潘一矿煤矸石充填复垦区重金属分布特征及污染程度评价

李思清 郑 恒 牛玉亭 郭方磊 黄裕涛 刘少敏

（1.淮南矿业集团煤业公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学地球与环境工程系，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤矸石是采煤排放的固体废弃物[1]，一般情况下，如果不合理处置，煤矸石会在煤井口周围堆积，随着矸石堆高度的增加而形成矸石丘。堆放起来的煤矸石山在雨水淋溶作用下易析出重金属元素，对周围土壤、水域造成污染，析出的重金属元素不仅会影响周围农作物生长，也会通过食物链逐级富集，危害生态环境中动植物健康，另外煤矸石自燃也会对大气造成影响[2]。近年来煤矸石被用作采煤塌陷区的填充物[3]，然后覆土种植作物进行修复，因此研究煤矸石中析出的重金属在周围土壤中分布规律以及重金属对土壤的污染程度具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

潘一矿复垦区位于淮南市潘集区，该地区属于季风暖温带半湿润气候，常年主导风向为东南风，年平均气温为15℃。潘一矿曾是我国自行设计，自行施工，选用设备较为先进的大型矿井，于1983年12月26日建成投产。潘一矿资源赋存丰富，井田东西走向长14.6 km，南北倾斜宽4 km，井田面积58.4 km2，可采储量4.13亿t。潘一矿经长期开采，土壤肥份流失，理化性质失衡，地面逐渐沉陷，沉陷地面积约为37.96hm2。2005年开始，相关单位对潘一矿进行表土剥离，再用煤矸石进行填充，最后覆土进行修复，帮助矿区恢复生产。

1.2 样品采集与处理

图1为淮南潘一矿煤矸石山附近土壤采样点图，由于该地区常年主导风向为东南风，所以在该煤矸石山下风向即西北侧一块区域布置2条采样线。图中采样点1，2，3，4，5构成第一条采样线，采样点6，7，8，9，10构成第二条采样线。同一条采样线中每个采样点间隔5m，利用对角线采样法，在选取的采样点布设一个正方形，在正方形4个角以及中心点取5个土样，然后将这5个土样放在一起充分混合均匀，当作该采样点样品。将所有土壤样品封装并标号，运回实验室后去除杂草、石块，用四分法去除多余土样并保留500g土样，将这些土样放在A3纸上自然风干，风干后捣碎、研磨成粉末状，分别过100目、200目筛网，最后检测土壤重金属含量。

图1 潘一复垦区采样点图

2 重金属含量及分布特征

2.1 重金属含量

潘一矿煤矸石山附近土壤重金属元素的含量如表1所示。

表1 潘一矿煤矸石山土壤重金属含量（单位：mg/kg）

通过ICP-MS检测土壤中重金属含量，所有样品均检测出8种元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg，因此这8种重金属元素检出率均为100%。

从表1潘一矿煤矸石山附近土壤重金属含量数据分析，将表1各重金属含量平均值和背景值进行对比，可以看出7种重金属元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As均略微超过淮南背景值，说明潘一矿矸石山附近土壤受到Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As轻微污染。其中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As浓度的平均值分别是淮南背景值的1.32倍、1.11倍、1.82倍、1.078倍、1.084倍、1.05倍和1.43倍，潘一矿煤矸石山附近土壤受重金属污染程度由高到低依次为Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni。Hg元素含量平均值未超过背景值，但是其最大值超过背景值，说明矸石山附近土壤局部受到Hg污染，这种情况可能是因为有其他的Hg污染源。

该矸石山附近土壤中Cu、Pb、Zn、Cr标准差较大，说明4种金属Cu、Pb、Zn、Cr含量沿采样线差距较大，可能是因为这4种金属横向迁移不明显，其在矸石山附近土壤富集，而在距矸石山较远处土壤含量较少，也有可能是其他污染源的影响。Cd、Ni、As、Hg标准差较小，说明这四重金属沿采样线分布较为均匀，横向迁移较为明显。

