遵义某锰矿区水土环境重金属含量分析及风险评价

赵 磊

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院，贵州 贵阳 550000)

1 引言

我国锰矿资源分布地区相对集中，其中贵州地区的资源比较丰富，约占我国锰矿保有资源量的60%[1]。贵州地区的锰矿资源主要分布于黔北遵义地区，遵义地处贵州北部，是贵州、四川和重庆交界处的中心城市。遵义锰矿以沉积型锰矿为主，资源存储量丰富，约占全省储存量的47%，锰矿业已成为遵义地区经济发展的重要支柱[2]。

虽然锰矿资源的开采促进了经济的迅速发展，但相应的问题也随之出现，矿山开采会破坏周围的水环境。例如在矿山开采过程中产生的矿井废水、尾砂、废石等废弃物里含有重金属，通过土壤渗透、水体流动等途径严重污染周边的土壤、水资源、动植物等[3，4]。相比较其他污染物质而言，重金属在自然环境中具有稳定性和不可逆性较强等特点，当重金属进入水体之后，绝大多数会与有机物、黏土矿物和硫化物等发生络合反应并吸附在沉积物上，故当外界环境条件发生改变时，附着在沉积物上的重金属会被释放，引起水体二次污染[5]。其次，尾矿渣中产生的重金属等有毒有害物质会对土壤造成污染。主要表现在矿长废水会导致土壤质量下降，使土壤盐渍化、碱化，锰矿尾渣中的重金属元素通过风化淋滤作用向土壤中迁移扩散，通过作物富集过程进入蔬菜，而人食用受污染的蔬菜则会严重危害人体健康[6]。

本文对贵州遵义某锰矿区土壤及地表水进行采样分析，测定其中重金属含量，并对其进行健康风险评价。通过相关科学评价的方法，讨论锰矿的开采对周围环境造成的影响，以期为矿区安全开采利用及环境保护提出科学理论依据。

2 材料与方法

2.1 样品采集

研究区域位于贵州省某矿区，该矿区在2004年取得采矿许可证，已连续采矿15年。于2020年7月份对该锰矿区附近河流进行采样，分别在矿区上游约500 m布设对照断面(W1)、矿区废水排放口下游约500 m布设控制断面(W2)、矿区废水排放口下游约3000 m布设削减断面(W3)。样品采集方法参照《水质采样技术指导》。地表水采集、保存、运输执行《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91-2002)[8]，主要监测指标有pH值、SS、氨氮、CODMn、锰、铜、砷、镉、铬和铅。

同时，根据实地调查结果，分别于矿区矿洞口、渣土堆放区、污水处理设施排放口和矿山居民区设置采样点位，每个采样点面积设为1.0 m×1.0 m，梅花形采集1 kg 0～20 cm表层土壤，共采集土壤样品8个，并填写现场采样情况记录表。样品采集后装袋，带回实验室，于室内风干、去杂、研磨，过100目尼龙筛后置于密封袋中保存备用。

2.2 研究方法

2.2.1 分析测定方法

pH值使用pH计现场测定；用0.45um滤膜过滤水样，水样经过滤后会有留在过滤器上的固体物质，将固体物质置于烘箱中，设置温度103～105 ℃，待其烘至恒重后得到悬浮物(SS)；氨氮使用纳氏试剂分光光度法进行测定；化学需氧量用高锰酸钾法进行测定；重金属锰、铜、砷、镉、铬和铅采用原子吸收光谱法(AAS)检测进行分析。

2.2.2 内梅罗综合污染指数法

采用内梅罗综合污染指数法评价贵州某矿山地表水和土壤重金属污染程度，因为水体和土壤中经常多种重金属并存，与其他方法相比，内梅罗综合污染指数法能够反映出水体重金属污染现状[7]。所以内梅罗综合污染指数法不失为一种重要的水环境质量评价方法，该方法简单易懂，水质污染程度可用简单的数值表示，因此在地表水和地下水水质评价中应用较为普遍[8～11]。评价等级计算公式为：

(1)

表1 地表水体中重金属污染评价标准

表2 土壤中重金属污染评价标准

3 结果与讨论

3.1 地表水体污染描述性统计

某矿区地表水常规水质指标监测结果如表3所示，根据《遵义市地表水环境功能区划类规定》(2011修订本)，研究区域地表水执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水质标准作为风险筛选值。锰、铬和SS在《地表水质量标准》(GB3838-2002)中并未明确规定标准限值。对该研究区域地表水体进行监测，其中W1为对照断面，设在排污口上游500 m处,W2为控制断面，设在排污口下游500 m处，W3为削减断面，设在排污口下游3000 m处。从监测结果来看，研究区域地表水体氨氮、CODMn、pH值等均未出现超标现象，说明矿山开采对研究区域地表水体自然环境影响较小；但水中SS在W2处出现较大值，后期矿山开采过程中需对矿山废水中的悬浮物深入处理。

