北京市金属矿产开发对土壤重金属含量影响分析

闫广新，刘世海，丁 霞，韩娟娟，黄鹏辉

（1. 北京市地质工程设计研究院，北京 101500；2. 北京交通大学，北京 100044）

北京市金属矿产开发对土壤重金属含量影响分析

闫广新1，刘世海2，丁 霞1，韩娟娟1，黄鹏辉1

（1. 北京市地质工程设计研究院，北京 101500；2. 北京交通大学，北京 100044）

通过对密云水库上游潮白河流域进行土壤和沉积物采集，针对采集样品中的微量元素和重金属进行测试和分析，得出：汤河流域内土壤中铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和铬（Cr）含量较高；琉璃河流域内土壤中铜（Cu）和铬（Cr）含量较高；潮河流域内土壤中铅（Pb）和铬（Cr）含量较高。采用单元素的地累积指数评价和区域多元素的污染负荷指数评价方法，对土壤中重金属含量的影响进行评价，得出：汤河流域中部土壤重金属含量，琉璃河流域中、下游一带的土壤重金属含量、潮河支流牤牛河上游流域土壤重金属含量均达到国标中划定的中度污染时土壤的含量，其影响面积分别为20km2、14km2、24km2。通过土壤中重金属元素之间的相关性分析，判断重金属的来自附近铁矿、金矿集中开采所产生的“三废”, 建议采用土壤修复技术进行治理。

土壤重金属；土壤环境；分析评价；矿产资源开发

0 前言

北京市矿产资源丰富，金属矿山大小80余处，主要分布在密云水库上游潮白河流域内。矿产资源开发活动产生的废石尾矿、选矿废水、废弃浮尘通过雨水淋滤、污染灌溉、大气降尘会导致矿区周边土壤环境改变(廖海军，2007)，一方面影响土壤微生物、土壤动物和土壤表面的植物，进而影响生态系统的结构与功能；另一方面，矿山土壤重金属污染，会通过粮食、蔬菜等人体食物链，造成人体健康风险。最典型的例子，如镉污染造成的“疼痛病”和汞污染造成的“水俣病”。受污染土壤中重金属多为致癌或致突变性的毒重金属，如汞、铅、镉、砷、铬等，土壤一旦遭受重金属元素的污染很难去除，长期则会危害人群健康（黄兴星等，2012）。

1 流域概况

潮白河流域属暖温带半湿润季风大陆性气候区，主要特点是四季分明。流域属燕山山脉，西北高，东南低，海拔高度介于 150 ～1730m 之间，山脉延伸方向多与构造线方向吻合，呈北北东、北东、或近东西向。流域内潮河与白河，受流域总地势控制，干流以及主要支流如黑河、天河、汤河等均由西北流向东南，与山脉的走向垂直相交，潮河在古北口处拐向南，大小河流均汇入密云水库。

流域地貌主要受流水的侵蚀和堆积作用影响，地貌类型属山地地貌，根据绝对高度和相对高度可进一步划分为中山、低山、丘陵、及流水堆积地貌。各地貌间界限分明，阶梯明显。流域土壤分为三大类：棕壤，分布在海拔 700～800m 以上中山区；褐土，分布最广的土壤，主要分布在低山、丘陵区；潮土，分布于河谷一级阶地及高漫滩上。

图1 流域地质图Fig.1 Basin geological map

流域内各时代地层除华北地台上普遍缺失的震旦系、奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统、白垩系上统（部分）及第三系古新统外，从太古界的古老变质岩系直至第四系都有沉积（图1）。

流域内大地构造位置处于华北地台中部内蒙古地轴东段和燕山地台褶皱带上，构造错综复杂，各断裂构造间相互复合、交切构成复杂的断裂构造格架。主要褶皱有：四海向斜、云蒙山背形。东西向构造主要有赤城—长哨营—古北口—承德断裂及沙厂—墙子路断裂；南北向构造主要有丰宁—怀柔—采育断裂及黄花山—程各庄—上营断裂；流域内处于最主要、最突出地位的北东、北西向构造则主要有涿县—丰台—怀柔—白马关断裂、沿河城—南口—琉璃庙断裂、河防口—水峪断裂 、四干顶—葡萄园断裂、半城子断裂带以及四海向斜等。

流域内主要分为山区水文地质和平原区水文地质两种类型。山区地下水主要赋存于岩层裂隙、岩溶裂隙和孔隙中，其富水性不仅与含水层岩性有关，同时受地形地貌和地质构造所控制。平原区含水层岩性由砂卵、砾石、砂组成，蕴藏着较丰富的地下水。水文地质条件主要受河流冲积扇控制，具有明显的规律性。

