《关闭矿井与周边塌陷区内土壤重金属含量的环境质量分析》
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摘 要：为揭示塌陷矿区周边土壤中重金属元素的污染特征,借助全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和地统计分析技术,对安徽省淮北市已关闭矿井前岭煤矿周边农田土壤中8种重金属元素（Cu、Fe、Zn、Co、Ni、Cr、Mn和Pb）进行了详细调查、取样和分析测试,以确定前岭矿井和周边塌陷区土壤重金属污染程度及潜在的生态环境危害性.结果表明：Cu、Fe、Zn、Co、Cr、Mn和Pb元素的检测含量平均值和安徽省土壤重金属背景值相比,分别超出1.03倍、1.54倍、3倍、0.2倍、0.08倍、0.48倍、1.03倍、8.75倍,其中,Zn元素和Pb元素超标情况尤为突出.此外,矿井及周边塌陷区的污染呈现出明显的区域分布特征,即矿井内西南方污染严重,周边西北方废旧砖厂和水泥厂的污染情况也较为突出.
关键词：重金属污染;土壤;关闭矿井
中图分类号 X82;X173文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）06-0115-06
Abstract：To reveal the pollution characteristics of hey metals in the soil surrounding the mining area, using the global positioning system （GPS）, geographic information system （GIS） and statistical analysis techniques, surrounding the Qianling coal mine in Huaibei city, Anhui province closed mines eight hey metals in soil （Cu, Fe, zinc, Co, Ni, Cr, Mn, and Pb） detailed investigation ,collected the samples and analysised, determine the Qianling in the mine and surrounding subsidence of soil hey metal pollution and potential ecological environmental harm. The results showed that the erage content of Cu, Fe, Zn, Co, Cr, Mn and Pb was 1.03 times, 1.54 times, 3 times, 0.2 times, 0.08 times, 0.48 times, 1.03 times and 8.75 times higher than the background value of soil hey metals in Anhui province, among which Zn and Pb exceeded the standard. In addition, the mine and surrounding pollution presents obvious regional distribution characteristics of subsidence, the mine southwest of pollution is serious, peripheral to the northwest of old brick and cement factory pollution situation is more outstanding, hoping to draw the attention of the department of environmental protection.
Key words：Hey metal; Pollution Soil; Mine closure
1 前言
一般而言,土壤重金屬污染是指由于自然地质作用或某些人为因素导致的诸如锌、铜、钴、镍、锡等重金属对土壤造成的生态污染.近年来,国内外学者针对土壤重金属污染开展了广泛的研究,取得了丰硕的成果,研究内容涉及土壤重金属空间分布特征[1]、来源分析[2]、重金属地球化学基线研究[3]等方面.常用的研究方法有单因子分析和综合分析法[4]、地积累指数法[5]、富集因子法[6]等.
然而,矿井的无止境开发势必会带来许多环境问题,我国煤矿关闭的主要原因有资源枯竭、不符合安全生产要求、非法开采、经济效益差、开采技术落后、开采地质地理条件复杂等.2015年经济工作会议提出,推动煤炭行业供应侧结构性改革的“去产能、去库存、去杠杆、降成本、补短板”5项重点任务.《中国煤炭工业改革发展年度报告（2016年度）》指出,在国家政策指导下,2016年完成煤炭去产能2.5亿t,超额完成2016年目标.
淮北市位于安徽省北部,黄淮平原南端,淮北矿区位于安徽省北部,地处东经115°42′～117°15′,北纬33°06′34°～08′,总面积约4650km2.区内已有40多对矿井,是安徽省以及中国东部重要的煤矿区.但煤矿开采、提炼、运输等作为土壤重金属污染的重要来源,对土壤环境及人类健康具有较大的影响[7].近年来,随着开采强度的加大及国家政策的调整,皖北地区被关闭的矿井数量较多.然而,废弃矿井及周边塌陷区内多堆积有大量的煤渣、煤矸石等固体残余物,残余物的大量堆存,会因受水浸泡而淋溶出一些有害元素,如Pb、Cr、Mn和Cu等重金属元素.这些重金属元素的析出和迁移,会直接或间接地对周围土壤、地表水和地下水环境造成一定程度的污染.为此,本研究对前岭煤矿及周边塌陷区、农田和常福运河近矿井岸等地的土壤重金属含量进行了分析和评价,绘制了空间重金属含量分布图,分析了污染源,判定了污染等级,旨在为土壤重金属污染治理提供理论依据.
2 研究方法
2.1 样品采集
2.1.1 采样点位布设 采样地位于淮北市前岭煤矿,于Google卫星地图上初步在矿井区域内布设16个采样点（1～16号点）,在矿区东边道路旁设置2个采样点（17～18号点）,在矿区西边农田内设置10个采样点（19～20号点）,在常福运河近矿井岸边设置4个采样点（29～32号点）.矿井内、外每个点位间距约150m,共计采集土壤样品32个,以明确矿井及周边塌陷区土壤重金属元素含量本底水平（图1）.