2.2 重金属分布特征

图2为8种重金属元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg在2条采样线上的分布特征。

从2条不同的采样线中8种重金属元素浓度的分布特征来看，其变化趋势相对一致，说明矸石山附近土壤的重金属浓度受人为误差因素的影响可忽略不计。但是总体上看来采样线1的重金属元素含量普遍比采样线2的重金属元素含量高，这是由于矿区常年主导风向为东南风，导致风化的煤矸石在风力作用下在该采样线上富集较为严重，风向也会导致雨水在采样线1上形成较大的地表径流，从而加重重金属富集。从图中可以看出，2条采样线上6种元素Cu、Pb、Cd、Zn、Ni、As在土壤中的含量总体上随着与矸石山距离的增加而减少，但Cu、Pb、Cd、Zn、As的含量在20m处增大，Ni的含量在15m处最大，这可能与研究区域15m~20m处的地势有关，该处地势较低，易于汇集雨水导致重金属富集；而Cr、Hg含量先增大后减少，在20m处含量最大，这可能是因为在该片区域除煤矸石山以外，还存在其他污染源，也有可能是地势原因或者煤矸石风化后随大气迁移造成的[4-5]。从图2可以看出，8种重金属含量在距离煤矸石山25m处的浓度大体上是最低的，说明距离煤矸石山较远处重金属的含量较低，重金属对附近农田的污染也较低；在煤矸石山脚即5m处下浓度大体是最高的，说明距离煤矸石山较近处含量较高，需要重点关注该区域的复垦修复工作。

图2 潘一矿复垦区重金属分布特征

3 污染程度评价

3.1 单因子指数法

单因子指数法计算公式：

式中：I为土壤中单项污染指数，Ci为某一金属检测值，C0为该金属当地背景值[6]。

单因子指数法可以用来评价单一金属对土壤的污染程度，进而找出土壤中主要污染元素。单因子指数法将单一金属元素污染分为未污染、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染5个级别。

单因子指数法污染程度分级标准如表2所示。

表2 单因子指数法污染程度分级

3.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法的计算如公式（1）~公式（3）所示。

潜在生态风险指数法是由瑞典科学家Hakanson提出的考虑多种重金属元素协同作用对土壤污染程度的评价方法[7]，用该方法可以找出土壤中潜在生态风险因子，也可以评价研究区域土壤多种重金属综合污染程度，其潜在生态风险因子分为轻度、中度、重度、严重和极其严重五个级别，多金属综合污染依据潜在生态风险指数不同分为轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染4个级别。

潜在生态风险指数污染程度分级标准如表3所示。淮南土壤重金属背景值以及不同重金属生物毒性系数如表4所示。

表3 潜在生态风险指数分级

表4 淮南土壤金属背景值及各金属生物毒性系数

3.3 评价结果

评价结果如下：1）根据各采样点重金属含量和单因子指数法计算出不同重金属单项污染指数，并绘制箱线图如图3所示，既可以看出各重金属单项污染指数均值，也可以反应数据异常值和偏态。

图3 金属元素的单项污染指数

由图3可以看出，单项污染指数均值Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni>Hg，表明Cd为主要污染元素。其中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As单项污染指数平均值都为1＜I＜2，属于轻度污染；Hg单项污染指数I＜1，未对土壤造成污染。由图中可以看出，Cd、As存在异常值，偏离均值较大，说明Cd和As在该点富集较严重，可能与其他污染源有关。Zn、Cr、Ni单项污染指数偏离均值较小，说明Zn、Cr、Ni在土壤中分布较均匀，基本符合重金属在土壤中的迁移规律。

2）根据表4所给淮南土壤重金属背景值、金属生物毒性系数以及潜在生态风险指数法计算出各金属的污染系数Cif、潜在生态风险因子Eir和潜在生态风险指数RI，计算结果如表5所示。

表5 潘一复垦区重金属风险等级评价

由表5可见，潘一矿煤矸石山西北侧土壤中各重金属污染系数Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni>Hg。由Eir行可以看出，该矸石山附近土壤中各重金属RI贡献值由大到小为Cd>Hg>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，表明该区域土壤主要污染元素为Cd，与前文一致。

潜在生态风险指数表明了土壤中8种重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg的综合污染程度和对该地区生物的潜在风险程度，由表5可知，潘一矿煤矸石山附近土壤潜在生态风险指数RI=113.908＜150，根据表3污染级别划分，说明该矸石山西北区域的土壤存在轻度潜在生态风险。

4 结论

潘一矿复垦区煤矸石山附近土壤重金属随着距离矸石山越近含量越高，距离越远含量越低，表明矸石山在雨水淋溶作用下析出的重金属符合横向淋溶规律[8]，因此需要加强对矸石山脚附近重金属的监测与修复；土壤重金属含量在距矸石山某一距离突然升高，可能是因为地势低洼导致金属富集，也有可能因为煤矸石风化随着大气流动在该处富集[9]。

潘一矿复垦区煤矸石山附近土壤主要污染金属元素为Cd、As，并且Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As均为轻度污染，Hg未对土壤造成污染；研究区域多种重金属潜在生态风险指数RI＜150，表明矸石山附近土壤重金属污染为轻度污染。