礦山廢棄地土壤重金屬污染現(xiàn)狀及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0144-06

中圖分類號：X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Current Situation of Heavy Metal Pollution in Soil of Abandoned Mining Sites and Geological Disaster Warning Technology

Bu Zhengjun，DingWei，Yan Shiming，Zhang Xinrong （No.1Geological Brigade of Jiangsu GeologyandMineral Exploration Brigade，Nanjing 210041，China）

Abstract：Theheavymetalpolutioninsoilofabandonedminingareasmainlycomesfromindustrialactivitiessuchassmeltingand oremining，whichladtoalargeamountoftoxicheavymetalsubstanceenteringtesoil，causingsignificantimpactsoncropgrowth，hu manhealth，ndcoloicaenvironent.Tothisnd，teurentsiaioofeavyetalpoltioinsoilofbandondinngasd geologicalhazardwaingtecologiesepropoedDividetheuoudingareasofbandodinngsites，esuretesoilaet alcontentatsmplingpoints，btainthedistributioofaymetalcontentintezontaldirection，ndusesinglefactordcopr hensividextoevauatethdegeeofsoilpoltionConstructaierarchicalstructureforgeologicalhazardwaring，calculatetheisk valueofgeologicalhazardsbasedonindcatorweights，anddeterminethatthereisasignficantriskofdebrsflowintheresearcharea， with a high level of site danger.

Keywords;abandonedminingland；soilheavymetalpolution；geologicalhazardwarning；Nemeroindexmethod；analytichierar chyprocess

前言

污染在土壤中累積，對土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如果種植在被污染土地上的動(dòng)植物流入市場，對人類也產(chǎn)生嚴(yán)重安全威脅。此外，重金屬污染具有非常強(qiáng)的擴(kuò)散能力，可以令土壤退化、植物受害、污染地下水，并會(huì)進(jìn)一步引發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害[1]。因此，對礦山廢棄地土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析，并對可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，對于保護(hù)環(huán)境和人類健康具有重要意義。

張德強(qiáng)等[2]研究發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)周邊土壤中重金屬銅和鉛污染程度高，水土流失嚴(yán)重。朱學(xué)朋等研究表明，礦區(qū)周邊重金屬嚴(yán)重超出國家規(guī)定的土壤背景值，并且由于在開礦過程中使用了化學(xué)試劑，土壤的生態(tài)化程度極低，有嚴(yán)重的水土流失問題;Magdalena等4得出 Pb，Cu，Ni，Cr，Zn 重金屬超標(biāo)，礦物樣品中的金屬濃度比背景值高出2倍的結(jié)論；ChenL等[5]得出 Cd，Pb，Zn 污染極高，且對礦區(qū)周邊農(nóng)業(yè)區(qū)土壤產(chǎn)生了很高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

所提研究汲取國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)，在礦山廢棄地設(shè)立監(jiān)測站點(diǎn)，對土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)掌握土壤重金屬污染的動(dòng)態(tài)變化。并且創(chuàng)新性添加地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)：結(jié)合礦山廢棄地的污染狀態(tài)，對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，便于建立具有針對性的應(yīng)急處理機(jī)制。

1 研究區(qū)域

1.1 地理位置

研究區(qū)域的廢棄礦山露出中粒和細(xì)粒黑云母鉀長花崗巖，并存在礦化石英脈，四條為主要礦脈，且礦脈有明顯的膨大、縮小、消失和再現(xiàn)現(xiàn)象。該礦區(qū)廢棄時(shí)間已超過5年，礦山內(nèi)礦石礦物主要包括方鉛礦、黃銅礦和斑銅礦。圍巖蝕變則包括絹云母化、黃鐵礦化和鉀長石化[6]。實(shí)驗(yàn)區(qū)域中標(biāo)記12個(gè)采樣點(diǎn)，其中N1-N5采樣點(diǎn)位于礦山廢棄地，M6-M8采樣點(diǎn)位于復(fù)墾區(qū)，W9－W12位于外圍區(qū)域。礦山廢棄地研究區(qū)域地形圖見圖1。

