北京某金矿区土壤重金属污染特征及风险评价

2021-12-11韩娟娟吴大鹏

城市地质 2021年4期

韩娟娟，吴大鹏，张涛

（北京市地质工程设计研究院，北京 101500）

金属矿产在开采、冶炼、运输等过程中废气、废水的排放及固体废物的堆放都会造成周围环境重金属污染。环境中的重金属污染达到一定程度，可通过饮用水和食物进入人体，严重危害我们的健康。近些年研究者对矿区重金属污染开展了一系列的研究，周艳等（2018）通过多元分析及潜在生态风险指数法对西南某铅锌矿农田土壤重金属进行分析评价，指出农田土壤Cd、Pb、Zn污染严重；赵云峰等（2020）通过测定某铁尾矿库周边土壤中4种重金属元素（Cu、Cr、Pb、Cd）的含量及其形态特征，采用地累积指数法和次生相与原生相比值法（RSP法）研究重金属污染程度，指出研究区重金属元素污染风险大小的顺序为Cd＞Pb＞Cu＞Cr；平谷万庄金矿由于长期的开采与冶炼造成周围土壤重金属污染，姚世厅等（2018）通过分析万庄金矿区土壤中表层及垂向上的重金属分布特征，采用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数及污染负荷指数方法对矿区的污染程度进行评价，指出该区重金属污染属中等污染程度；王威等（2019）采用ArcGIS反距离权重插值数学模型和SPSS多元统计方法综合研究了土壤重金属空间分布及污染特征，结果表明研究区域的土壤重金属存在不同程度的污染风险。上述研究中，北京地区土壤污染评价基本选用北京市土壤背景值作为评价标准，评价方法较多但适用性不强。此次研究土壤背景值选取杨全合等（2013）平谷地质背景研究论文中的背景值，风险评价执行GB 15618－2018《土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准》。通过野外样品采集、实验室化验分析、SPSS多元统计方法、土壤重金属含量空间分布及极值点分析，研究北京某金矿区土壤重金属污染特征并对重金属污染风险进行评价，揭示了研究区土壤重金属污染类型、污染风险、污染来源及污染物迁移途径。

1 材料与方法

1.1 概况

研究区位于平谷西部低山区，属刘家店镇孔城峪村。此矿开采历史悠久，相传自唐代开采，解放后先后由平谷县矿务局、市冶金局以及县办企业等多个部门开采，采矿方式为地下开采（姚世厅等，2018）。此矿已停采多年，附近另有2个金矿尾矿库，用于堆放氰化物冶炼后的尾矿，金矿开采区东部原有一小型选矿厂，位置分布见图1。该金矿矿床成因属在热液成矿期，生成中低温热液充填交代型金矿床，在表生成矿期，由于风化作用，改造了热液矿床形成铁帽型金矿床（北京市地质工程设计研究院，2010），矿区范围内共发现8条矿体，集中分布于F3断裂以东，关上-万庄倾伏背斜轴以西1.92 km2范围内，见图1（陈大经等，1998）。

图1 研究区地质图Fig. 1 Geological map of the study area

研究区位于燕山山脉中段南侧边缘与潮白河、沟河冲—洪积平原衔接地带，除刘家店属川口平地外，四周皆山，金矿开采区海拔约230 m，平原区海拔约70 m。区内山坡坡度相对较平缓，一般为20°～40°，局部达45°以上。沟谷较发育，孔城峪村北山有4条近南北向沟谷，由于多年采矿活动地形切割较强，沟谷狭窄，地形地貌破坏严重。沿金矿开采区下游村庄向东至1号尾矿库地势逐渐降低，1号尾矿库至东北方向村庄海拔逐渐降低。

1.2 样品采集与分析

利用奥维地图在研究区内划分200 m×200 m网格，沿采矿点下游区域每个网格中布设一个样品采集点，共布设144个采样点。利用手持GPS及奥维地图的导航功能，在指定点位进行样品采集。表层土壤样品的采样深度为0～20 cm。采样时需去除表面杂物，在采样点附近50 m范围内选取3～5处不同位置进行样品采集，弃去动、植物残留体、砾石等，将不同位置采集的样品进行混合，混合后的样品作为代表该采样点土壤特性的样品，将混合样品装入样品袋，并进行编号，土壤样品原始重量大于1000 g。采集的样品要防止玷污，并及时送至实验室。

土壤重金属测试由具有专业测试资质的机构完成，测试元素为As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn共8种。依据国家标准，主要采用石墨炉原子吸收分光光度法、冷原子吸收法、二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法、火焰原子吸收分光光度法、石墨炉原子吸收分光光度法等测试方法完成重金属元素含量分析。

1.3 多元统计分析

使用SPSS 19.0的多元统计方法，对各重金属元素的极值、标准差、均值、超标率进行统计分析，了解重金属污染现状及空间分布情况。运用相关性及主成分分析衡量各重金属元素的相关密切程度，并初步推测重金属来源。

1.4 土壤重金属空间分布与风险评价

依据平谷地区背景值及GB 15618－2018《土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准》，土壤采样点的地类为其他，重金属元素含量按pH＞7.5相对应的风险筛选值和管制值进行分类。利用ArcGIS的空间展示功能，分别将Cr、Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn、Ni等8种重金属含量依次按照背景值、筛选值、管制值在图上进行分类展示，评价污染风险。

2 结果与分析

2.1 重金属含量特征

研究区144个表层土壤样品重金属含量统计结果见表1。除Hg与Cr超标率相对较低外，其余大部分元素含量均超过背景值。平均值超过背景值倍数较高的元素依次为Pb、As、Cd，超标倍数分别为25.48、20.13、15.48，表明该3种元素污染较重；Cu、Hg、Zn平均值超过背景值2～3倍多，表明该区域存在一定的Cu、Hg及Zn污染。Cr、Ni均值接近背景值，表明该区域Cr、Ni基本无污染。标准差反应重金属分布均匀程度，由表1可看出，该区域Pb、Zn、As含量极不均匀，Cu分布不均匀，Hg、Cd、Ni、Cr分布较均匀。