图2 流域内化探异常分布图Fig.2 Abnormal distribution of the basin geochemical

流域内化探异常多分布于矿区或矿化点及下游水系沉积物中，某些异常可能并非原生异常，有可能是采矿、选矿产生的尾砂、废弃物经雨水淋滤或选矿废水、地表径流冲刷使得某些元素向下游迁移，并富集在水系沉积物中，长期不断富集，有可能引起土壤或沉积物中重金属和微量元素超标，使土壤遭受污染，某些异常的强弱可能反映沉积物污染程度（图2）。

流域前几年持续干旱，许多支流已经干涸，矿山废水直接汇入地表水的较少，大部分直接渗入附近地下，对地表水影响很小。近几年禁止用有毒有害化学药剂选矿，混汞、氰化物堆侵法选矿被严格禁止，许多矿山被关闭，如小梁金矿、西坨古金矿，故矿山废水的排放量大大减少。尽管如此，仍有许多闭坑、废弃的金矿选矿点未采取任何防污治污措施，含有大量有毒有害化学药剂的尾砂随意堆放，一旦降雨量增加，雨水集中，这些未经处理的尾矿中的有毒有害物质就会被水流挟带到下游河床甚至密云水库。由此可见，其潜在的污染可能性是存在的。

2 矿产资源开发对土壤重金属含量影响分析

通过对金属矿山附近潮白河流域内各支流及其汇入潮白河入口处，汇合后潮白河的上、中、下游各段，河流汇入密云水库的入口处，分别进行土壤取样和测试分析。主要针对土壤样品中的微量元素和重金属。

土壤和沉积物中重金属总量的研究可以揭示区域(流域)的重金属含量状况，潮河、白河流域内土壤和沉积物中重金属含量分析如表1所示。通过工作区背景值和国标土壤背景值的比较，排除高背景值导致的重金属污染。以国家标准中土壤中重金属元素含量背景值作参比，研究区内土壤、沉积物中重金属含量，可以用于分析重金属的污染程度。

从表1可以看出，汤河流域内土壤中重金属元素只有铅（Pb）的平均含量高于2倍以上，铜（Cu）、锌（Zn）和铬（Cr）平均含量高于背景值1倍左右，镉（Cd）和砷（As）均低于背景值（图3）。

图3 汤河流域土壤重金属含量分布（单位：mg/kg）Fig.3 Tang He River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution(Units: mg/kg)

表1 潮白河流域土壤重金属含量分布（单位：mg/kg）Tab.1 Chaobai River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution (Units: mg/kg)

琉璃河流域内土壤中重金属元素只有铜和铬高出背景值1倍左右，其他元素含量的平均值均低于背景值（图4）。

潮河流域内土壤中重金属元素的平均含量只有铅（Pb）高于背景值2倍和铬高于背景值1倍左右，其他重金属元素的平均含量均低于背景值（图5）。

研究土壤中重金属元素之间的相关性可以推测重金属可能的来源，若重金属含量有显著的相关性，说明可能存在相同的来源，否则来源不同，目前在研究环境影响方面得到了广泛地应用，阐明识别了共同潜在过程的变量之间的相关性。

图4 琉璃河流域土壤重金属含量分布（单位：mg/kg）Fig.4 Liu Li He River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution(Units: mg/kg)

图5 潮河流域土壤重金属含量分布（单位：mg/kg）Fig.5 Chao He River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution (Units: mg/kg)

根据测试初步成果，进行相关性分析如下：汤河流域Cu与Cr、Zn呈现显著正相关性（＜0.05水平），Pb与Zn、Cd呈现极显著正相关性（＜0.1水平），说明重金属元素可能有相同的污染源，而As与其他元素相关性较弱，说明可能与其他重金属污染源不同。琉璃河流域Cu与Pb、Zn、Cd、Cr均呈现极显著正相关性（＜0.1水平），说明重金属元素有相同的污染源，而As仅与Pb、Zn元素呈现显著正相关性（＜0.05水平），说明可能与其他重金属污染源不同。潮河流域Cu与Zn、Cd呈现极显著正相关性（＜0.1水平），Pb与Cd、As呈现极显著正相关性（＜0.1水平），说明重金属元素有相同的污染源，As与Cu、Cr元素呈现显著负相关性，说明可能有相同的人为或自然污染源。

根据土壤中重金属元素富集程度和土壤染污程度对潮白河土壤污染现状进行评价，其中土壤污染评价采用单种元素的地累积指数污染评价和区域多元素的污染负荷指数评价等方法（滕彦国等， 2002；徐争启等， 2004；徐燕等， 2008；王显炜等，2009），同时结合地理信息系统(GIS) 强大的空间分析功能(如空间叠置分析和空间插值分析等) （阳文锐等， 2007；刘衍君等，2009）。其中分析成果可知，汤河流域土壤重金属污染程度主要为中度污染，污染面积约为20km2，主要为金矿开采区；琉璃河流域土壤重金属污染程度主要为中度污染，污染面积约为14km2，主要位于琉璃河中、下游流域铁矿开采区；潮河流域土壤重金属污染程度主要为中度污染；污染面积约为24km2，主要位于潮河支流牤牛河上游流域金矿集中开采区（图6）。

