黄石市铁山区某废弃矿区环境调查与风险评估

王 荐，张 亚，王 辉，刘国强，杨 敏，邓绍坡，潘成杰，张胜田，胡 洁，吴运金①，何 跃②

(1.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；2.苏州虎丘投资建设开发有限公司，江苏 苏州 215000；3.江苏滨海经济开发区沿海工业园管委会，江苏 盐城 224555)

矿产资源开发对矿山及其周围环境造成了极大污染并诱发地质灾害[1-2]。据报道，我国每年因矿业开采受到污染的土壤面积正以467 km2的速度增长[3]。我国“重开发、轻保护”的不合理矿产资源开采利用方式产生了大量废弃矿山，遗留了大量矿山生态环境问题[4-5]。金属矿石的开采是造成土壤、水体和生物圈重金属污染的主要人为活动之一，其对人体健康和环境保护是一个潜在的重要威胁。强化此类场地的监督与管理对于改善生态环境以及维护人体健康具有重要意义[6]。

自2000年以来，中国地质调查局先后开展了2轮全国矿山环境摸底调查，基本摸清了我国废弃矿山状况，为下一步开展废弃矿山生态修复奠定了基础[4]。2016年国务院下发《土壤污染综合防治行动计划》，将湖北省确定为国家土壤污染防治先行区之一，先行区重点在土壤污染源头预防、风险管控、治理与修复、监管能力建设等方面进行探索。2018年中共中央、国务院印发《关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的实施意见》(中发[2018]17号)，对矿山生态修复工作提出了十分必要的指导建议和有效的修复方法，同时也对废弃矿山生态修复工作提出了更高的要求[2]。由此可见，开展对废弃矿区场地的调查与风险评估已经十分必要，需要引起高度重视。

该研究中黄石市铁山区某矿区为废弃矿区，以生产铁矿石闻名。矿区土地利用类型比较齐全，以建设用地为主，其次为农用地。由于该矿区地处矿山采掘区，城市建设发展及矿山采掘占用耕地较多，因而耕地面积减少较快，耕地比重逐年降低。土地利用率高达99.9%，可开发的后备土地资源十分有限，不具备成片开发的条件。若该生产场地的土壤及地下水受到污染而未进行科学治理，则按规划用地开发后会对周边环境和人体健康带来一定的风险。因此，为了防控该废弃矿区场地的环境风险，确保原场址在开发利用后符合规划用地与环境质量标准的要求，笔者对该遗留生产场地开展了环境调查和污染场地风险评估工作。首先，通过现场勘查、采样、快速检测与实验室分析明确污染物清单、场地土壤和地下水中污染物及污染范围等信息，随后进行生物毒性及生态风险评估，评价规划用地方式下的风险水平，筛选出高风险的污染物，划定高风险区域，从而为黄石市铁山区某矿区的土壤修复和土地利用规划提供基本信息。

1 材料与方法

1.1 研究场地概况

黄石市铁山区某矿区现为废弃矿区，因铁建矿(大冶铁矿)，因矿建区，是典型的工矿城区。经过大规模机械化开采，截止累计开采固体矿石量4.6亿多t，形成了大量的高陡边坡、废石/废土/废渣堆集场地、巨大的露天采坑、深遂的地下采空区以及重金属污染废弃矿山用地。铁山区遭破坏的地质环境和生态环境面积达12.8 km2，几乎接近其总面积的50%。该矿区分为废石堆置区(铁矿石为主)和碎石厂区2个区。废石堆置区为多年的废石堆放区，区域内有1处地面塌陷，对周围区域造成巨大环境风险，同时也是重点的复垦区域。该矿区面积约为0.20 km2，其中废石堆置区占地0.16 km2，碎石场区占地0.04 km2。

1.2 样品采集与分析

按照网格布点法在废石堆置区和碎石区2个区域设定采样方案。根据《场地环境调查技术导则》《场地环境监测技术导则》《建设用地土壤环境调查评估技术指南》(2018年1月1日施行)的要求，并结合现场实际情况，在场地内外总计设置41个土壤采样点，其中场地内布设34个土壤采样点，包括废石堆置区27个(TH01～TH27)和碎石场区7个(GC01～GC07)(图1)。同时采集场地外7个土壤样点(背景点)。

图1 环境调查采样布点

场地内共设3个地下水点位，并建立3口地下水监测井(GW01～GW03)。根据场地内环境情况，采集3处地表水(DB01～DB03)。现场土壤采样层高为0.0～30.0 m，点位深度0.3～8.0 m。地下水平均井深设置为20.6 m。共采集土壤样品147个(含平行样)，水样6个(含平行样)。采集的样品送至监测公司与实验室进行关键污染物的检测分析。

