熊耳山-伏牛山矿区水土重金属污染分析
2022-03-04胡超进孙建伟商连南张江华
胡超进,孙建伟,商连南,张江华,2
(1.中国地质调查局 西安矿产资源调查中心,陕西 西安 710100;2.中国地质调查局 西安地质调查中心,陕西 西安 710054)
1 引言
随着工业化的进程和经济社会的快速发展,人类社会对各种矿产资源的需求量迅速增加,但是矿山的开发利用过程中必然会导致大量的生态环境问题,并已引起业界和社会的高度重视[1]。本文重点论述矿山水土环境中重金属污染方面的分析研究。
2 矿山水土污染途径
矿山在开发利用过程中,各种废水废料会污染水土环境,主要有以下几种形式:矿山内固体废弃物经风化、降雨淋滤等作用产生有毒堆浸废水,渗入土壤及浅层地下水或流入地表水;矿山开发产生的废水废液直接排放到周边沟谷和河流等区域,污染地表水和土壤;矿山内各类场地在风力作用下易产生扬尘,细粒有毒物质随扬尘飘落到矿山周边或矿车道路运输遗撒产生的扬尘也会对周边土壤造成污染。矿业活动从勘探阶段就存在水土环境污染风险,各种生活废水和矿业活动产生的矿坑水、选矿水、冶炼水、矿浆、尾矿废渣都是造成矿山水土污染的污染源[2,3]。
3 调查及评价方法
3.1 调查区概况及样点布设
熊耳山-伏牛山矿集区工作区主要发育金、钼、铅锌和萤石矿,矿床富集均与区内马超营深大断裂带关系密切,同类矿种相对集中分布,金矿主要分布在断裂带北侧熊耳群火山岩系内,以构造蚀变岩型矿床为主;钼矿和铅锌矿主要分布在断裂带西南侧官道口群碳酸岩系内,以矽卡岩型矿床为主;萤石矿主要分布在断裂带东南侧燕山期花岗岩体中,为中低温热液脉状矿床。
工作区属黄河三级水系伊河流域,伊河主要支流有小河、北沟河、明白河、白卢沟河等。为了掌握矿区河水主要河段河水重金属污染,河水样品主要采自于三、四级水系主河流及其支沟,同时在河流交汇的上、下河段采集了河流断面水样。采样点距平均0.5~2 km,累计采集河水样品210件。
土壤污染调查中样品主要布控于探头盆地农用地土壤集中区。样品布设以查明区域土壤污染为目的,既考虑不同土壤类型均匀分布,又考虑重点污染区。在1∶50000地形图上原则按9个/km2的网格布点采样,根据测区地貌特征、土壤类型分布的复杂程度适当调整,并确保一组分析单元每1 km2范围内至少有4个样品。
3.2 评价方法
针对矿集区水土污染评价采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法[4]。
3.2.1 单项污染指数法
单项污染指数法:Pi=Ci/Si
(1)
单项污染超标倍数法:Pc=(Ci-Si)/Si
(2)
式(1)、(2)中:Pi为河水或土壤中单项重金属元素的污染指数,Pc为超标倍数,Ci为河水或土壤中单项重金属元素的实测含量,Si为地表水环境质量标准中某污染物最高允许浓度或土壤重金属的环境质量筛选值。
依据河水中重金属的单项污染物超标倍数将河水污染程度划分为五级(表1)。
依据土壤重金属单项污染超标倍数大小,将土壤重金属污染分为五级(表2)。
表1 河水重金属单项污染等级
表2 土壤重金属单项污染等级
3.2.2 内梅罗综合污染指数法
为全面反映多个重金属元素对水土污染的复合作用,同时突出高含量重金属元素对土壤环境质量的影响,采用内梅罗综合污染指数法评价。其计算公式为:
(3)
根据内梅罗综合指数法将河水和土壤污染分别划分为五级(表3,表4)。
表3 河水重金属综合污染指数等级
表4 土壤重金属综合污染指数等级
