礦區(qū)煤矸石堆對(duì)土壤重金屬污染時(shí)空特征研究

李杰鋒

（呂梁學(xué)院 建筑系，山西 呂梁 033000）

我國(guó)是一個(gè)煤礦大國(guó)，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有非常重要的地位，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用[1]，能源十三五規(guī)劃明確指出，至2020 年末，我國(guó)煤炭消耗量占一次性能源的62%以內(nèi)，可見未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)還是以煤炭為主[2]。

截至目前，我國(guó)已開采煤炭資源400 多億噸，煤炭資源開采過(guò)程中，井工開采比例已接近90%，井工開采需要開拓巷道[3-4]，大量巷道的開拓產(chǎn)生了巨量的煤矸石，煤矸石在地表堆積，由于風(fēng)化、水力作用以及自然等作用[5-6]，煤矸石中的大量重金屬會(huì)釋放到周圍環(huán)境中去，造成環(huán)境的大量污染，掌握煤矸石對(duì)土壤的環(huán)境影響對(duì)于環(huán)境污染防治具有重要意義[7]。本文以山西某礦區(qū)為例，通過(guò)測(cè)定該礦區(qū)煤矸石及周圍土壤中的重金屬，分析煤矸石堆對(duì)周圍土壤的重金屬影響程度及時(shí)空分布特征，為煤矸石土壤重金屬污染防治提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品

山西省中部西側(cè)地區(qū)是我國(guó)非常重要的主焦煤生產(chǎn)基地，煤礦甲主要開采太原組上部的6 號(hào)煤層，煤層平均厚度約5.5 m。煤礦乙主要開采太原組下部的10 號(hào)煤層，煤層平均厚度為6.4 m，其采礦歷史約為30 年和20 年。煤矸石主要是由巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的矸石、采煤過(guò)程中的矸石以及洗選過(guò)程中的矸石。主要通過(guò)測(cè)定礦區(qū)矸石中以及矸石周圍土壤中的重金屬進(jìn)行分析（Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、Hg、As），煤矸石表層土壤樣品的選取主要根據(jù)其主要風(fēng)向進(jìn)行，對(duì)于土壤采集點(diǎn)主要是其西北的主要風(fēng)向，在西北風(fēng)向分上風(fēng)口和下風(fēng)口一定距離下合理選擇采集點(diǎn)。共采集26 個(gè)點(diǎn)，其中煤礦甲采集12 個(gè)點(diǎn)，煤礦乙采集14 個(gè)點(diǎn)。

對(duì)于煤礦矸石堆的選取各進(jìn)行取樣一份進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中煤礦甲土壤采集點(diǎn)位于矸石堆西70 m 附近進(jìn)行采集，煤礦乙土壤采集點(diǎn)在矸石堆東南角60 m 附近進(jìn)行采集，采集過(guò)程中每隔10 cm 取樣一次，共采集5 次[8]。

1.2 樣品處理及測(cè)試方法

將樣品進(jìn)行風(fēng)干處理并剔除樣品中的雜物后，對(duì)風(fēng)干的樣品進(jìn)行研磨并通過(guò)0.15 mm 篩。將處理好的樣品進(jìn)行消解，采用濕式消解法[9-10]。實(shí)驗(yàn)開始后，選取大約0.5 g 的土樣放到50 mL 的聚四氟乙稀坩堝中，并加少量的水進(jìn)行濕潤(rùn)，再加入10 mL 的鹽酸進(jìn)行消煮，消煮45 min 中剩余大約3 mL，待液體稍微冷卻后依次加入5 mL 的硝酸、5 mL 氫氟酸以及3 mL 的高氯酸再次進(jìn)行消煮到粘稠狀停止，采用去離子水將粘稠狀液體轉(zhuǎn)移到50 mL 的比色管中進(jìn)行搖勻。靜止一段時(shí)間后進(jìn)行過(guò)濾測(cè)定溶液中Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、Hg、As 的總含量。采用火焰原子吸收分光光度計(jì)和石墨爐分光光度計(jì)測(cè)定Cr、Zn、Cu、Pb、Cd、Hg、As 的含量。在分析過(guò)程中采用優(yōu)級(jí)純的試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用的水均為去離子水。每個(gè)樣品進(jìn)行兩次平行測(cè)量。分析過(guò)程按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制[11]。

