潘一礦煤矸石充填復(fù)墾區(qū)重金屬分布特征及污染程度評(píng)價(jià)

李思清 鄭 恒 牛玉亭 郭方磊 黃裕濤 劉少敏

（1.淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境工程系，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤矸石是采煤排放的固體廢棄物[1]，一般情況下，如果不合理處置，煤矸石會(huì)在煤井口周圍堆積，隨著矸石堆高度的增加而形成矸石丘。堆放起來的煤矸石山在雨水淋溶作用下易析出重金屬元素，對(duì)周圍土壤、水域造成污染，析出的重金屬元素不僅會(huì)影響周圍農(nóng)作物生長，也會(huì)通過食物鏈逐級(jí)富集，危害生態(tài)環(huán)境中動(dòng)植物健康，另外煤矸石自燃也會(huì)對(duì)大氣造成影響[2]。近年來煤矸石被用作采煤塌陷區(qū)的填充物[3]，然后覆土種植作物進(jìn)行修復(fù)，因此研究煤矸石中析出的重金屬在周圍土壤中分布規(guī)律以及重金屬對(duì)土壤的污染程度具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

潘一礦復(fù)墾區(qū)位于淮南市潘集區(qū)，該地區(qū)屬于季風(fēng)暖溫帶半濕潤氣候，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，年平均氣溫為15℃。潘一礦曾是我國自行設(shè)計(jì)，自行施工，選用設(shè)備較為先進(jìn)的大型礦井，于1983年12月26日建成投產(chǎn)。潘一礦資源賦存豐富，井田東西走向長14.6 km，南北傾斜寬4 km，井田面積58.4 km2，可采儲(chǔ)量4.13億t。潘一礦經(jīng)長期開采，土壤肥份流失，理化性質(zhì)失衡，地面逐漸沉陷，沉陷地面積約為37.96hm2。2005年開始，相關(guān)單位對(duì)潘一礦進(jìn)行表土剝離，再用煤矸石進(jìn)行填充，最后覆土進(jìn)行修復(fù)，幫助礦區(qū)恢復(fù)生產(chǎn)。

1.2 樣品采集與處理

圖1為淮南潘一礦煤矸石山附近土壤采樣點(diǎn)圖，由于該地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，所以在該煤矸石山下風(fēng)向即西北側(cè)一塊區(qū)域布置2條采樣線。圖中采樣點(diǎn)1，2，3，4，5構(gòu)成第一條采樣線，采樣點(diǎn)6，7，8，9，10構(gòu)成第二條采樣線。同一條采樣線中每個(gè)采樣點(diǎn)間隔5m，利用對(duì)角線采樣法，在選取的采樣點(diǎn)布設(shè)一個(gè)正方形，在正方形4個(gè)角以及中心點(diǎn)取5個(gè)土樣，然后將這5個(gè)土樣放在一起充分混合均勻，當(dāng)作該采樣點(diǎn)樣品。將所有土壤樣品封裝并標(biāo)號(hào)，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后去除雜草、石塊，用四分法去除多余土樣并保留500g土樣，將這些土樣放在A3紙上自然風(fēng)干，風(fēng)干后搗碎、研磨成粉末狀，分別過100目、200目篩網(wǎng)，最后檢測土壤重金屬含量。

圖1 潘一復(fù)墾區(qū)采樣點(diǎn)圖

2 重金屬含量及分布特征

2.1 重金屬含量

潘一礦煤矸石山附近土壤重金屬元素的含量如表1所示。

表1 潘一礦煤矸石山土壤重金屬含量（單位：mg/kg）

通過ICP-MS檢測土壤中重金屬含量，所有樣品均檢測出8種元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg，因此這8種重金屬元素檢出率均為100%。

從表1潘一礦煤矸石山附近土壤重金屬含量數(shù)據(jù)分析，將表1各重金屬含量平均值和背景值進(jìn)行對(duì)比，可以看出7種重金屬元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As均略微超過淮南背景值，說明潘一礦矸石山附近土壤受到Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As輕微污染。其中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As濃度的平均值分別是淮南背景值的1.32倍、1.11倍、1.82倍、1.078倍、1.084倍、1.05倍和1.43倍，潘一礦煤矸石山附近土壤受重金屬污染程度由高到低依次為Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni。Hg元素含量平均值未超過背景值，但是其最大值超過背景值，說明矸石山附近土壤局部受到Hg污染，這種情況可能是因?yàn)橛衅渌腍g污染源。

該矸石山附近土壤中Cu、Pb、Zn、Cr標(biāo)準(zhǔn)差較大，說明4種金屬Cu、Pb、Zn、Cr含量沿采樣線差距較大，可能是因?yàn)檫@4種金屬橫向遷移不明顯，其在矸石山附近土壤富集，而在距矸石山較遠(yuǎn)處土壤含量較少，也有可能是其他污染源的影響。Cd、Ni、As、Hg標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明這四重金屬沿采樣線分布較為均勻，橫向遷移較為明顯。

