遵義某錳礦區(qū)水土環(huán)境重金屬含量分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

趙 磊

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 引言

我國(guó)錳礦資源分布地區(qū)相對(duì)集中，其中貴州地區(qū)的資源比較豐富，約占我國(guó)錳礦保有資源量的60%[1]。貴州地區(qū)的錳礦資源主要分布于黔北遵義地區(qū)，遵義地處貴州北部，是貴州、四川和重慶交界處的中心城市。遵義錳礦以沉積型錳礦為主，資源存儲(chǔ)量豐富，約占全省儲(chǔ)存量的47%，錳礦業(yè)已成為遵義地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱[2]。

雖然錳礦資源的開采促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，但相應(yīng)的問題也隨之出現(xiàn)，礦山開采會(huì)破壞周圍的水環(huán)境。例如在礦山開采過程中產(chǎn)生的礦井廢水、尾砂、廢石等廢棄物里含有重金屬，通過土壤滲透、水體流動(dòng)等途徑嚴(yán)重污染周邊的土壤、水資源、動(dòng)植物等[3，4]。相比較其他污染物質(zhì)而言，重金屬在自然環(huán)境中具有穩(wěn)定性和不可逆性較強(qiáng)等特點(diǎn)，當(dāng)重金屬進(jìn)入水體之后，絕大多數(shù)會(huì)與有機(jī)物、黏土礦物和硫化物等發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)并吸附在沉積物上，故當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，附著在沉積物上的重金屬會(huì)被釋放，引起水體二次污染[5]。其次，尾礦渣中產(chǎn)生的重金屬等有毒有害物質(zhì)會(huì)對(duì)土壤造成污染。主要表現(xiàn)在礦長(zhǎng)廢水會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，使土壤鹽漬化、堿化，錳礦尾渣中的重金屬元素通過風(fēng)化淋濾作用向土壤中遷移擴(kuò)散，通過作物富集過程進(jìn)入蔬菜，而人食用受污染的蔬菜則會(huì)嚴(yán)重危害人體健康[6]。

本文對(duì)貴州遵義某錳礦區(qū)土壤及地表水進(jìn)行采樣分析，測(cè)定其中重金屬含量，并對(duì)其進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。通過相關(guān)科學(xué)評(píng)價(jià)的方法，討論錳礦的開采對(duì)周圍環(huán)境造成的影響，以期為礦區(qū)安全開采利用及環(huán)境保護(hù)提出科學(xué)理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

研究區(qū)域位于貴州省某礦區(qū)，該礦區(qū)在2004年取得采礦許可證，已連續(xù)采礦15年。于2020年7月份對(duì)該錳礦區(qū)附近河流進(jìn)行采樣，分別在礦區(qū)上游約500 m布設(shè)對(duì)照斷面(W1)、礦區(qū)廢水排放口下游約500 m布設(shè)控制斷面(W2)、礦區(qū)廢水排放口下游約3000 m布設(shè)削減斷面(W3)。樣品采集方法參照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》。地表水采集、保存、運(yùn)輸執(zhí)行《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91-2002)[8]，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有pH值、SS、氨氮、CODMn、錳、銅、砷、鎘、鉻和鉛。

同時(shí)，根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果，分別于礦區(qū)礦洞口、渣土堆放區(qū)、污水處理設(shè)施排放口和礦山居民區(qū)設(shè)置采樣點(diǎn)位，每個(gè)采樣點(diǎn)面積設(shè)為1.0 m×1.0 m，梅花形采集1 kg 0～20 cm表層土壤，共采集土壤樣品8個(gè)，并填寫現(xiàn)場(chǎng)采樣情況記錄表。樣品采集后裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，于室內(nèi)風(fēng)干、去雜、研磨，過100目尼龍篩后置于密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