2 實(shí)結(jié)果分析與討論

2.1 矸石堆周圍土壤金屬污染評(píng)價(jià)

采用中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站1990 年編寫的中國(guó)土壤元素背景值中的山西省土壤重金屬含量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)比分，得出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和矸石堆重金屬測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 矸石中重金屬含量對(duì)比/(mg·kg-1)Table 1 Comparison of heavy metal content in gangue

由表1 可知，煤礦甲和乙矸石堆堆積后其重金屬含量明顯升高，其中尤以煤礦甲最為嚴(yán)重，其Cr 的污染值增加得最大，比背景值增加了145.5 mg/kg，污染非常嚴(yán)重。Hg 的污染增加含量最小，其含量增加值為0.1037 mg/kg，但其增加倍數(shù)最大，是背景值的6.37 倍；對(duì)于煤礦乙，其Cr 的污染值增加得最大，比背景值增加了53.3 mg/kg，污染比較嚴(yán)重。Hg 的污染增加含量最小，其含量增加值為0.0647 mg/kg，但其增加倍數(shù)最大，是背景值的4.35 倍。

采用地質(zhì)累計(jì)指數(shù)法對(duì)礦區(qū)周圍土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法不但考慮了自然地質(zhì)過(guò)程造成的背景值影響，該很好的反映了重金屬分布的自然變化特征，能夠很好的判別煤矸石的存在對(duì)于環(huán)境的影響，得出矸石堆周圍土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

由表2 結(jié)果可知，對(duì)于煤礦甲其重金屬污染程度Pb＞Cr＞Hg＞Cd＞As＞Zn＞Cu。煤礦乙其重金屬污染程度Hg＞Pb＞Cd＞As＞Cr＞Cu＞Zn。甲乙兩個(gè)煤礦受到重金屬污染程度存在差別。大但存在一定的同樣性。均受到重金屬Pb 的較重污染，同時(shí)，煤礦乙受到Hg 的污染最嚴(yán)重。Cu、Zn 的污染程度較低，基本上與矸石中重金屬污染保持一致，由此可知，在煤礦的長(zhǎng)期活動(dòng)中，煤矸石在風(fēng)化、林溶的作用下導(dǎo)致周邊土壤發(fā)生累積性重金屬污染。而且煤礦甲的土壤重金屬污染明顯高于煤礦乙對(duì)土壤的污染，經(jīng)分析其與煤礦甲多十年的采礦活動(dòng)有關(guān)；在兩煤礦矸石堆周圍，下風(fēng)向區(qū)域的重金屬污染含量明顯高于上風(fēng)向的重金屬含量。經(jīng)分析，該地區(qū)以西北風(fēng)為主，當(dāng)矸石堆受到風(fēng)化、水蝕等作用后轉(zhuǎn)化成粉末狀，在風(fēng)的作用下遷移到下風(fēng)口，導(dǎo)致其含量明顯高于上風(fēng)口。

表2 矸石堆周圍土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation of heavy metal pollution in soil around gangue pile

2.2 矸石堆周圍土壤表層重金屬分布特征

煤礦矸石堆周圍土壤重金屬元素平面分布特征見圖1。其中橫坐標(biāo)正方向代表東南方向，橫坐標(biāo)負(fù)方向代表西北方向。

圖1 重金屬分布規(guī)律Fig.1 Distribution of heavy metals

由圖1 可知，煤礦矸石堆周圍重金屬元素含量隨著距矸石堆的距離增加而減少，其變化趨勢(shì)存在差異。兩煤礦在下風(fēng)口重金屬含量隨著距離的增加而減少的趨勢(shì)非常明顯。在上風(fēng)口其變化趨勢(shì)不明顯。其中煤礦甲Pb 在上風(fēng)口隨著距矸石堆的距離增加而不斷減少，這與其靠近公路以及農(nóng)田施肥、灌溉有關(guān)。而煤礦乙的Pb 含量在東南10 m 處有明顯增加，這與其靠近公路有關(guān)。

