关于冀北地区矿山重金属污染现状及评价方法研究

郭学辉，张建强，刘 卫，谢 厦，苏宏建，刘志军，孙秀国

(华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000)

冀北地区矿产资源种类繁多、分布广泛、共伴生情况复杂，富集的矿产资源开发给很多地区带来了硕大的经济价值。同时由于非科学化的开采和部分地区的乱采乱挖等方式，造成了很多地区一系列的生态环境和居民食品安全问题。矿山开采、选矿和冶炼等活动所产生的废水、废气、废渣是造成矿区及其周围生态环境逐步恶化的主要原因，未经处置的尾矿、采矿废石长期暴露在空气中，在水和氧气的氧化作用下产生大量酸性矿山废水，废水中的重金属通过地表径流汇入地表水和渗入周围的土壤和地下水系统，对周围土壤(特别是农田)和水体(特别是涵养区)造成严重的污染，从而间接对动植物和人类生存环境产生严重威胁[1]。

1 冀北地区矿山重金属污染现状研究

2018年5月～2019年12月，按照河北省重点研发项目《有色金属采矿矿山重金属环境污染控制技术集成与应用研究》的有关计划要求，通过各类矿山资料的搜集与整理，并且有针对性的对各种矿山类型的在产矿山、停产矿山和已关停老矿山各生产单元及周围农田共计5家进行了样品采集与分析测试工作。

依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中的筛选值Si和管制值Gi，基于表层土壤中镉、汞、砷、铅、铬的含量Ci，评价农用地土壤污染的风险，并将其土壤环境质量类别分为3类:Ⅰ类(Ci≤Si农用地土壤污染风险低，可忽略，应划为优先保护类)；Ⅱ类(SiGi,农用地土壤存在较高污染风险，应划为严格管控类)。

依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018 )中的筛选值Si，基于表层土壤中铜、镍、锌的含量Ci，评价农用地土壤污染的风险，并将其土壤环境质量类别分为2类：Ⅰ类(Ci≤Si农用地土壤污染风险低，可忽略，应划为优先保护类)；Ⅱ类(Si

各个单元单因子土壤污染风险评价等级分类，详见表1。

表1 各个单元单因子土壤污染风险评价及环境质量分类

1)有色金属矿山开采区、矿石运输道路周边、矿石选矿区、矿石冶炼区、尾矿堆放区以及尾矿库都产生了一系列污染问题，其中矿山开采区、尾矿堆放区以及尾矿库产生的污染最为严重(见图1)，部分蚀变岩型有色金属矿床开采区也极易对周围土壤及地下水造成污染(见图2)。

通过分析结果对冀北地区重金属污染研究分析可知：

图1 老矿山尾矿库与尾矿堆放区

图2 有色金属开采区

冀北很多重金属矿山从解放初期开始开采，到近十几年储量减少而停产，但遗留多个开采区矿洞，进入丰水期雨水增多，矿洞中积水也随之增多，矿洞内重金属等污染物随积水顺着坑口向外流出，对河流等地表水体及周围农用地土壤造成不同程度污染。同时采矿剩余品位低的矿石随意堆放，直接裸露地表，雨水冲刷直接汇入沟谷河流，致使村民饮水困难。

2)冀北地区矿产资源种类繁多、分布广泛、共伴生情况复杂，重金属污染元素种类多，多数有色金属矿山大都含有镉、铅、铬、铜、镍、锌、汞、砷等多种污染因子，重金属的形态各不相同，并且相互之间通过复杂的化学等作用产生复合性质的污染。

3)冀北地区多数有色金属矿山选矿要用到化学药剂，尤其是浮选重金属矿山，多数会叠加选矿残留药剂的污染，多常见氰化物、氯化物、有机絮凝剂、硫化物和表面活性剂等。尾矿受到温度、降雨以及残留物间的化学作用等，会产生有害有毒液体、酸性水等，加剧重金属向周围水体和土壤迁移[2]。

4)重金属污染往往具隐蔽性、长期性、累积性等特点，通过食物链在人体中缓慢累积，特别是开采历史较久的矿山，污染相对比较严重。前些年矿山停产后人们对闭坑矿山环境修复不到位，造成很多的历史遗留问题，如1998年，西班牙西南部Aznalcollar黄铁矿山有毒物质发生泄漏，富重金属尾矿污泥和酸性矿山废水污染了Arrio和Guadiamar河谷大约40 km2的地区；2002年Guadiamar河沿岸发现有毒尾矿的残留物[3]。