2.2 研究方法

2.2.1 分析測(cè)定方法

pH值使用pH計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；用0.45um濾膜過濾水樣，水樣經(jīng)過濾后會(huì)有留在過濾器上的固體物質(zhì)，將固體物質(zhì)置于烘箱中，設(shè)置溫度103～105 ℃，待其烘至恒重后得到懸浮物(SS)；氨氮使用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測(cè)定；化學(xué)需氧量用高錳酸鉀法進(jìn)行測(cè)定；重金屬錳、銅、砷、鎘、鉻和鉛采用原子吸收光譜法(AAS)檢測(cè)進(jìn)行分析。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)貴州某礦山地表水和土壤重金屬污染程度，因?yàn)樗w和土壤中經(jīng)常多種重金屬并存，與其他方法相比，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法能夠反映出水體重金屬污染現(xiàn)狀[7]。所以內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法不失為一種重要的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，該方法簡(jiǎn)單易懂，水質(zhì)污染程度可用簡(jiǎn)單的數(shù)值表示，因此在地表水和地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用較為普遍[8～11]。評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算公式為：

(1)

表1 地表水體中重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 土壤中重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與討論

3.1 地表水體污染描述性統(tǒng)計(jì)

某礦區(qū)地表水常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示，根據(jù)《遵義市地表水環(huán)境功能區(qū)劃類規(guī)定》(2011修訂本)，研究區(qū)域地表水執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為風(fēng)險(xiǎn)篩選值。錳、鉻和SS在《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中并未明確規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)限值。對(duì)該研究區(qū)域地表水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中W1為對(duì)照斷面，設(shè)在排污口上游500 m處,W2為控制斷面，設(shè)在排污口下游500 m處，W3為削減斷面，設(shè)在排污口下游3000 m處。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)域地表水體氨氮、CODMn、pH值等均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，說(shuō)明礦山開采對(duì)研究區(qū)域地表水體自然環(huán)境影響較小；但水中SS在W2處出現(xiàn)較大值，后期礦山開采過程中需對(duì)礦山廢水中的懸浮物深入處理。

表3 研究區(qū)域地表水體常規(guī)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mg/L

如圖1所示，研究區(qū)域地表水體中重金屬含量除Cu外，均出現(xiàn)隨水體流動(dòng)方向先增加后減少的趨勢(shì)，且均在W2處出現(xiàn)最大值，說(shuō)明該礦山的開采可能對(duì)周圍地表水體重金屬濃度影響較大。受到河流稀釋、沉淀、遷移等理化過程的影響，重金屬含量在W3斷面處出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，由于水體自身的自凈能力，重金屬在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位含量差別較大[12]。

圖1 研究區(qū)域地表水體重金屬濃度統(tǒng)計(jì)分析

與標(biāo)準(zhǔn)差相比，變異系數(shù)可以反映重金屬元素的空間離散性和變異程度，值越大，外部因素對(duì)污染特征的影響越大[13]。根據(jù)Wilding[14,15]的分類標(biāo)準(zhǔn)，變異系數(shù)的水平可分為低變異(CV<15%)、中變異(15%36%)。

如表4所示，本次研究重金屬Cu、As、Mn、Cd、Cr、Pb的變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為：16%、173%、88%、124%、77%、28%。研究區(qū)域地表水體中As、Mn、Cd、Cr均屬于高變異，表明這幾種金屬元素受采礦活動(dòng)干擾較大。礦區(qū)在露天開采過程中，因?yàn)橐獎(jiǎng)冸x表層土壤，所以會(huì)使天然礦石和廢礦暴露在外部環(huán)境中，經(jīng)雨水沖洗、浸泡和淋濾等，使得先前存留于礦石中的錳及其伴生的重金屬(砷、鉻、鎘、鉛等)溶析出來(lái)，形成含有大量重金屬的污染流[16,17]，最終隨著地表徑流進(jìn)入地表水體。

