價的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)疊加綜合指數(shù)法計(jì)算了區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬綜合污染指數(shù)，得出了區(qū)內(nèi)土壤綜合污染狀況，評價結(jié)果較為可信，和區(qū)域污染狀況基本吻合。

區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染與選礦廢水及尾礦庫淋濾水無序排放相關(guān)，距離尾礦庫較近的樣品污染程度明顯高于較遠(yuǎn)的樣品。尾礦庫下方及受廢水廢液長期浸潤地帶重金屬元素富集度高，基本沿污染源呈點(diǎn)狀分布，區(qū)內(nèi)污染元素嚴(yán)重程度排序?yàn)椋篈s＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞Cr＞Ni＞Hg。說明區(qū)內(nèi)礦山土壤綜合污染污等級以輕污染為主，局部為重污染，最大綜合污染指數(shù)超出嚴(yán)重污染等級界限17倍。

綜上所述，醴陵市官莊金礦區(qū)應(yīng)加強(qiáng)廢石堆及尾礦的綜合利用，建立完善的廢水排放系統(tǒng)，對尾礦庫及廢石堆淋濾水進(jìn)行處理后排放，并設(shè)立土壤監(jiān)測點(diǎn)，定期進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步加強(qiáng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。