其中,水质污染分析的重金属元素有Zn、Cu、Pb、As、Cd、Cr、Hg七种,土壤污染分析Zn、Cu、Pb、As、Cd、Cr、Hg、Ni八种重金属元素。
3.2.3 河水水质评价等级
根据《地表水环境质量评价办法(试行)》 ,确定断面水质类别时按所测水质最差项目的类别确定。水质类别与分级的对应关系见表5。
表5 河流水质类别及水质状况对应表
评价河流整体水质状况时,计算出各水质类别断面数占评价断面总数的百分比,以表3~表6所示的方法对其评价。河流主要水质类别的判定条件为:当河流的某一类水质断面比例大于或等于60%,则称河流以该类水质为主;当不满足上述条件时,若Ⅰ~Ⅲ类,或Ⅳ~Ⅴ类水质断面比例大于或等于70%,则称河流以Ⅰ~Ⅲ类水质或Ⅳ~Ⅴ类水质为主;除此之外,不指出主要水质类别。
4 水土污染特征
矿集区内由于矿种不同,水土污染特征也不同,水质污染评价覆盖全区,土壤农用地评价则聚集在潭头盆地内。
4.1 水质污染
主要针对区内不同的矿区和河流进行调查。
4.1.1 矿区水质污染评价
矿区内针对金矿区、铅锌矿区、萤石矿区和铅锌、钼矿区进行了调查,不同矿种的水质污染呈现不同的重金属污染元素和污染程度。
4.1.1.1 金矿区污染
金矿区域较小,产生水质污染的矿山为康山金矿和庙岭金矿,主要超标的重金属污染元素为Hg和As,其中Hg元素污染较低,仅在庙岭金矿尾矿库下游的超标倍数为1.19倍,其他地方的超标倍数都少于1;As元素污染区域主要在康山金矿,最高处含量超标倍数为4.08倍,达到重度污染。综合污染指数表明二者在污染最严重的地方分别为3.47和5.48,均达到了严重污染程度[5~7]。
4.1.1.2 铅锌矿区污染
铅锌矿区的污染较为严重,主要的重金属污染元素为As、Pb和Hg,其中As元素污染范围较广,Pb和Hg元素仅在白土镇金兴矿业下游至小河段存在。As元素在金兴矿业尾矿库下游排水沟最高含量处为24.15 mg/L,最高超标倍数达481.96倍,为极度污染,沿小河至狮子庙镇西侧均存在污染;Pb元素在金兴矿业至小河段污染超标倍数为16.19~4.45,为极度污染至重度污染, Hg元素在金兴矿业至小河段污染超标倍数为3.14~0.17,二者在汇入小河后含量在地表水环境质量标准中最高允许浓度之内。由金兴矿业尾矿库下游至狮子庙镇西侧,其综合污染指数为350.07~0.72,污染程度从重度污染至尚清洁。
4.1.1.3 铅锌、钼矿区污染
在铅锌、钼矿区主要存在Cd元素污染,在北沟河上游至赤土店镇均存在污染,超标倍数由北沟河上游洛钼集团上院尾矿库下游6.43至赤土店镇处0,97逐渐降低,污染等级由重度污染至尚清洁。综合污染指数由5.35~0.32,污染程度由重度污染逐渐至清洁。
4.1.1.4 萤石矿区污染
萤石矿由于是非金属矿山且矿山普遍较小,在调查过程中发现萤石矿区内地表水系未受到重金属污染。
4.1.2 河流水系单元污染评价
4.1.2.1 小河重金属污染
(1)小河单项污染及水质类别评价。水样分析结果表明,从源头到河口,小河河水受到了砷和汞的污染。砷超标率达到36.84%,污染最为严重,平均超标倍数到达了5.22;汞的污染较小,超标率仅为5.26%。其余元素均符合Ⅲ类水标准。污染物的分担率表明,砷是小河河水中最主要的污染物,占到了污染物总量的63.56%,其次为汞占26.96%。按平均超标倍数分级评价,小河砷元素达到了极度污染,汞元素为中度污染[8]。
表6 小河重金属污染评价特征参数
小河17.52%的水质类别为劣Ⅴ类水,长度为7.66 km;Ⅳ类水占4.87%,长度为2.13km,Ⅰ~Ⅲ类水占77.61%,适合人类饮用水质河段长度为33.94 km。整体河流水质评价为良好,以Ⅰ~Ⅲ类水为主(图1)