1.2土壤污染樣本采集

在研究的廢棄礦區(qū)域內(nèi)，根據(jù)地形地勢、成土母質(zhì)以及污染源的分布，對污染土壤采集，為了確保采樣的代表性，使用隨機(jī)采樣方法在區(qū)域中以梅花形布點(diǎn)進(jìn)行采集，并利用GPS定位技術(shù)記錄采集土壤的具體地理位置[]，包括經(jīng)緯度和周邊環(huán)境信息。

采樣重點(diǎn)區(qū)域分割為尾礦區(qū)、復(fù)墾區(qū)以及外圍地區(qū)。在采集樣品時(shí)，未使用金屬器具以防止引入不必要的重金屬污染。利用竹子制作器材在標(biāo)記的樣本區(qū)域進(jìn)行鉆孔獲取土壤樣本，通過木質(zhì)鏟和竹筷子對泥土中大塊石頭或者板結(jié)土壤進(jìn)行篩選，剔除樣品中的植物殘留體、礫石、其他雜質(zhì)，收集純凈程度最高的樣本，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性[8]。在采樣之前，對所有的采樣器具進(jìn)行了嚴(yán)格的清潔處理，以防止樣本之間出現(xiàn)交叉污染問題。土壤樣品放置在乙烯封口袋內(nèi)，在外部使用速干記號筆進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)注內(nèi)容包括采樣點(diǎn)以及采樣深度，以便后續(xù)的分析工作。所有采集的樣品被帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行進(jìn)一步的含量分析和處理。

1.3土壤污染樣本制備

實(shí)驗(yàn)樣本制備時(shí)間為 2023-9-26 ，每個(gè)采樣點(diǎn)使用土鉆垂直取樣，每個(gè)采樣點(diǎn)分為三層，深度范圍分別為 泥土樣本帶回實(shí)驗(yàn)室后，在陰涼、干燥、通風(fēng)良好區(qū)域讓土壤中的水分自然蒸發(fā)，為了使干燥效果更均勻，不令土壤出現(xiàn)板結(jié)問題，每隔3小時(shí)翻動(dòng)一次土壤，并碾碎其中大顆粒，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，用瓷器研缽器血磨碎土壤，200目尼龍篩過篩，以便進(jìn)行重金屬元素含量的測定。

2礦山廢棄地土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價(jià)研究

2.1 污染評價(jià)方法

基于采集樣本使用單因子評價(jià)模型和綜合評價(jià)模型，量化評估當(dāng)前礦山廢棄地土壤重金屬污染現(xiàn)狀。單因子指數(shù)即為針對單一某種重金屬對土壤污染程度的評價(jià)：

式（1）中， P_i 是任意一種重金屬 i 的污染指數(shù)，C_i 是 i 的實(shí)際測量值， D_i 是 i 的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如果 P_igt;

1可得出重金屬污染濃度超標(biāo)， P_ilt;1 表示污染未超標(biāo)， P_i 值越大表示土壤重金屬污染情況越嚴(yán)重。具體的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為： P_i?1 污染等級1一安全； 1i? 3等級2一警戒值： 3i?6 等級為3一輕度污染；6i?10 等級為4一中度污染； P_igt;10 等級5—重污染?？紤]到礦山廢棄地土壤中不可能僅有一種重金屬，為此引入內(nèi)梅羅指數(shù)法用于描述重金屬對土壤的不同作用，計(jì)算土壤綜合污染情況：

式（2）中， P_s 是土壤綜合污染指數(shù)[10]， P_imax 是單項(xiàng)重金屬 i 的最大污染指數(shù)。實(shí)驗(yàn)共研究了5種代表性重金屬，為此單個(gè)采集點(diǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為： P_s?5 污染等級1一安全： ;5s?15 等級2一警戒值； 15lt; P_s?30 等級3一輕度污染； 30s?50 等級4一中度污染； P_sgt;50 等級5一重污染。