表3 研究区域地表水体常规指标统计结果 mg/L

如图1所示，研究区域地表水体中重金属含量除Cu外，均出现随水体流动方向先增加后减少的趋势，且均在W2处出现最大值，说明该矿山的开采可能对周围地表水体重金属浓度影响较大。受到河流稀释、沉淀、迁移等理化过程的影响，重金属含量在W3断面处出现明显下降趋势，由于水体自身的自净能力，重金属在各监测点位含量差别较大[12]。

图1 研究区域地表水体重金属浓度统计分析

与标准差相比，变异系数可以反映重金属元素的空间离散性和变异程度，值越大，外部因素对污染特征的影响越大[13]。根据Wilding[14,15]的分类标准，变异系数的水平可分为低变异(CV<15%)、中变异(15%36%)。

如表4所示，本次研究重金属Cu、As、Mn、Cd、Cr、Pb的变异系数计算结果分别为：16%、173%、88%、124%、77%、28%。研究区域地表水体中As、Mn、Cd、Cr均属于高变异，表明这几种金属元素受采矿活动干扰较大。矿区在露天开采过程中，因为要剥离表层土壤，所以会使天然矿石和废矿暴露在外部环境中，经雨水冲洗、浸泡和淋滤等，使得先前存留于矿石中的锰及其伴生的重金属(砷、铬、镉、铅等)溶析出来，形成含有大量重金属的污染流[16,17]，最终随着地表径流进入地表水体。

3.2 土壤重金属污染描述性统计

研究区土壤重金属含量分布特征见表5，该矿区主要采集样品点位为：矿洞口、堆土、污水处理设施排放口矿山居民区。土壤中Cd，Cu，Mn，Zn，Cr和Pb的平均值分别为7.39，50.93，6931.82，999.23，158.73，43.28 mg/kg。以贵州省土壤元素背景值为标准，分别达背景值的11.10，1.50，8.73，10.04，1.66，1.23倍，其中重金属Cd，Mn和Zn污染较为严重。

表5 矿区土壤重金属含量分布特征

该锰矿区土壤中Cd,Cu,Mn,Zn变异系数分别高达103.79%，59.26%,148.47%，104.55%均达到高变异程度，受采矿活动影响明显；Cr,Pb变异系数在15%～36%之间，属变异性中等偏弱，受干扰影响较小，空间变异性弱。

3.3 内梅罗综合污染指数评价

3.3.1 地表水污染评价

根据评价等级计算公式计算出3个监测点位的内梅罗综合污染指数，通过表1对各个监测点位的水质污染程度做出评价，见表6。

基于表6，可以看出在排污口上游(500 m)处综合污染指数数值为4.45×10-4；在排污口下游(500 m)处综合污染指数数值为3.32×10-2，比在排污口上游(500 m)处综合污染指数数值略高；在排污口下游(3000 m)处综合污染指数数值为9.36×10-3，比在排污口下游(500 m)处综合污染指数数值稍低，综合污染指数数值从W1到W2其水质污染程度升高，从W2到W3水质污染程度又略微下降，尽管其内梅罗综合污染指数随着水体流动的方向在数值上出现了一定的波动，但3个监测点位的内梅罗综合污染指数数值均比表1地表水体中重金属污染评价标准中处于安全程度的内梅罗综合污染指数数值低。结合以上分析得出：研究区域地表水体中水质污染程度为一个安全的状态。

表6 某矿山地表水重金属污染程度评价

3.3.2 土壤污染评价

对采样区土壤重金属含量进行内梅罗综合污染分析，除矿山居民区外，其余采样点位均达到重度污染水平，其综合污染指数分别高达18.64、12.87、20.33其中矿洞口和污水处理施排放口污染最为严重，这可能与矿山开采和污水治理给土壤带来的外源重金属有关[18～20]。重金属Cd、Zn、Mn污染因子指数突出，表明该矿区污染类型为多种重金属综合污染(表7)。

表7 研究区土壤重金属污染评价指数及分级

4 结论

(1)通过对贵州某矿山地表水中污染物浓度特征分析和描述性统计，得出研究区域地表水体氨氮、CODMn、pH值等均未出现超标现象；由计算出的变异系数可知As、Mn、Cd、Cr均属于高变异，表明这几种金属元素受采矿活动干扰较大。重金属污染描述性统计表明研究区土壤主要累积重金属污染元素为Cd，Zn，Mn，变异系数值高，受人为干扰因素影响较大。

(2)根据评价等级计算公式分别算出3个监测点位的内梅罗综合污染指数，将所得数值与表1地表水体中重金属污染评价标准进行比较，整体来看，研究区域地表水体水质污染程度处于安全的状态。研究区土壤中矿洞口点位的重金属Cd和Zn，污水处理设施排放口点位的重金属Mn均在重度污染水平以上，除矿山居民区外，其余点位综合污染指数远超重度污染标准，土壤重金属污染受多种重金属元素影响，生态风险较高。