永定矿区典型煤矿土壤重金属污染特征研究

2021-12-21林臻桢

能源环境保护 2021年6期

林臻桢

(福建省华厦能源设计研究院有限公司，福建福州 350001)

0 引言

目前，针对土壤重金属污染机理及迁移转化特征[1-3]、受污染土壤的评价[4-8]、土壤污染修复治理[9-13]等方面的研究工作已大量开展，煤矿开采产生大量废水、粉尘、煤矸石等废渣未经处理外排，对土壤中重金属的迁移和富集产生直接或间接的影响[14-15]，进而影响到人体健康安全，因此有必要对矿区土壤的重金属污染程度进行评价。

龙岩是福建最大的产煤市，其煤炭产量和储量占福建的一半以上，其中龙岩新罗区、永定区是中国第一批重点产煤县，开采历史悠久。永定区位于福建省西南部，已探明矿物有45种，资源储量的矿产地85处。根据《龙岩市永定区矿产资源总体规划(2016-2020年)》，2015年永定区共设置采矿权115个，其中煤炭矿山46个，永定区煤矿重点开采区主要分布在永定区东北侧的六个乡镇包括高陂镇、虎岗乡、培丰镇、坎市镇、抚市镇和龙潭镇。因此，本研究于2017年选取永定区3个煤矿为主要调查对象，对矿区土壤重金属的污染程度、水平分布和潜在生态风险等进行分析探讨，明确该开采区土壤重金属污染的状况和分布特征，为土壤资源的管理和持续利用提供科学依据。

1 研究区域概况

龙岩永定区东南部的土壤类型发育较齐全，共有6个土类，14个亚类，52个土属。土壤中壤土占89.68%，其他砂土、砂壤土、粘壤土占10.32%，耕层比较薄，大多数在15～20 cm之间，有机质含量在2%以上的占90.9%。

本次研究根据矿区开采规模、年限、地理位置，选择3个典型煤矿(详见图1)：东中煤矿1958年开采，开采规模为300 000 t/a，位于永定区煤炭重点开采区的东部，开采深度800～-250 m标高，矿区面积8.653 0 km2；丰田煤矿1993年开采，开采规模为60 000 t/a，位于永定区煤炭重点开采区的中部，矿区面积1.925 km2，开采深度0～-600 m标高；新在坑煤矿2012年开采，开采规模为90 000 t/a，矿区面积3.951 1 km2，开采深度0～-650 m标高，位于永定区煤炭重点开采区的北部。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Geographical location map of the study area

2 材料与方法

2.1 样品采集与制备

样品采集方法主要依据以下原则：原煤样品的采集由生产矿井内不同开采煤层取多个等量的小份合并制成混合样，每个煤矿采集一个原煤样品，采用涂蜡法封存；结合《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)中土壤样品采集布点原则和矿区所处的地理位置，考虑自然地理特征、研究区植被、矿界范围、矿山作业活动区，采取分块随机法进行调查，矿区主要分为上游林地、下游林地、作业区、生活区四个区域，每个采样单元按照梅花形布点法布设5个采样点，用取样器采集表层土壤(0～20 cm)各1 kg左右，混匀后用四分法取1 kg土壤作为该点的混合样，贴好标示并记录样方周围环境和植被覆盖等情况。本次研究共采集土壤93份，其中新在坑煤矿35份，东中煤矿30份，丰田煤矿28份，各煤矿采样布点图详见图2。土壤样品在室温下自然风干，剔除砂石、植物根系等杂质，经玛瑙研钵研磨后过100目筛，然后密封保存。

图2 采样布点图Fig.2 Sampling distribution diagrams

2.2 样品测定与分析

土壤样品采用HNO3-HCl-HClO4进行微波消解，样品的测定均参照相关国家标准：Cd和Pb参照石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T 17141—1997)，Zn和Cu参照火焰原子吸收法(GB/T 17138—1997)，Cr参照火焰原子吸收法(HJ 491—2009)。原煤样品采用硫酸硝酸法进行浸提，参照国家标准GB 5085.3—2007进行测定分析。纯水器为SZ-93自动双重纯水蒸馏器，微波消解仪为屹尧WX-6000，翻转式振荡装置为康氏振荡器，原子吸收分光光度计为岛津AA-6300C。

2.3 质量保证与控制

分析过程中试剂均为优级纯，并用国家标准土壤样品(GBW07454(GSS-25))、空白和20%平行样进行质量控制，测定结果在国家标准土壤样品的误差允许范围内；平行样误差在10%范围内，测定结果的精确度符合研究要求。