1.3 检测分析项目

根据场地历史资料信息以及我国生态环境部门的相关技术导则、标准要求建议，对检测指标选择的原则为：以重金属类为主，对采样过程中发现性状、气味、颜色异常的样品加测挥发性有机类污染物、半挥发性有机类污染物指标。该次检测指标分为以下几大类：(1)土壤样品检测指标：土壤理化性质(pH值、有机质含量、容重、含水率、颗粒密度)、挥发性有机物(VOCs)含量、半挥发性有机污染物(SVOCs)含量、重金属(全量、有效态、浸出毒性)含量；(2)地下水样品检测指标：GB/T 14848—2017《地下水质量标准》前33项；(3)地表水样品检测指标：GB/T 3838—2002《地表水质量标准》常规指标、重金属类指标。采集部分土壤及地下水样品开展生物毒性测试(植物种子发芽率试验等)，以反映土壤污染对生态物种的影响[7]。

1.4 种子发芽和根伸长抑制、发光菌抑制试验

为了解场地土壤对植物和地下水对发光菌的潜在风险，调查选取了29个土壤样品进行植物(小白菜，南京农业大学种子公司)种子发芽和根伸长抑制试验，选取7个水体样品进行发光菌抑制试验。

种子发芽试验：称取50 g供试土壤和对照土壤平铺于9 cm玻璃培养皿中，调节水土质量比为1∶5(加入适量去离子水使土壤达到最大持水量的50%)。选取10粒大小均匀的种子种植其中，盖好玻璃皿，在自然光下培养，温度控制为(25±1)℃[8]。每一处理浓度组和对照组设3次以上重复，每一重复至少有10粒种子。当对照组种子发芽率在65%以上，根伸长长度为20 mm时试验结束。随后确定每一处理和对照种子平均发芽数量和平均根长。其中根长是指根和芽接点处到最长根尖的长度，当且仅当根长和芽长均超过3 mm时，才认为是发芽成功。

费舍尔弧菌发光抑制试验：在每支装有菌种的试管中，加入310 μL Diluent稀释液，混匀后培养15 min。随后移取1 000 μL稀释液到新的玻璃试管中，在每只试管中加入100 μL OAS渗透压调节液，再加入1 000 μL待测样品，混匀待测。15 min培养结束，将培养好的菌种再次混匀，移取100 μL混合液于试管中，利用便携式毒性测定仪进行菌种计量，测定发光菌抑制率。

1.5 风险评估标准及方法

为评价矿区土壤中重金属污染状况，采用HAKANSON提出的潜在生态风险指数，以当地土壤背景值的最新数据为参比值[9-10]，评价土壤重金属的生态风险，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

表1 重金属污染潜在生态风险分级标准

2 结果与分析

2.1 场地污染状况

2.1.1土壤

场地和对照点重金属全量的检出统计情况见表2。与《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》中第一、二类用地的筛选值进行对比。结果表明，所有对照样品重金属浓度都未超过筛选值。但是场地内分别有20个点位的铜和3个点位的镍含量超过第一类用地筛选值，但不超过二类用地标准(数据未显示)。场地内有6个点位的砷超过第一类用地筛选值，并且2个点位超过二类用地标准(表2)。

表2 土壤重金属全量检出情况统计表

场地和对照组重金属有效态含量检出统计情况见表3。从检出率来看，铜的检出率为100%，镍、铅、镉部分检出，铬、砷、汞均未检出。从检出浓度来看，有效态铜的检出含量最高，最大为183 mg·kg-1，平均含量为16 mg·kg-1(表3)；其次是有效态铅，最大为7.8 mg·kg-1。与对照点土壤样品重金属有效态结果对比，六价铬高出的最大倍数为8.1倍，样品数量为19个；铜高出的最大倍数为25.9倍，样品数量为143个；镍高出的最大倍数为16.7倍，样品数量为81个；锌高出的最大倍数为5.2倍，样品数量为143个；铅高出的最大倍数为7.3倍，样品数量为129个；镉高出的最大倍数为4.6倍，样品数量为116个(数据未显示)。

表3 重金属砷含量超过筛选值点位情况统计

同时对80份土壤样品进行浸出毒性测定。从检出浓度来看，铜浓度最高，平均为613 μg·L-1，其次是砷和镍。从检出率来看，铜和镍的检出率较高，分别为95%和52%(表4)。对6个样品进行有机污染物检测，检测指标包括VOC和SVOC含量，共计114种。检测报告显示，所有送检样品的有机污染物含量均低于其相应的检出限(数据未显示)。

表4 土壤有效态重金属浓度及浸出液含量

2.1.2地下水和地表水

场地内共设地下水点位3个，编号为GW-1、GW-2和 GW-3。对样品的感官性状及无机化学指标、8种重金属(铜、铬、镍、锌、铅、镉、砷、汞)含量进行了检测，同时结合GB/T 14848—2017《地下水质量标准》的要求，加测了铍、硒、铁、锰、钡、钴、钼、六价铬含量(表5)。其中铜、镍、锌、砷、硒、铁、锰、钡、钴、钼检出率为100%，所有指标的检出浓度均较低。

表5 地下水和地表水感官性状指标检测数据

根据场地内环境情况，取了3个地表水样，编号为DB-1、DB-2和DB-3，其中重金属普遍有检出，但浓度较低(表6～7)。

表6 地下水和地表水无机化学指标检测数据

表7 地下水和地表水重金属指标检测数据

2.2 生物效应

土壤样品对小白菜种子发芽与生长抑制试验结果如表8所示。

表8 土壤各点位植物根长抑制和发芽率结果

TH08点位1.8～4.0 m深度土壤对植物根伸长有一定的抑制作用，其中2.3～2.5 m深度土壤对种子发芽率产生一定抑制作用。其余所有点位包括TH08(0～1.5、4.0～6.0 m深度)以及TH018、TH021和TH011点位土壤对植物发芽和根伸长的抑制作用较低。