2.2 重金屬分布特征

圖2為8種重金屬元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg在2條采樣線上的分布特征。

從2條不同的采樣線中8種重金屬元素濃度的分布特征來看，其變化趨勢相對(duì)一致，說明矸石山附近土壤的重金屬濃度受人為誤差因素的影響可忽略不計(jì)。但是總體上看來采樣線1的重金屬元素含量普遍比采樣線2的重金屬元素含量高，這是由于礦區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，導(dǎo)致風(fēng)化的煤矸石在風(fēng)力作用下在該采樣線上富集較為嚴(yán)重，風(fēng)向也會(huì)導(dǎo)致雨水在采樣線1上形成較大的地表徑流，從而加重重金屬富集。從圖中可以看出，2條采樣線上6種元素Cu、Pb、Cd、Zn、Ni、As在土壤中的含量總體上隨著與矸石山距離的增加而減少，但Cu、Pb、Cd、Zn、As的含量在20m處增大，Ni的含量在15m處最大，這可能與研究區(qū)域15m~20m處的地勢有關(guān)，該處地勢較低，易于匯集雨水導(dǎo)致重金屬富集；而Cr、Hg含量先增大后減少，在20m處含量最大，這可能是因?yàn)樵谠撈瑓^(qū)域除煤矸石山以外，還存在其他污染源，也有可能是地勢原因或者煤矸石風(fēng)化后隨大氣遷移造成的[4-5]。從圖2可以看出，8種重金屬含量在距離煤矸石山25m處的濃度大體上是最低的，說明距離煤矸石山較遠(yuǎn)處重金屬的含量較低，重金屬對(duì)附近農(nóng)田的污染也較低；在煤矸石山腳即5m處下濃度大體是最高的，說明距離煤矸石山較近處含量較高，需要重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的復(fù)墾修復(fù)工作。

圖2 潘一礦復(fù)墾區(qū)重金屬分布特征

3 污染程度評(píng)價(jià)

3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法計(jì)算公式：

式中：I為土壤中單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為某一金屬檢測值，C0為該金屬當(dāng)?shù)乇尘爸礫6]。

單因子指數(shù)法可以用來評(píng)價(jià)單一金屬對(duì)土壤的污染程度，進(jìn)而找出土壤中主要污染元素。單因子指數(shù)法將單一金屬元素污染分為未污染、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染5個(gè)級(jí)別。

單因子指數(shù)法污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 單因子指數(shù)法污染程度分級(jí)

3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的計(jì)算如公式（1）~公式（3）所示。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson提出的考慮多種重金屬元素協(xié)同作用對(duì)土壤污染程度的評(píng)價(jià)方法[7]，用該方法可以找出土壤中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，也可以評(píng)價(jià)研究區(qū)域土壤多種重金屬綜合污染程度，其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子分為輕度、中度、重度、嚴(yán)重和極其嚴(yán)重五個(gè)級(jí)別，多金屬綜合污染依據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)不同分為輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染4個(gè)級(jí)別。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示?；茨贤寥乐亟饘俦尘爸狄约安煌亟饘偕锒拘韵禂?shù)如表4所示。

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)

表4 淮南土壤金屬背景值及各金屬生物毒性系數(shù)

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)結(jié)果如下：1）根據(jù)各采樣點(diǎn)重金屬含量和單因子指數(shù)法計(jì)算出不同重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)，并繪制箱線圖如圖3所示，既可以看出各重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)均值，也可以反應(yīng)數(shù)據(jù)異常值和偏態(tài)。

圖3 金屬元素的單項(xiàng)污染指數(shù)

由圖3可以看出，單項(xiàng)污染指數(shù)均值Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni>Hg，表明Cd為主要污染元素。其中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As單項(xiàng)污染指數(shù)平均值都為1＜I＜2，屬于輕度污染；Hg單項(xiàng)污染指數(shù)I＜1，未對(duì)土壤造成污染。由圖中可以看出，Cd、As存在異常值，偏離均值較大，說明Cd和As在該點(diǎn)富集較嚴(yán)重，可能與其他污染源有關(guān)。Zn、Cr、Ni單項(xiàng)污染指數(shù)偏離均值較小，說明Zn、Cr、Ni在土壤中分布較均勻，基本符合重金屬在土壤中的遷移規(guī)律。

2）根據(jù)表4所給淮南土壤重金屬背景值、金屬生物毒性系數(shù)以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算出各金屬的污染系數(shù)Cif、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子Eir和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 潘一復(fù)墾區(qū)重金屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

由表5可見，潘一礦煤矸石山西北側(cè)土壤中各重金屬污染系數(shù)Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni>Hg。由Eir行可以看出，該矸石山附近土壤中各重金屬RI貢獻(xiàn)值由大到小為Cd>Hg>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，表明該區(qū)域土壤主要污染元素為Cd，與前文一致。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表明了土壤中8種重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg的綜合污染程度和對(duì)該地區(qū)生物的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度，由表5可知，潘一礦煤矸石山附近土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI=113.908＜150，根據(jù)表3污染級(jí)別劃分，說明該矸石山西北區(qū)域的土壤存在輕度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

潘一礦復(fù)墾區(qū)煤矸石山附近土壤重金屬隨著距離矸石山越近含量越高，距離越遠(yuǎn)含量越低，表明矸石山在雨水淋溶作用下析出的重金屬符合橫向淋溶規(guī)律[8]，因此需要加強(qiáng)對(duì)矸石山腳附近重金屬的監(jiān)測與修復(fù)；土壤重金屬含量在距矸石山某一距離突然升高，可能是因?yàn)榈貏莸屯輰?dǎo)致金屬富集，也有可能因?yàn)槊喉肥L(fēng)化隨著大氣流動(dòng)在該處富集[9]。

潘一礦復(fù)墾區(qū)煤矸石山附近土壤主要污染金屬元素為Cd、As，并且Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As均為輕度污染，Hg未對(duì)土壤造成污染；研究區(qū)域多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI＜150，表明矸石山附近土壤重金屬污染為輕度污染。