3 评价方法

目前，土壤重金属污染程度评价和风险评估方法很多，较为常用的有单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、加权平均综合法、地质累计指数法(Muller指数)、潜在生态风险指数法(Hakanson法)、富集系数法、累积性评价等[16-18]。本次研究选取富集系数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法作为评价方法。

3.1 重金属污染物富集系数

B富=Ci/C背景-1

式中：B富为富集系数，反映土壤重金属富集情况；Ci为i重金属的实测含量值；C背景为区域土壤背景值。

3.2 内梅罗综合污染指数法

式中：Pi为第i种重金属的单项污染指数；Ci为i重金属的实测浓度；Si为i重金属的评价标准值或参考值，参照福建省土壤背景值[19]，Cd、Pb、Zn、Cu、Cr的背景值分别取0.054、34.9、82.7、21.6、41.3 mg/kg；(Ci/Si)max为i重金属的单项污染指数最大值；(Ci/Si)ave为i重金属的单项污染指数的平均值。

3.3 潜在生态风险指数法

表1 评价方法及相应评价标准

4 结果与讨论

4.1 研究区与福建省土壤背景值比较分析

变异系数是反应重金属元素含量的离散性的统计量，研究区中元素变异系数从高到底依次为：Pb>Cd>Cr>Cu>Zn，变异系数越大，说明受外界影响越大，可见煤炭资源开发活动对土壤的影响程度不同，Pb、Cd和Cr对土壤污染的影响较为强烈，Cu和Zn较弱。研究区土壤中5种重金属元素含量与福建省土壤背景值[19]比较，发现研究区中土壤Cu、Cr、Cd和Zn含量较高，分别是福建省土壤背景值的1.48倍、2.34倍、2.45倍和3.42倍，Pb比土壤背景值略低0.52 mg/kg。研究区内富集现象表现为：Zn>Cd>Cr>Cu>Pb，其中丰田矿的Zn、新在坑矿的Cd、Cr表现为超富集。根据对原煤样品的测定，原煤样品中重金属含量值均低于土壤样品，并且永定区矿产资源规划显示，研究区内矿产以煤矿和石灰石矿为主，可见该区域煤矿矿山开采活动引起重金属在该区域累积而出现重金属富集现象。

表2 研究区土壤重金属元素的统计特征值

4.2 研究区土壤重金属污染指数值

内梅罗综合污染指数法评价同时兼顾了单项污染指数平均值和最高值，突出污染较重的污染物对环境的影响和作用，能够全面反映土壤环境的总体质量。研究区内各重金属单项污染指数Pi值变化范围分别为Cu 0.986～2.037、Cr 0.879～3.608、Pb 0.390～1.920、Cd 0.852～4.259、Zn 2.546～4.588，呈现不同程度的污染；从综合污染指数看，污染指数排序依次为：Zn>Cd>Cr>Cu>Pb，Cu、Pb处于轻度污染，Cr、Cd和Zn处于严重污染，对环境污染贡献较大，这与重金属含量富集程度Zn>Cd>Cr>Cu>Pb结果表现一致。

表3 研究区土壤重金属综合污染指数值统计表

4.3 研究区土壤重金属潜在生态风险指数

潜在生态危害指数法由Hakanson提出，将重金属的环境生态效应与毒理学联系起来，重点确定了重金属的毒性系数，对其潜在的生态危害进行评价，为改善环境、人们健康生活提供科学依据和参照。区域内潜在生态风险指数Cd的单因子风险指数最高属中等水平，单项危害系数依次为Cd>Cu>Cr>Pb>Zn，Cd对环境污染贡献较大同时也构成了严重的生态危害。复合生态风险指数统计结果显示，2.2%样品处于中等危害，97.8%处于轻微危害。

表4 研究区土壤重金属潜在生态风险指数统计表

4.4 土壤中不同重金属含量的线性回归分析

研究区内土壤重金属的含量在空间分布上具有明显的不均衡性，通过线性回归分析能够明确各重金属之间的相互关系，进而可以推测重金属的来源是否相同[20]。结果显示，Cu、Cr、Pb、Cd四种元素两两之间都有着极显著的正相关关系，从某种意义上来看，可以说明研究区不仅Cd污染严重，而且还伴随着Cu、Cr、Pb、Cd四种元素两两之间的复合污染，这些重金属元素之间可能具有同源关系并且很可能会发生协同作用[21]。此外，Zn与Cu、Cr、Pb、Cd之间都呈极显著或弱的负相关性。