对水体而言，地下水皆未对发光菌造成发光抑制作用(表9)，说明地下水对发光菌的生态风险较低。

表9 地下水和地表水样品中发光菌发光促进率和抑制率

2.3 重金属生态风险评估

依据场地地形分布、风险评价结果、调查样品空间分布绘制场地的土壤重金属综合生态风险区域(图3)。由图3可知，在第二类用地(非敏感用地)方式下超风险筛选值的区域面积为2 307 m2。重金属有效态风险等级三级及以上和生态风险为C级及以上的存在较强风险，高有效态风险区域面积为48 642 m2，高生态风险的区域面积为49 135 m2。

3 讨论

3.1 场地污染状况

重金属全量检测结果表明，该场地砷存在严重污染。重金属有效态是指金属能被植物吸收的形态。测定金属有效态含量可进一步判断矿区土壤受重金属污染的程度[11]。有效态重金属含量检测结果表明，场地铜的污染严重，镍、铅、镉部分污染。结合GB 36600—2018《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》，所有土壤样品的浸出浓度均远低于浸出毒性鉴别标准值。尽管浸出浓度不是衡量危险废物的唯一标准，但通过此标准可初步判断矿区土壤的危害。基于上述浸出毒性数据，当前矿区土壤不属于危险废物。

基于GB/T 14848—2017《地下水质量标准》，场地内3个地下水样均为Ⅴ类，Ⅴ类指标为总硬度和硫酸盐，常规8种重金属检出浓度均满足Ⅴ类水标准。根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，地表水为Ⅲ类水，Ⅲ类指标为氟化物。

3.2 场地生态风险

基于国际标准组织(ISO)对种子发芽率、根伸长抑制率标准对生物毒性等级的划分[12]以及Bulish提出的方法[13]，利用费舍尔弧菌的发光抑制率对Microtox急性毒性等级进行划分。对土壤而言，TH08点位1.8～2.0、2.3～2.5、2.8～3.0、3.3～3.5、3.8～4.0 m深度土壤对小白菜为中毒水平，其余点位对植物发芽的生物毒性为低毒及以下。对水体而言，所有水体样品存在较低的生物毒性风险。因此需要重点关注的土样为TH08点位1.8～4.0 m深度土壤，可能存在一定的生物毒性。

结合不同点位重金属有效态含量数据可发现，部分金属如铬、铜和镍在中间层区域具有更高的有效态含量，其他金属有效态含量差异较小。该结果和植物种子发芽与根伸长抑制结果相似，说明重金属污染确实导致了土壤样品的生物风险，主要是因

为高浓度有效态重金属更易被植物根系吸收，进而抑制了植物根的发芽与生长。上述结果说明中间层土壤具有一定的生态风险，其他取样点土壤生态风险可忽略不计。但是由于生物效应实验中对照组选用表层土壤，表层土和深层土除了金属污染特征差异外，两者间有机质/土壤质地也可能不同，因此深层土土壤组分可能是引起上述生物效应差异的另一原因，针对该土壤组分引起的生物效应需要进一步深入探讨。

表10 综合风险区域统计

生态风险评估结果表明，接近70%点位具有中等及以上的生态风险，和重金属全量结果具有一定的差异性(绝大多数点位的重金属含量并未超过筛选值)(表2)。该差异主要是由于潜在生态风险模型综合考虑了矿区内点位和矿区外对照点背景重金属含量。也就是说，尽管矿区内某点位重金属含量较低，但是如果该点位重金属含量超过矿区外对照点背景金属含量，那么计算出的IR值极有可能较高，具有一定的生态风险。总的来说，大部分样点处于轻微或中等风险，只有少数样点处于很强的风险。

3.3 风险防控建议

该场地调查评估结论为基于现场调查取样、检测分析所获得的结果，仅能代表调查点位处及调查深度范围内土壤及地下水污染情况。调查时发现该场地部分点位土壤存在重金属含量超标，一些点位土壤存在较高的生态风险和高有效态风险。

4 结论

(1)场地污染调查结果显示，该矿区土壤存在一定的砷污染，不存在有机物污染；地表水和地下水重金属普遍有检出，但浓度较低；地下水质量评价结果为V类，地表水质量评价结果为Ⅲ类，2种水体常规8种重金属均满足Ⅰ类水标准。

(2)生态风险评价的评估结果表明，大部分点位具有中等及以上的生态风险；按重金属类型，镉的潜在生态风险程度较高，达到中等风险水平，其次是铜和汞，其他重金属的生态风险较低。

(3)该矿区场地部分点位土壤存在重金属含量超标，一些点位土壤存在较高的生态风险和高有效态风险，建议通过覆土阻隔、修建监测井和生态截洪沟渠及定期监测等措施，开展场地污染修复和风险管控工作。