2.2土壤重金屬污染現(xiàn)狀

經(jīng)過檢測得出該礦山廢棄地土壤中包含5種重金屬，不同區(qū)域和土層深度的重金屬水平和垂直污染檢測結(jié)果見表1。

通過表1可知，在三個(gè)研究區(qū)中，從水平方向上重金屬含量分布：尾礦區(qū) gt; 復(fù)墾區(qū) gt; 外圍區(qū)。在垂直方向上，重金屬元素在礦區(qū)的 0～20cm 富集程度一般，主要在第二層和第三層富集。采樣點(diǎn)土壤垂直污染情況是表層土壤重金屬污染程度較低，深度越高污染越重，出現(xiàn)這種情況的原因有兩種，一是表層土壤基本上都是粗粒的黃沙和石英碎屑，難以分解，雨水的淋溶作用使得土壤重金屬滲透到中間的土層中，而最底層因?yàn)闈B透性較差，受污染程度較??；二是礦山廢棄已超過5年，淺層污染程度較低土壤是礦山廢棄后，通過風(fēng)或者水土運(yùn)動(dòng)從其他無污染區(qū)域覆蓋到有污染土壤上的。二者共同作用才會(huì)出現(xiàn)上層土壤污染程度低，而下層污染程度高的矛盾現(xiàn)象；復(fù)墾區(qū)的重金屬元素在垂直方向上差距逐漸降低。外圍區(qū)的重金屬隨著深度的增加而遞增。

總體來說，三個(gè)研究區(qū)的重金屬含量：尾礦區(qū) gt; 復(fù)墾區(qū) gt; 外圍區(qū)；重金屬元素在尾礦區(qū)是較多的，在外圍區(qū)降低；鎳含量在三個(gè)研究區(qū)中含量變化不是很明顯，基本上含量差別較小。并且鈮、銅、鉛、鋅四種重金屬遠(yuǎn)超國家土壤標(biāo)準(zhǔn)值，造成了土壤重金屬污染。尤其是鉛和鋅的平均含量最為突出，所以造成的這方面污染也是最嚴(yán)重的。

2.3土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價(jià)

根據(jù)式（1）-式（2）得出不同區(qū)域重金屬污染指數(shù) P_i 和 P_s ，計(jì)算見圖2。

經(jīng)過對圖2中單個(gè)重金屬污染指數(shù)的分析，可得出：在廢棄礦尾礦區(qū)中，重金屬鎳的污染指數(shù)基本在1＼～2之間，這表明這種重金屬尚未構(gòu)成明顯的環(huán)境污染或僅造成輕微污染。然而，其余鋸、銅、鉛、鋅四種在所有采樣點(diǎn)都造成了極高污染。鋸和鉛在所有采樣點(diǎn)都處于極高度污染水平，其中鋸元素的個(gè)別采樣點(diǎn)的污染指數(shù)甚至超過1000，風(fēng)險(xiǎn)極大。在復(fù)墾區(qū)中，銅、鋅的污染程度相對降低一些，但依舊是接近極高污染程度。鈮和鋅元素在所有采樣點(diǎn)都達(dá)到了極高污染水平。外圍區(qū)的銅、鎳的污染系數(shù)相對較小。鉛、鋅、鋸元素在外圍區(qū)大部分處于極高污染程度。從綜合污染指數(shù)來看：廢棄礦中絕大多數(shù)采樣點(diǎn)的 P_s 都處于高度污染水平。外圍區(qū)相比尾礦區(qū)、復(fù)墾區(qū)的綜合污染指數(shù)要小得多，表明污染水平低于尾礦區(qū)和復(fù)墾區(qū)?？傮w而言，根據(jù)每個(gè)研究區(qū)的綜合污染指數(shù)得出：尾礦區(qū) gt; 復(fù)墾區(qū) gt; 外圍區(qū)。

3考慮土壤重金屬污染的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)

3.1地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警層次結(jié)構(gòu)