由于目前矿井最北部主要是附近居民的居住场所,地表已被水泥覆盖,故不能正常采集样品.而矿井西方的农田内,由于地表土壤长期受到一定程度的农药污染,将其定义为重点污染区,需额外在现场增加土壤样品的采集数量,使目标样品数量能够满足此处的统计要求,从而方便对矿井及周边塌陷区有准确的确定.
2.1.2 采样 由于前岭矿井属于关闭矿井,其内局部场地可能会存在混凝土等复杂情况,故采用专业钻探设备对采样点进行混凝土破碎工作后再进行土壤采样,且在钻探过程中需要将土壤按其深度不同分开摆放,而采样点垂直方向的采样深度可根据污染源的位置、地层结构辅助判断.在剖制取样面前需使用木铲刮去表面约1cm厚的土壤表层,样品大约取1.5kg即可.在进行取样工作时可以使用针管取样器进行取样,各个采样点取地表以下5～15cm处具有一定代表性的、5个采样单元土壤样品,用木质捻子捻去植物树根、粒径较大的矿物颗粒等杂质,然后采用“四分法”充分混合,并用专用密封袋密封.待取樣结束时,在取样孔上方放置显眼标志物,以示该点样品采集工作已完成.
2.2 样品预处理和测试 首先,使用塑料自封袋将样品密封后带回宿州学院工程中心实验室,放置室内阴凉处自然风干10～15d直到完全松散.其次,将风干后的样品经机器研磨后依次过60、80、100、200目木质尼龙筛,每过1次尼龙筛重新研磨1次.再次,用分析天平准确称量5g待测土样,在20t压片机压片后取出于密封袋内保存,在12h内进行重金属元素的含量分析.在预热完Skyray Instrument ICP-2000仪器后,按照软件顺序依次分析样品,导出数据.需要注意的是,尼龙筛、研钵等与土壤接触的仪器设备均需清洗干净,包括玛瑙研钵也需用酒精擦拭一遍;已经压好的样片不能与手或金属物质接触,一律采用木质捻子捻起;在测试过程中,每测试10个样品,需使用标准土样对实验仪器进行校准.
3 结果与分析
3.1 样品重金属含量测定 经过Skyray Instrument ICP-2000仪器内置的分析软件的测量,可以得到研究区域内各采样点位的土壤重金属元素的具体含量（表1）.
2.2 样品重金属分布特征 对表1所测数据进行数学统计分析,得到前岭关闭矿井内土壤重金属元素含量的最大（小）值、算术平均值等（表2）.由表2可知,采样区元素Co、Ni和Cr的平均值较安徽省土壤重金属元素背景值小,元素Cu、Fe、Zn、Mn和Pb的平均值较安徽省土壤重金属元素背景值大.
在本次实验中,由于仪器Skyray Instrument ICP-2000对目标测试重金属元素的检测率并不保持一致,故将结果分述如下：Cu、Fe、Zn、Co、Cr、Mn和Pb元素检出率皆为100%,但Ni元素检出率仅为21.88%.Cu元素的含量检出范围为0.58～213.31mg·kg-1,含量平均值为20.92mg·kg-1,方差为45.52（mg·kg-1）2;Fe元素的含量检出范围为31451.73～120848.67mg·kg-1,含量平均值为48343.65mg·kg-1,方差为15374.50（mg·kg-1）2;Zn元素的含量检出范围为107.29～471.86mg·kg-1,含量平均值为186.30mg·kg-1,方差为62.71（mg·kg-1）2;Co元素的含量检出范围为0.55～19.15mg·kg-1,含量平均值为3.57mg·kg-1,方差为2.93（mg·kg-1）2;Ni元素的含量检出范围为0.27～1mg·kg-1,含量平均值为2.34mg·kg-1,方差为5.28（mg·kg-1）2;Cr元素的含量检出范围为23.58～37.57mg·kg-1,含量平均值为31.72mg·kg-1,方差为2.91（mg·kg-1）2;Mn元素的含量检出范围为296.34～977.31mg·kg-1,含量平均值为547.50mg·kg-1,方差为112.75（mg·kg-1）2;Pb元素的含量检出范围为163.55～328.88mg·kg-1,含量平均值为227.40mg·kg-1,方差为28.67（mg·kg-1）2.
通过Surfer 12对矿区位置进行量化,并加投散点图（如图2～9）,可以得到所测量的重金属元素在测量范围内的空间分布特征.
以国家一、二级土壤标准为参考值,对研究区域内所测的重金属元素绘制柱状图图解（如图10～14）.