3.2 土壤重金屬污染描述性統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)土壤重金屬含量分布特征見表5，該礦區(qū)主要采集樣品點(diǎn)位為：礦洞口、堆土、污水處理設(shè)施排放口礦山居民區(qū)。土壤中Cd，Cu，Mn，Zn，Cr和Pb的平均值分別為7.39，50.93，6931.82，999.23，158.73，43.28 mg/kg。以貴州省土壤元素背景值為標(biāo)準(zhǔn)，分別達(dá)背景值的11.10，1.50，8.73，10.04，1.66，1.23倍，其中重金屬Cd，Mn和Zn污染較為嚴(yán)重。

表5 礦區(qū)土壤重金屬含量分布特征

該錳礦區(qū)土壤中Cd,Cu,Mn,Zn變異系數(shù)分別高達(dá)103.79%，59.26%,148.47%，104.55%均達(dá)到高變異程度，受采礦活動(dòng)影響明顯；Cr,Pb變異系數(shù)在15%～36%之間，屬變異性中等偏弱，受干擾影響較小，空間變異性弱。

3.3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

3.3.1 地表水污染評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算公式計(jì)算出3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，通過表1對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)污染程度做出評(píng)價(jià)，見表6。

基于表6，可以看出在排污口上游(500 m)處綜合污染指數(shù)數(shù)值為4.45×10-4；在排污口下游(500 m)處綜合污染指數(shù)數(shù)值為3.32×10-2，比在排污口上游(500 m)處綜合污染指數(shù)數(shù)值略高；在排污口下游(3000 m)處綜合污染指數(shù)數(shù)值為9.36×10-3，比在排污口下游(500 m)處綜合污染指數(shù)數(shù)值稍低，綜合污染指數(shù)數(shù)值從W1到W2其水質(zhì)污染程度升高，從W2到W3水質(zhì)污染程度又略微下降，盡管其內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)隨著水體流動(dòng)的方向在數(shù)值上出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，但3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)數(shù)值均比表1地表水體中重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中處于安全程度的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)數(shù)值低。結(jié)合以上分析得出：研究區(qū)域地表水體中水質(zhì)污染程度為一個(gè)安全的狀態(tài)。

表6 某礦山地表水重金屬污染程度評(píng)價(jià)

3.3.2 土壤污染評(píng)價(jià)

對(duì)采樣區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行內(nèi)梅羅綜合污染分析，除礦山居民區(qū)外，其余采樣點(diǎn)位均達(dá)到重度污染水平，其綜合污染指數(shù)分別高達(dá)18.64、12.87、20.33其中礦洞口和污水處理施排放口污染最為嚴(yán)重，這可能與礦山開采和污水治理給土壤帶來(lái)的外源重金屬有關(guān)[18～20]。重金屬Cd、Zn、Mn污染因子指數(shù)突出，表明該礦區(qū)污染類型為多種重金屬綜合污染(表7)。

表7 研究區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)指數(shù)及分級(jí)

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)貴州某礦山地表水中污染物濃度特征分析和描述性統(tǒng)計(jì)，得出研究區(qū)域地表水體氨氮、CODMn、pH值等均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；由計(jì)算出的變異系數(shù)可知As、Mn、Cd、Cr均屬于高變異，表明這幾種金屬元素受采礦活動(dòng)干擾較大。重金屬污染描述性統(tǒng)計(jì)表明研究區(qū)土壤主要累積重金屬污染元素為Cd，Zn，Mn，變異系數(shù)值高，受人為干擾因素影響較大。

(2)根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算公式分別算出3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，將所得數(shù)值與表1地表水體中重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，整體來(lái)看，研究區(qū)域地表水體水質(zhì)污染程度處于安全的狀態(tài)。研究區(qū)土壤中礦洞口點(diǎn)位的重金屬Cd和Zn，污水處理設(shè)施排放口點(diǎn)位的重金屬M(fèi)n均在重度污染水平以上，除礦山居民區(qū)外，其余點(diǎn)位綜合污染指數(shù)遠(yuǎn)超重度污染標(biāo)準(zhǔn)，土壤重金屬污染受多種重金屬元素影響，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。