5)重金属的污染具有不可逆性，很难将通过土壤自身的净化作用消除，微生物也难以将其降解，有时只得通过客土、有机淋洗等方法消耗大的成本去修复治理，而且往往治理周期较长，多数修复方法也往往会产生二次污染，因此成本高和治理周期长[4]。

2 冀北地区矿山重金属污染评价方法筛选

研究矿山开采区、老矿山尾矿库与尾矿堆放区中重金属离子的淋滤释放规律、扩散迁移途径和沉淀机理对重金属污染的形成机制，才能形成完善的污染治理方法和措施，所以对重金属污染评价尤为为重要。

目前常用的评价方法有内梅罗综合污染指数法、地积累指数法、潜在生态危害指数法、回归过量分析法、污染负荷指数法，现就各种指数方法对本研究区的适应性进行分析。

2.1 内梅罗综合污染指数法

综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用，研究区各个单元土壤内梅罗综合污染指数法污染风险评价等级见表2。综合污染指数计算方法见式(1)。

(1)

表2 各个单元土壤内梅罗综合污染指数法污染风险评价

续表2

2.2 地积累指数法

地积累指数法是德国科学家Muller提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标，近几年也开始被人们用于土壤中元素的污染评价，研究区各个单元土壤地积累指数法污染风险评价等级见表3。其计算公式为Igeo=log2[Cn/(K×B)]，式中，Cn为样品中元素的实测浓度；B为土壤中相应元素的背景值；K为修正指数，一般取值为1.5。根据调查，将矿山背景值的平均值作为各个元素污染评价计算的背景值：Cr(21)、Ni(12)、Zn(41)、Cu(16)、Cd(0.08)、Pb(26)、As(3.6)、Hg(0.04)。

表3 各个单元土壤地积累指数法污染风险评价

2.3 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hakanson提出，这是根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出来的, 对土壤或沉积物中土壤重金属污染进行评价的方法。该法不仅考虑土壤重金属含量，而且综合考虑了多元素协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素，因此在环境风险评价中得到了广泛应用。重金属污染潜在生态危害指标与分级关系见表4，研究区风险评估见表5。潜在生态危害指数法的表达式如下。

(2)

(3)

(4)

针对各项重金属的的毒性响应系数计算，本次依据联合国粮农组织等重金属有机物毒理学安全评价与沉积学系数相结合确定了研究区的重金属毒理系数：Hg(40)、Cd(30)、As(20)、Pb(15)、Cr(10)、Ni(5)、Cu(3)、Zn(1)。

表4 重金属污染潜在生态危害指标与分级关系

表5 各个单元土壤潜在生态危害指数污染风险评价

2.4 回归过量分析法

冀北地区矿山及周围土壤多以坡耕地为主，难以确定相应的重金属与土壤之间稳定参数，故回归过量分析法对于研究区重金属的污染评价不适应，不再进行相应的数据对比。

2.5 污染负荷指数法

污染负荷指数法类同地积累指数法，但污染负荷指数法缺少相应的修正指数，在此不再进行相应的数据统计对比。

2.6 评价方法的研究确定

通过表2～5相关研究数据可知：回归过量分析法的相关稳定参数难以确定，污染负荷指数法类同地积累指数法，故首先排除这两种评价方法；内梅罗综合污染指数法缺少对单子因子风险程度的评价，地积累指数法缺少对多项污染因子的综合评价，故这两种评价方法只根据实际情况作为参照对比使用；潜在生态危害指数法不仅考虑土壤重金属单因子的影响评价，而且考虑了多污染因子的协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素的综合评价，适合本次研究冀北地区的重金属污染评价。

3 结 论

冀北地区从改革开放以来，富集的矿产资源开发给很多地区带来了硕大的经济价值，同时也对冀北很多地区带来了隐蔽的重金属污染问题。

1)冀北地区的矿山重金属污染应综合考虑该区域的元素背景值，以及在不同环境介质中的赋存形态，加大相关元素迁移规律的研究，客观而准确地判断污染因子的来源。

2)加强冀北地区矿山重金属污染因子在矿石—土壤—水体—植物生态系统中的小循环演化的研究，同时也应该加大矿山水文地质条件资料的搜集和研究，阐明各类矿山环境重金属污染因子的特征，客观的去评价相应的矿山污染问题。

3)潜在生态危害指数法对研究冀北地区重金属污染较为适用，但同时也要在深入研究的同时不断完善创新评价体系。