煤礦土壤中重金屬元素分布及其遷移受多種因素影響，其中最主要的是風(fēng)化遷移以及雨水的沖刷流動(dòng)和農(nóng)業(yè)灌溉等。不同的重金屬元素對(duì)于土壤的污染程度也各不相同。說(shuō)明重金屬在煤矸石中的賦存特征以及風(fēng)化遷移存在著差異。兩個(gè)煤礦由于其地理特征不同，其重金屬污染變化特征也存在著差異。隨著采礦活動(dòng)的不斷進(jìn)行，礦區(qū)矸石堆周圍土壤中能夠明顯的表現(xiàn)出重金屬積累的特征，兩個(gè)開采多年的煤礦，矸石堆對(duì)周圍土壤污染程度將有逐步增加的變化趨勢(shì)。

2.3 矸石堆周圍土壤剖面重金屬分布特征

為了進(jìn)一步分析矸石堆對(duì)于土壤不同深度的污染程度，對(duì)其不同深度的土壤重金屬含量進(jìn)行分析，得出土壤剖面方向上重金屬分布特征曲線見圖2。

圖2 矸石堆周圍土壤不同深度下重金屬元素濃度分布特征Fig.2 Distribution characteristics of heavy metal element concentrations in different depths of soil around gangue pile

由圖2 可知，甲、乙煤礦矸石堆周圍土壤重金屬元素濃度隨著深度的增加濃度呈遞減趨勢(shì)，但存在一定的波動(dòng)性。這些重金屬元素隨著土壤溶液下滲過(guò)程中受到雨量的季節(jié)性變化。土壤中的重金屬元素主要集中在土壤表層，而對(duì)于土壤深度由于植物根系的吸收作用，能夠大大降低重金屬含量，但這也增加了重金屬元素進(jìn)入到實(shí)物鏈的風(fēng)險(xiǎn)。煤礦甲在剖面方向上重金屬含量煤明顯高于煤礦乙，表明，土壤重金屬污染受時(shí)間影響明顯，且煤礦甲的土壤剖面重金屬污染尤其嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

（1）甲、乙煤礦的矸石中七種重金屬元素含量明顯高于當(dāng)?shù)乇尘爸?，Cr 的污染值增加得最大，污染增加最小的是Hg。

（2）煤礦甲其重金屬污染程度Pb＞Cr＞Hg＞Cd＞As＞Zn＞Cu。煤礦乙其重金屬污染程度Hg＞Pb＞Cd＞As＞Cr＞Cu＞Zn。兩煤礦重金屬的污染程度基本上一致；下風(fēng)向區(qū)域的重金屬污染含量明顯高于上風(fēng)向的重金屬含量；煤礦甲的土壤重金屬污染明顯高于煤礦乙對(duì)土壤的污染與煤礦矸石堆堆放時(shí)間有關(guān)。

（3）煤礦矸石堆周圍重金屬元素含量隨著距矸石堆的距離增加而減少，其變化趨勢(shì)存在差異；隨著采礦活動(dòng)的不斷進(jìn)行，礦區(qū)矸石堆周圍土壤中能夠明顯的表現(xiàn)出重金屬積累的特征，矸石堆對(duì)周圍土壤污染程度將有逐步增加的變化趨勢(shì)。

（4）甲、乙煤礦矸石堆周圍土壤重金屬元素濃度隨著深度的增加濃度呈遞減趨勢(shì)，但存在一定的波動(dòng)性。土壤中的重金屬元素主要集中在土壤表層。煤礦甲在剖面方向上重金屬含量煤明顯高于乙。