土壤重金屬污染是礦山廢棄地地質(zhì)災(zāi)害的重要誘因之一，重金屬污染不僅改變了土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，降低了土壤的抗侵蝕能力，而且加劇了地質(zhì)環(huán)境的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)松散，降低土壤的抗侵蝕能力，從而增加泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)?；谏鲜鑫廴粳F(xiàn)狀評價(jià)結(jié)果，結(jié)合礦山廢棄地的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等信息，給予礦山廢棄地地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作的層次結(jié)構(gòu)如下：目標(biāo)－礦山廢棄地污染地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警A;標(biāo)準(zhǔn)層－廢棄礦山工程地質(zhì)環(huán)境B1、礦山廢棄前的采集行為B2、礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查B3；項(xiàng)目層-研究區(qū)域氣象條件C11、礦區(qū)地質(zhì)地貌C12、地質(zhì)條件C13、區(qū)域地殼穩(wěn)定性C14、水文地質(zhì)條件C15、地層巖石性質(zhì)C16、礦石資源開采行為C21、地下開采方式C22、露天開采方式C23、礦物資源開采過程中使用的防治工程策略和措施C24、礦山現(xiàn)狀和基本特征C31、區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和類型C32、地質(zhì)災(zāi)害分布范圍C33、地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)特征C34、災(zāi)害產(chǎn)生原因C35、災(zāi)害形成機(jī)制C36、災(zāi)害當(dāng)前穩(wěn)定性初判C37。根據(jù)上述層次結(jié)果便可以對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，建立具有針對性的應(yīng)急處理機(jī)制，降低礦山廢棄地污染對周邊生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)的影響。

3.2地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警結(jié)果分析

獲取研究區(qū)域不同重金屬污染區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警結(jié)果見表2。

根據(jù)表2可知，W12區(qū)域發(fā)生了高危險(xiǎn)等級的崩塌災(zāi)害，這表明該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)極其不穩(wěn)定，存在嚴(yán)重的安全隱患。高危險(xiǎn)等級的崩塌不僅會(huì)導(dǎo)致人員傷亡，還會(huì)對周邊環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大破壞。主要原因是長期采礦活動(dòng)導(dǎo)致的山體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、降雨誘發(fā)的不穩(wěn)定滑動(dòng)面形成以及缺乏有效的支撐結(jié)構(gòu)等，需要設(shè)計(jì)并實(shí)施加固工程，如設(shè)置錨固系統(tǒng)、建造擋土墻等，降低崩塌風(fēng)險(xiǎn)。N4和W10區(qū)域均存在中等危險(xiǎn)等級的不穩(wěn)定邊坡，雖然目前未發(fā)生大規(guī)模災(zāi)害，但隨時(shí)會(huì)因外部因素（如降雨、地震等）而加劇風(fēng)險(xiǎn)。N5區(qū)域發(fā)生了小規(guī)模的泥石流災(zāi)害，雖然危害相對較小，但仍需重視潛在的擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)。針對中等、小危區(qū)域，需要恢復(fù)上游植被，增強(qiáng)土壤保持能力。N3和N1區(qū)域存在小規(guī)模的踩空塌陷現(xiàn)象，表明地下礦體開采后留下了空洞，這些空洞在地表表現(xiàn)為塌陷坑或裂縫。應(yīng)對塌陷區(qū)域進(jìn)行回填處理，恢復(fù)地表平整，避免災(zāi)害的外延。

4結(jié)束語

礦山廢棄地的土壤重金屬污染是一個(gè)全球性的問題，這種污染會(huì)對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成長期影響，因此，了解和掌握礦山廢棄地土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，對于制定有效的防治措施和保護(hù)人類健康至關(guān)重要。同時(shí)礦山廢棄地的土壤重金屬污染往往與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生密切相關(guān)。例如，廢棄礦山的山體滑坡、崩塌等自然災(zāi)害，都是由于土壤重金屬污染導(dǎo)致的土壤侵蝕和植被破壞所引發(fā)的。為此，提出一種礦山廢棄地土壤重金屬污染現(xiàn)狀及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究，不僅可以明確當(dāng)前土壤污染等級，還可以通過預(yù)警技術(shù)預(yù)測和預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，有助于提高人們對礦山廢棄地土壤重金屬污染的認(rèn)識和管理水平。

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