根据图10～14可以分析出,Cu元素和Zn元素在矿井的西南部分含量最高,且Cu元素含量比周围区域高出很多,这是因为直接受到矿井过去所产煤矿和矿井关闭以后所残留物质的长期污染.Co元素和Fe元素在矿井的东北部分最为富集,在询问矿区负责人和现场观察后,发现是因为此处长期堆放了大量的铁制品,故此部分是直接受铁制品的强烈污染的.Cr元素在矿井周围、常福运河西段的近矿井岸,以及矿井外西南方向的农田、西北方向的砖厂附近有较为明显的富集,推测是在矿井污染物质排放后经雨水等冲刷后向地下渗透形成地下径流,排到了农田和河流中.Mn元素则在矿井西南部分和矿井西北方向的砖厂有明显的富集.此外,Pb元素只在矿井东北部分有所富集.
根据图10～14还可以分析得出,7号采样点和10号采样点的Cu元素均高出国家二级土壤标准值,4号采样点Cu元素超过国家一级土壤标准值,其余各采样点基本在国家一级土壤标准值以下.2号、10号和25号采样点的Zn元素逼近或超出国家二级土壤标准值,其余则全部超出国家一级土壤标准值.但Cr元素则属于另一种情况,每一个采样点中Cr元素的含量都未能超出国家一级土壤标准值,基本维持在一个较低的水平.此外,虽然Ni元素也在矿井西南部分有所富集,但由于只有4号、7号和10号采样点的土壤测出了Ni元素,由此估计矿区及附近已经基本不受Ni元素的污染.9号采样点的Pb元素超出国家二级土壤标准值,其余各采样点则都超出国家一级土壤标准值,并且每个采样点的Pb元素含量都很高.可以推测,矿井及周边塌陷区受Pb元素污染十分强烈.
3.3 矿区及附近土壤重金属质量评价 内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一,其具有数学过程简捷,运算方便,物理概念清晰等优点.对于一个评价区,只要计算出它的综合指数,再对照相应的分级标准,便可知道该评价区某环境要素的综合环境质量状况,便于决策者做出综合决策[9].该方法先求出各因子的分指数（超标倍数）,然后求出各分指数的平均值,取最大分指数和平均值计算,是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数,见下式[10]：
式中,Ci为元素的实际值,Li为元素的容差值,相关数据可以参考土壤环境质量标准GB 15618-1995以及《绿色食品产地环境质量现状评价纲要》（1994）,又因为矿井及周边塌陷区大多为旱地,pH在6.5～7.5,由内梅罗指数法污染等级划分标准（如表3）可划分研究区的污染指数值,并由公式计算出前岭关闭矿井及周围塌陷区土壤重金属元素的Pg值（见表4）.
由表4可知,除16号采样点的Pg等于2.80<3.0,属于中污染范围的地区,其余31个采样点的Pg>3.0,属于重污染地区.此外,这31个采样点的Pg值超过“污染等级5”在5～34倍,尤其以7号采样点和10号采样点的Pg值最高,分别达到1092倍和3437倍.这应该与矿井内过去煤炭直接堆放的位置有关,或者与矿井内修缮导致的某些化工原料堆放以及下层土壤翻到土壤风化壳表层有关.
4 结论与建议
4.1 结论 （1）研究区域内受Cr元素污染相对轻微,受Cu、Fe和Mn元素的污染较为严重,但受Zn元素和Pb元素的污染相对最为严重.（2）研究区域内Fe元素的方差异常偏大,由此估计每个样本区域内的土壤受Fe元素的污染情况差别较大;而Cr元素方差最低,估计Cr元素在采样区的空间分布最为均匀,其余所测元素的方差值处于中间大小.（3）重金属元素对研究区域内污染情况呈现出明显的区域分布特征,即关闭矿井内西南方污染严重,东北方污染较轻微;处于关闭矿井外西北方废旧砖厂和水泥厂的污染情况也比较严重.
4.2 建议 研究区域内土壤的重金属元素含量受人为活动的影响程度并不一致,其中Cr、Cu、Mn、Pb和Zn元素多属于受人为活动影响较为强烈的重金属元素,主要来自于人们日常生活废弃物的不合理的分散堆放;而Ni元素的污染主要于自然状态下土壤内的物质反应等.同时,在矿井周围农田的土壤样品中Cu、Zn和Pb元素有一定程度的超标,由此可推断其产出的农作物内Cu、Zn和Pb元素含量也会有一定程度的超标,这将会导致农作物光合作用减弱,引起产量降低甚至绝收,同时有可能通过食物链引起或加重矿井附近居民的间断性头痛、高血压等症状,严重者可能会衍生出视觉障碍等疾病.
诸如利用蚯蚓的生活习性调高土壤自净能力的生物修复方法、利用抑制剂改变土壤pH值、电导率的化学修复方法,以及生态修复和物理修复等方法可以在很大程度上降低土壤中的重金属元素.因此,对于关闭矿井来说,其土壤重金属元素污染治理和周围环境保护,既要通过政策和法律法规的约束、改变居民乱倒生活垃圾的习惯,又要采用适宜的技术措施对其进行进一步的综合治理.
参考文献
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（责编：张宏民）
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