礦區(qū)地下水環(huán)境重金屬污染時空變化特征及風險評估研究

摘要：礦區(qū)粗放開采導致環(huán)境受有毒有害物質(zhì)污染，尤其是地下水環(huán)境。此研究針對礦區(qū)地下水環(huán)境重金屬污染，設置采礦區(qū)和冶煉區(qū)采樣點，檢測水樣和沉淀物中重金屬含量。結果表明，冶煉區(qū)污染重于開采區(qū)，重金屬難以遷移，地下水質(zhì)呈弱堿性。為此，建立污染風險評估模型，劃分污染風險等級。結果顯示，冶煉區(qū)水環(huán)境重金屬污染風險高，鄰近冶煉區(qū)的采樣點風險最高，開采區(qū)風險較低但鄰近礦井的點風險中等。因此，需同步治理開采和冶煉過程，確保礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。通過科學評估和有效治理，減少礦區(qū)對生態(tài)環(huán)境的破壞，保障當?shù)鼐用竦慕】瞪睢?/p>

關鍵詞：礦區(qū)污染；水環(huán)境；重金屬；時空特征；風險評估

中圖分類號：X820.4 文獻標志碼：B

前言

礦區(qū)地下水環(huán)境的重金屬污染問題日益凸顯，主要由于采礦作業(yè)的各個環(huán)節(jié)，包括采礦廢水的未經(jīng)處理直接排放、尾礦庫的長期堆存與雨水淋濾作用，以及礦石加工過程中產(chǎn)生的含重金屬廢水與廢渣的不當處置，共同作用下，導致鉛、鎘、汞等毒性強烈、難以自然降解的重金屬元素在地下水體中逐漸累積，形成隱蔽而持久的污染源。

地下水作為人類生活與生產(chǎn)不可或缺的淡水資源，重金屬污染不僅直接威脅到居民飲用水安全，還通過食物鏈傳遞，影響農(nóng)作物品質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)健康，進而引發(fā)包括神經(jīng)系統(tǒng)損傷、肝腎功能異常在內(nèi)的多種嚴重健康問題，社會影響深遠。因此，全面、系統(tǒng)地解析礦區(qū)地下水重金屬污染的時空演變規(guī)律，不僅是保障公眾健康安全的迫切需求，也是推動礦區(qū)綠色轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境保護雙贏目標的必由之路。

然而，面對礦區(qū)復雜多變的自然地理條件、差異化的開采歷史與工藝水平，以及重金屬污染物在地下環(huán)境中復雜的遷移轉(zhuǎn)化機制，如何準確量化污染風險、科學預測污染趨勢，成為當前環(huán)境科學領域的一大挑戰(zhàn)?；诖耍恼聰M通過整合多學科理論與方法，深入剖析礦區(qū)地下水重金屬污染的時空變化特征，構建一套精準高效的風險評估體系。

1研究地區(qū)礦區(qū)基本概況分析

以開采超過5年的礦區(qū)為研究對象。該礦區(qū)位于中國東北部，地處長白山脈與松嫩平原的過渡區(qū)。地質(zhì)條件以沉積巖為主，為礦區(qū)形成提供了物質(zhì)基礎。在社會經(jīng)濟方面，該礦區(qū)依托豐富的礦產(chǎn)資源，發(fā)展了加工制造業(yè)，形成了以礦業(yè)為主導的產(chǎn)業(yè)格局。隨著煤炭開采業(yè)迅速發(fā)展，礦井數(shù)量增加，煤炭年產(chǎn)量可觀，并形成了多個規(guī)模工業(yè)園區(qū)。這樣的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟條件共同影響著礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境和礦業(yè)生產(chǎn)活動，為研究礦區(qū)地下水環(huán)境重金屬污染提供了重要的背景和依據(jù)。

2礦區(qū)地下水樣品采集及檢測

2.1樣品采集

在礦區(qū)開采區(qū)，順溪流方向選取5個采樣點，具體如圖1所示。采集地下水樣和水底沉積物各5份，編號分別為P1-P5、A1-A5；在冶煉區(qū)，圍繞石料廠和廢石廠周邊的水坑、水塘和排水溝設置采樣點，同樣采集地下水樣和沉積物樣品各5份，編號分別為S1-S5、D1-D5。采樣過程中，使用聚乙烯塑料瓶作為容器，嚴格清洗以避免污染。水樣采集時需擾動水體，加入硝酸溶劑保持pHlt;2，并立即封好瓶口，標明取樣信息。沉積物樣品則進行干燥和篩分處理，收集小于30目篩孔部分用于后續(xù)分析。

2.2樣品檢測

在完成對礦區(qū)地下水的樣品采樣后，需要對樣品進行檢測，其中，水樣和沉積物的共同檢測項目有6項指標，分別為As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb；除此之外，水樣還需檢測pH值、COD以及總硬度?；诖?，對水樣樣品和沉淀物樣品的元素含量，選擇確定分析方法，見表1。

根據(jù)表1中內(nèi)容所示，分別對樣品中的水樣以及沉淀物元素的析出方法進行設定，為此，針對于不同的析出方法，選擇對應實驗設備。

而對于水樣中的pH值和COD檢測，需具體說明：

（2）水樣COD檢測：將100 ml水樣分四份，每份25ml，加入重鉻酸鉀和硫酸銀，加熱回流1.5小時。冷卻后加指示液，滴定并記錄用量。同時進行空白操作以確保準確性。計算方法如式（1）：