表1 研究区表层土壤重金属含量描述性统计Tab. 1 Descriptive statistics of heavy metals concentration in the surface soil of study area

综合分析可知，该区域存在不同程度的Pb、As污染且局部污染较重，普遍存在较重的Cd污染，局部存在较轻的Zn、Cu污染，轻微Hg污染，Ni、Cr无污染。

2.2 重金属含量相关性及主成分分析

对重金属元素含量进行相关性分析，作为推断重金属来源的重要依据，结果见表2。若元素之间存在显著或较显著的相关性，表明元素间具有同源关系或存在复合污染。经相关性分析，As、Cu、Pb、Cd、Zn两两之间存在极显著正相关关系（P＜0.01），且相关系数均大于0.687，说明这5种元素极有可能存在同源关系和复合污染的可能。Hg与As、Cu、Pb、Cd、Zn，存在显著正相关性，推测Hg与这5种元素可能具有同源性。Cr与Ni相关性较高，且相关系数为0.742，推断Cr与Ni具有相同来源。

表2 研究区土壤重金属元素相关性分析Tab. 2 Correlation of soil heavy metals contents in study area

土壤重金属主要来源于成土母质与人类活动，通过主成分分析可以有效地判断土壤重金属来源。通过上述相关性分析发现大部分重金属元素之间存在显著相关性，且Bartlett球形度检验相伴概率为0.000，小于显著水平0.005，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）检验统计值为0.680，表明该样本适合做相关性分析。主成分分析结果详见表3，根据特征值大于1原则筛选出2个主成分，共解释了79.892%的原有信息，说明对前2个主成分进行分析即可得到8种重金属元素含量数据的大部分信息。

表3 研究区土壤重金属含量主成分分析Tab. 3 Principal component analysis of soil heavy metals contents in study area

第一主成分（F1）贡献率为60.24%，在Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn含量上载荷较高，主要反映了Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn的富集信息。结合之前统计分析，这6种元素均存在不同程度的污染，其中As、Pb、Cd超背景值高达25.48、20.13、15.48倍。且这6种元素两两之间存在极显著相关性，判断这6种元素可能来自于同一污染源。有研究表明该区金矿石的主要矿物成分为褐铁矿、黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、闪锌矿等，分析推断研究区的金矿开采及冶炼产生的废渣、废水及尾矿是这6种重金属的主要来源。判断第一主成分代表了矿山开采及冶炼来源。

第二主成分（F2）贡献率为19.66%，在Cr与Ni含量上载荷较高，主要反映了Cr与Ni的富集信息。这2种元素具有极显著的相关性，判断这2种元素具有同源性。结合之前统计分析，这2种元素与背景值相差不大，判断第二主成分为自然源。

2.3 重金属空间分布与风险评价

研究区表层土壤样品中重金属含量超管制值的个数为75，超标率52.08%，其中超筛选值样品个数为35，超标率24.31%。通过各重金属元素含量的超标统计可知，As、Cu、Pb、Cd、Zn等5种元素含量均存在不同程度的超标，其中As元素超标率最高，详见表4。结合8种重金属含量空间分布图，详见图2，可得出As在金矿开采点及尾矿库附近含量较高，大部分点位超过筛选值，甚至超过管制值，土壤污染风险较高；Cd与Pb含量分布相似，在金矿开采点、选矿厂及尾矿库附近含量较高，大部分点位超过筛选值，少数点位超过管制值，存在一定的土壤污染风险；Cu、Zn含量分布相似，在金矿开采点、选矿厂及尾矿库附近含量较高，部分点位超过筛选值，存在一定的土壤污染风险；Cr、Ni、Hg均无超过筛选值的点，土壤污染风险较低，一般情况下可忽略不计。

表4 研究区表层土壤重金属含量超标统计Tab. 4 Analysis of over standard rate of heavy metals concentration in the surface soil of study area

图2 土壤重金属含量空间分布图Fig. 2 Spatial distribution of soil heavy metals contents

土壤重金属污染主要分布在金矿开采区、尾矿库、选矿厂及下游约1.5 km范围内，且污染风险较高，污染元素为As、Cd、Pb、Cu、Zn，其中As污染最严重，Cd、Pb次之，Cu、Zn污染较轻。其他区域污染风险较低，且该区域Cr、Ni、Hg基本无污染。

采集的土壤样品中，Zn、Pb、Cd、Cu等4种重金属含量的极大值点出现在万庄金矿开采区内，As、Ni、Cr重金属含量的极大值点出现在磕头沟尾矿库下游500 m范围内，Hg含量的极大值点出现在选矿厂附近400 m处。Cr含量的极小值点出现在金矿开采区上游400 m处，Hg、Cd含量极小值点出现在磕头沟尾矿库上游200 m处，Ni含量极小值点出现在选矿厂上游500 m处，As、Cu、Zn、Pb含量极小值点出现在选矿厂下游1.5 km范围内。土壤重金属元素含量极大值点均出现在金矿开采点、尾矿库及选矿厂附近及下游500 m范围内，极小值点出现在金矿开采点、尾矿库、选矿厂上游或下游1.2～1.5 km范围内，详见图3。推断土壤重金属的主要迁移途径为，金矿开采区、尾矿库及选矿厂的废渣和尾矿析出的重金属，通过废渣及尾矿堆的孔隙下渗进入底垫土壤，在地表径流的作用下向下游土壤环境中迁移。