图6 潮白河流域土壤重金属污染指数评价图Fig.6 Chaobai River Basin Soil Heavy Metal Pollution Index Assessment

3 结论

分析密云水库上游潮白河流域内矿山周边土壤和沉积物中重金属含量，得出：汤河流域内土壤中铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和铬（Cr）含量较高；琉璃河流域内土壤中铜（Cu）和铬（Cr）含量较高；潮河流域内土壤中铅（Pb）和铬（Cr）含量较高。单元素的地累积指数和区域多元素的污染负荷指数评价得出：汤河流域中部、琉璃河流域中下游一带、潮河支流牤牛河上游流域土壤重金属含量均达到国标中划定的中度污染程度，其影响面积分别为20km2、14km2、24km2。土壤中重金属元素之间的相关性分析得出重金属来自附近铁矿、金矿集中开采所产生的“三废”，通过雨水淋滤、污染灌溉、大气降尘使得矿山周边土壤中的重金属含量增加；重金属在土壤中不被微生物降解，随着时间的推移不断累积，最终达到污染的程度。建议结合北京生态涵养区的特征，选取一些超积累植物，对汤河流域、琉璃河流域、潮河流域土壤重金属含量达到中度污染程度的地区开展植物修复技术的应用研究。

滕彦国，庹先国，2002. 应用地质累积指数评价攀枝花地区土壤重金属污染[J]. 重庆环境科学，24(4)：25-27，31.

徐争启，倪师军，张成江，等，2004. 应用污染负荷指数法评价攀枝花地区金沙江水系沉积物中的重金属[J]. 四川环境，23(3)：64-67.

廖海军，2007. 北京市密云水库上游土壤重金属污染调查评价[J]. 城市地质，2(3)：31-34.

阳文锐，王如松，黄锦楼，等，2007. 反距离加权插值法在污染场地评价中的应用[J]. 应用生态学报，18(9)：2013-2018.

徐燕，李淑芹，郭书海，等，2008. 土壤重金属污染评价方法的比较[J]. 安徽农业科学，36(11)：4615-4617.

刘衍君，汤庆新，张保华，等，2009. 基于ArcGIS的聊城市耕地土壤重金属污染现状与评价[J]. 山东农业大学学报，40(4)：567-571.

王显炜，徐友宁，杨敏，等，2009. 国内外矿山土壤重金属污染风险评价方法综述[J]. 中国矿业，18(10)：54-56.

黄兴星，朱先芳，唐磊，等，2012. 北京市密云水库上游金铁矿区土壤重金属污染特征及对比研究[J]. 环境科学学报，32(6)：1520-1528.

Inf l uence of Metal Mineral resources Development to Soil Heavy Metal Content in the Upperstream Watershed of Miyun Reservoir, Beijing

YAN Guangxin1, LIU Shihai2, DING Xia1, HAN Juanjuan1, HUANG Penghui1

(1. Beijing Geological Engineering Design Institute, Beijing 101500; 2.Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Through testing and analyzing heavy metals in soil, from the upper reaches of Miyun Reservoir in Chaobai River basin, it has got the conclusions： the lead (Pb), copper (Cu), zinc (Zn), chromium (Cr) contents are higher than those in the Tanghe River basin; the copper (Cu), chromium (Cr) contents are higher than those in Liuli River basin; the lead (Pb) and chromium (Cr) contents are higher than those in the Chaohe River basin. According to the single-element accumulation index and regional multi-element pollution load index methods to evaluate the effect of heavy metal content in the soil, it concludes that： heavy metal concentrations in soil around the middle area of Tanghe River basin, middle and lower reaches of Liuli River basin, upper reaches of Mangniu River basin which belong to Chaohe River basin, reached moderate pollution degree stated in the national standard, which inf l uence areas are 20km², 14km² and 24km² respectively. By analyzing the correlation of the heavy metal elements in soil, it infers that the heavy metals are originated from "three wastes" produced by the nearby iron mines and gold mines. It should adopt the soil - remediation techniques.

Soil heavy metals; soil environment; Analysis and evaluation; Mineral Resources development

X825

A

1007-1903（2017）01-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.011

潮白河流域矿产资源开发水土环境影响调查评价（12120114032501）

闫广新（1968- ），男，高工，主要从事水文地质、环境地质研究工作。E-mail：yanguangxin101@sina.com