3礦區(qū)地下水重金屬污染特征

3.1水環(huán)境重金屬質(zhì)量標準

在分析地下水重金屬污染特征前，需要說明水環(huán)境的質(zhì)量標準，其中，水體標準按照水質(zhì)類型劃分，沉淀物的標準以土壤質(zhì)量標準為依據(jù)，分別為：

（1）地下水水樣質(zhì)量評判標準：As在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類標準中為≤50，在Ⅳ、Ⅴ類中為≤100；Cr在Ⅰ類中為≤10，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類中為≤50，Ⅴ類中為≤100；Cd在Ⅰ類中為≤1，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類中為≤5、V類中為≤10；Cu在Ⅰ類中為≤10、在其余四類中為≤1000；Hg在Ⅰ、Ⅱ類項目為≤0.05，Ⅲ類中為≤0.1，Ⅳ、Ⅴ類中為≤1；Pb在Ⅰ、Ⅱ類中為≤10，在Ⅲ、Ⅳ中為≤50，在Ⅴ類中為≤100，單位均為μg/L。

（2）地下水沉積物質(zhì)量評判標準：As的基準值為3～70、Cr為25～400、Cd為0.5～12、Cu為15～260、Pb為25～520m、Hg為0.5～3.0，單位為mg/Kg。

根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量標準的提出，對應研究區(qū)的劃分情況，將礦區(qū)按照開采區(qū)和冶煉區(qū)兩個部分進行分析，分別獲取兩個區(qū)域內(nèi)地下水的重金屬分布規(guī)律。

3.2開采區(qū)地下水重金屬分布規(guī)律

開采區(qū)內(nèi)含有一條自礦山上順流而下的河流，可以視作礦區(qū)地下重金屬污染的來源，依據(jù)污染元素生態(tài)效應中遷移富集作用，根據(jù)對采樣點的水樣和沉積物元素含量分析，為縮短此次研究時間，對于相同位置處的水樣以及沉淀物，還需不同時間中的數(shù)據(jù)樣本，來源為研究區(qū)內(nèi)已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)調(diào)查記錄。以樣品中水樣、沉淀物重金屬含量作為分布規(guī)律的分析基準，見圖2。

圖2開采區(qū)內(nèi)地下水系水樣與沉積物中重金屬含量

如圖2所示，按照水流方向，在開礦區(qū)內(nèi)水樣的重金屬含量，從空間上來看，在采樣點P1、P2中的重金屬含量最高，并沿著水流呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，隨著水流方向，重金屬含量整體呈下降趨勢，說明水體對重金屬具有一定的搬運能力，在水樣中檢測出的As、Cd、Cr、Cu、Pb整體含量較?。欢鴮τ陂_采區(qū)內(nèi)的地下水沉積物，含量均在各自重金屬質(zhì)量評價指標的基準限制之內(nèi)，說明地下水底泥中的重金屬含量未超標。

3.3冶煉區(qū)地下水重金屬分布規(guī)律

冶煉區(qū)的工業(yè)廢水則是礦區(qū)內(nèi)污染地下水的主要污染源，分析結果見圖3。

如圖3所示，由于冶煉區(qū)中設置的采樣點為不連續(xù)情況，距離冶煉廠較近的采樣點S1和S2，重金屬元素含量較高，基本為其他采樣點的十倍，主要是離冶煉廠較近，處理污水會就近排放，在地下水的水樣重金屬分布呈現(xiàn)出與冶煉區(qū)遠近呈反比的特征；對于該區(qū)域的地下水沉積物來講，Cr的含量較為符合基準限制，As在D5測點也符合基準限制，其余采樣點均大于基準上限，而Cd、Cu、Pb、Hg在D3、D4、D5測點符合基準限制，但在Dl和D2中大于基準線，且超標倍數(shù)較高。

3.4礦區(qū)地下水樣重金屬理化性質(zhì)

對開采區(qū)和冶煉區(qū)內(nèi)水樣采集點的理化性質(zhì)進行分析，見表2。

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在開采區(qū)和冶煉區(qū)中水樣的理化性質(zhì)具有差異性，整體上以弱堿性為主，這類屬性會導致重金屬的溶解難度和遷移難度變大，因此，重金屬會在水體匯總富集和沉淀，最終導致水體中重金屬污染。

4礦區(qū)地下水環(huán)境污染風險評估方法

4.1篩選評價指標

為了準確評估礦區(qū)地下水環(huán)境污染風險，首要任務是篩選合適的評價指標。此研究以“污染源一污染途徑一污染受體”為核心思想，綜合考量研究區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特征和水文特點，篩選出以下關鍵指標：重金屬的污染特征（如存在形式、毒性、遷移性、含量等）、礦區(qū)的固有脆弱性（如補給類型、巖質(zhì)發(fā)育、水質(zhì)酸堿度等）、礦區(qū)的特殊脆弱性（如地下水利用類型、污染源排放強度等）以及價值功能（如水質(zhì)指數(shù)、健康指數(shù)等）。

4.2建立評價模型

劃分三個層次，分別為目標層、準則層、指標層，根據(jù)各個層級內(nèi)含有的多個指標，以專家打分法構建判斷矩陣，對每一個指標進行數(shù)量形式的評估，計算層次總排序及礦區(qū)地下水重金屬風險指標體系權重，如式（2）所示：