(2)小河重金属综合污染评价。小河重金属综合污染指数为0.34~12.40,均值为1.42,整体而言小河水质为轻度污染河流(图2)。
小河15.79%河段的河水为重度污染,长度为6.91 km,10.53%河段的河水为中度污染,长度为4.6 km,5.26%河段的河水为轻度污染,长度为2.3 km,68.42%河段的河水属于清洁或尚清洁河段,长度为29.92 km。综合污染指数呈先增加后减小的总体趋势,在5.76 km和19.85 km处各有一处峰值,在距源头5.79 km处,综合污染指数达到12.40,为污染最为严重河段(图2)。
图1 小河水质类别评价
图2 小河综合污染评价
小河主要流经铅锌矿区,污染区域主要在中上游,在上游存在采矿活动,两侧分布较多尾矿库、选矿厂、矿渣堆等,局部可见选矿废水直接排入河流中。
4.1.2.2 北沟河重金属污染
(1)北沟河单项污染及水质类别评价。数据表明,从源头到工作区边界,北沟河河水受到了镉的污染。镉元素超标率达到88.89%,平均超标倍数为2.7。其余元素均符合Ⅲ类水标准。镉元素占到了污染物总量的79.86%,按超标倍数分级评价,北沟河中镉元素在轻度污染和重度污染之间,污染最严重的河段超标倍数为4.1倍(表7)。
表7 北沟河重金属污染评价特征参数
北沟河85.15%的水质类别为劣Ⅴ类水,长度为15.19 km;Ⅲ类水占14.85%,适合人类饮用水质河段长度为2.65 km。北沟河Ⅰ~Ⅲ类水质比例<60%,且劣Ⅴ类比例≥40%,整体河流水质为重度污染,以劣Ⅴ类水为主(图3)。
(2)北沟河重金属综合污染评价。北沟河水污染物综合污染指数为0.17~3.72,均值为2.41,整体而言属中度污染河段(图4)。
北沟河47.31%河段的河水为重度污染,长度为8.44 km,4.48%河段的河水为中度污染,长度为0.81 km,21.86%河段的河水为轻度污染,长度为3.89 km,26.35%河段的河水属于清洁河段,长度为4.7 km。综合污染指数呈先增加后减小的总体趋势,在2.9~92 km河段中污染较为严重,在9.2~17.84 km污染指数急速下降,在2.1 km、4.5 km河7.9 km处各有一个峰值,其中在2.1 km处综合污染指数为最高值(图4)。
图3 北沟河水质类别评价
图4 北沟综合污染评价
北沟河主要流经钼矿区,沿在中上游河流分布有大量的尾矿库,此情况可能由于矿产开发过程中产生的污水废水流入河流所致[9~11]。
4.1.2.3 明白河重金属污染
在工作区内,从工作区边界到汇入伊河口,明白河河水所有重金属均符合Ⅲ类水标准,明白河未受到重金属污染(表8)。
明白河2.81%的水质类别为Ⅰ类水,长度为0.9 km;Ⅱ类水为10.32%,长度为3.3 km,Ⅲ类水占86.87%,长度为27.79 km。整条河流均为Ⅰ~Ⅲ类水,适合人类饮用,明白河河流质评价为优(图5)。
明白河流经萤石矿区,在河流两侧存在少量尾矿库等设施,但明白河水质未被污染。
4.1.2.4 工作区河流总体评价
在工作区内 ,伊河为黄河唯一的二级支流,且伊河干流水质均为Ⅰ~Ⅲ类水,各支流除小河、北沟河和白卢沟上游存在污染外,其余河流重金属均未超标。在总调查河流长度1198 km内,1.69%的河水质属劣Ⅴ类水,共20.06 km,0.41%的河水质量为Ⅳ类水,长度为4.87 km,Ⅰ~Ⅲ类水占总调查河长的97.9%,长度为1164.07 km。
表8 明白河重金属污染评价特征参数
图5 明白河水质类别评价
伊河流域河总体水质评价为优,砷和镉为主要污染物。以河段污染程度来看,污染河段为2.43%,长度为28.94 km,清洁或较清洁河段长为1160.06 km,占97.57%。总体而言调查区内河流为清洁河流。
4.2 土壤污染
由于调查区内农田主要聚集在潭头盆地内,所以主要在潭头盆地进行土壤污染调查,在潭头盆地周边的矿山主要为金矿。
4.2.1 土壤重金属污染评价
4.2.1.1 单项污染评价
调查区主要为农田耕种区,以土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值做为重金属的标准限值,各重金属的污染指数见表9。
土壤重金属单项污染指数表明,汞、砷、铬、镍、铜、锌、镉、铅的单项污染指数均值分别为 0.04、0.50、0.28、0.16、0.34、0.47、0.82、0.84,重金属单项污染指数平均值均小于1,表明农田土壤受到整体而言,未受污染,但个别地方存在污染现象。土壤单项污染指数均值从大到小排序为: 铅>镉>砷>锌>铜>铬>镍>汞。土壤最主要的污染物为镉和铅,样本超标率达16.92%和14.13%,最大超标倍数为23.83和254.32。
表9 土壤重金属单项污染指数特征参数
4.2.1.2 综合污染评价
对于多种重金属复合污染的土壤,单独考虑土壤中的某一重金属污染,并不能很好地反映实际污染程度。因此,通常采用综合污染指数表示总体上的污染程度,其反映某件样品或一个地区,多种污染物的综合污染程度,可以显示多种重金属元素对土壤污染的复合作用,同时突出了高含量污染物对土壤环境质量的影响。调查区土壤重金属综合污染指数评价结果见表10[12~15]。
表10 土壤重金属综合污染指数特征
土壤重金属综合污染指数表明,75.7%土壤样本综合污染指数小于0.7且均值为0.47,土壤尚未受到污染,属清洁土壤,面积150.86 km2。9.35%土壤样本的综合污染指数在0.7~1之间,均值为0.83,属清洁土壤,处于土壤污染的警戒限,面积27.85 km2。14.94%的土壤样本综合污染指数大于1,属于轻度及以上以上污染,面积27.38 km2,其中,轻度污染土壤面积20.41 km2,中度污染土壤面积3.11 km2,重度污染土壤面积3.86 km2。
4.2.2 不同地质环境分区土壤重金属含量特征对比
为了进一步研究调查区重金属含量变化,将8种重金属平均值和邻区土壤背景值(据王建平、张良等《河南省黄淮平原经济区农业地质调查总体综合评价报告》,2010),河南省土壤背景值(据《河南省土壤环境背景研究》,1996),中国土壤背景值(据王云、魏复盛等《土壤环境 元素化学》,1995)等进行比较(表10),对调查区土壤重金属含量平均值与邻区参比值、不同区域土壤背景值比较发现:调查区重金属含量平均值均低于国家二级质量标准;8种重金属元素均超过邻区对比值、河南省背景值和中国土壤背景值;从统计数据来看,调查区土壤平均值虽未超过国家二级质量标准,但普遍均高于不同区域土壤背景平均值,反映了矿业活动导致调查区土壤重金属平均污染水平较高。
表10 不同成土环境土壤重金属含量平均值
5 结语
矿产资源开发作为一项重要的工程活动,对生态环境的影响是强烈的,矿山水土重金属污染是矿业活动引发的主要地质环境问题之一。在进行矿山水土的污染调查的过程中,发现不同的矿种决定着重金属的特征污染元素和污染程度,其中铅锌矿和钼矿区域污染最为严重,金矿区次之,萤石矿区未发现重金属污染,且区内存在轻度污染以上的水土面积并不很小,矿山开发利用过程中应注意环境保护和污染治理,坚持绿色矿山策略。