密云水庫上游礦產資源開發對土壤環境的影響

石國峰，馮金國，邢雨鑫，丁 霞

（北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

0 前言

（1）密云水庫作為北京的“生命水”直接關系到首都社會、經濟的可持續發展。作為密云水庫主要的供水河流白河和潮河流域內的土壤環境狀況對密云水庫的影響至關重要。

本次工作主要對密云水庫上游白河主要支流湯河、琉璃河流域和潮河流域內礦產資源開發對土壤環境影響現狀調查，通過資料收集、實地調查、土壤樣品采集和測試分析，經過對測試成果的分析評價，最終劃分出工作區內土壤污染范圍，并提出初步的治理對策建議。

1 工作區礦山地質環境現狀

根據實地調查可知，其中琉璃河流域主要為金礦分布、湯河流域主要分布鐵礦和金礦分布、潮河流域內主河流域主要為鐵礦分布、支流牤牛河主要為金礦分布。

(1)土壤樣品采樣

本次共采取土樣250件。樣品主要圍繞礦山及周邊區域采取。

(2)土壤樣品測試指標

土壤分析測試主要針對樣品中的微量元素和重金屬，主要測試指標為：pH值、全銅（Cu）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、鋅（Hg）。

(3)土壤重金屬總量分布特征

工作區內土壤和沉積物中重金屬含量分析如表1所示。工作區內土壤、沉積物中重金屬以國家標準中土壤中重金屬元素含量背景值作參比。

從表1可以看出，湯河流域內土壤中重金屬元素只有鉛（Pb）的平均含量高于2倍以上，銅（Cu）、鋅（Zn）和鉻（Cr））平均含量高于背景值1倍左右，鎘（Cd）和砷（As）均低于背景值。

琉璃河流域內土壤中重金屬元素只有銅和鉻高出背景值1倍左右，其他元素含量的平均值均低于背景值。

潮河流域內土壤中重金屬元素的平均含量只有鉛（Pb）高于背景值2倍和鉻高于背景值1倍左右，其他重金屬元素的平均含量均低于背景值。

2 礦山土壤環境評價

2.1 評價方法選取

本次土壤污染評價方法采用單種元素的地累積指數污染評價和區域多元素的污染負荷指數評價等方法對工作區流域內的土壤進行評價。

表1 工作內土壤重金屬含量分布

（1）重金屬富集程度

富集因子是評價人類活動對土壤中重金屬富集程度影響的參數，為了減少采樣和制樣過程中人為影響以及保證各指標間的可比性與等效性，以參比元素為參考標準，對測試樣品中元素進行歸一化處理。參比元素要求不易受所在環境與分析測試過程的影響，性質較穩定。常用的參比元素為鈧（Sc），錳（Mn），鈦（Ti），鐵（Fe），鋁（Al），鈣（Ca）。富集因子的計算公式可表示為：

式中：EF——重金屬在土壤中的富集系數；

cn( sample )，B(backgroundn)——某元素在測試區和參照區濃度（mg?kg-1）；

cref( sample )，Bref(b ackground )——參比元素在測試區和參照區濃度（mg?kg-1）。

根據富集因子大小，可以將元素的富集（污染）程度分為5個級別，污染級別越高受到人類活動的影響越大（見表2）。

（2）污染負荷指數法

污染負荷指數法已廣泛的應用于礦區周邊土壤和沉積物中的重金屬污染評價。污染負荷指數法是Tomlinson 等人從重金屬污染水平的分級研究中提出來的一種評價方法（表3）。該指數由研究區域所包含的多種重金屬成分共同構成，能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻程度，以及重金屬在時間、空間上的變化趨勢，應用比較方便。

污染負荷指數法應先進行最高污染系數（CF）的計算：CFi=Ci/C0i，式中CFi為元素i的最高污染系數，Ci為元素i的實測值，C0i為元素i的評價標準，即背景值。某一點的污染負荷指數（PLI）為：其中，PLI 為某一點的污染負荷指數，n 為評價元素的個數。某一區域（流域）的污染負荷指數為：式中 PLIzone為區域（流域）污染負荷指數，n 為評價點的個數（采樣點的個數）。

表2 富集因子分級表

表3 重金屬污染負荷指數分級與污染程度之間的相互關系

（3）GIS評價

地理信息系統(GIS)是一項以計算機為基礎的新興技術，圍繞著這項技術的研究、開發和應用形成了一門交叉性、邊緣性的學科，是管理和研究空間數據的技術系統。

本項目利用GIS空間分析功能(如空間疊置分析和空間插值分析等)對工作區流域的環境質量中的土壤重金屬污染進行評價。

2.2 礦山土壤環境評價

（1）土壤重金屬富集程度

①湯河流域土壤富集程度

本區研究選取性質穩定的鈧（Sc）元素作為參比元素，對湯河流域內土壤進行分析，結果如下圖所示。由圖1可以看出，53件樣品中，其中13件樣品中有重金屬元素EF值超過1.達到輕微污染；4件樣品中有重金屬元素的EF值超過2，達到富集以上的富集程度。其中4號樣品點中的銅（Cu）、鉛（Pb）和鎘（Cd）以及14號樣品的銅（Cu）、鉛（Pb）和鎘（Cd）富集程度顯著，鋅（Zn）甚至達到了顯著富集。大部分小于1的樣品點，基本屬于無富集，可以認為這種元素主要受母質巖風化侵蝕和土壤揚塵等自然源的控制，基本不受人為因素的影響或受人為影響很小。而富集程度較強的個別樣品點主要受人為源的影響。

圖1 湯河流域內土壤中各重金屬元素富集因子圖

圖2 琉璃流域內土壤中各重金屬元素富集因子圖

湯河流域內土壤重金屬的富集程度為：鋅（Zn）＞鉛（Pb）＞鎘（Cd）＞鉻（Cr）＞砷（As）。

②琉璃河流域土壤富集程度

如圖2所示。53個樣品主要富集程度為輕微污染，其中8號樣品中重金屬元素Cd、20號樣品中重金屬元素Cr以及30號樣品中重金屬元素Cr有所富集。通過富集因子對該區域內樣品的分析結果得知，該區域內土壤中重金屬元素的富集程度為：鎘（Cd）＞鉻（Cr）＞銅（Cu）＞鉛（Pb）＞鋅（Zn）＞砷（As）。

③潮河支流牤牛河流域內土壤富集程度

結果如圖3所示。55個樣品中有27個樣品達到了中度富集以上的富集程度，其中個別樣品點46、50、51和54號樣品的鉛（Pb）元素達到了顯著富集。其他達到中度富集程度的元素主要為鎘（Cd）和鋅（Zn）。通過富集因子對該區域內樣品的分析結果得知，該區域內土壤中重金屬元素的富集程度為：鉛（Pb）＞鎘（Cd）＞鋅（Zn）＞鉻（Cr）＞銅（Cu）＞砷（As）。

圖3 牤牛河流域內土壤中各重金屬元素富集因子圖

表4 潮白河流域土壤重金屬含量分布

（2）污染負荷指數法分析

本研究土壤的評價標準采用國家土壤背景值，工作區的重金屬污染負荷指數法的評價結果表明，潮河、白河支流流域內污染程度較輕，只有個別區域污染較重（表4）。

（3）GIS評價

根據分析成果，采用GIS軟件空間分析功能可知，①湯河口流域土壤重金屬為中度污染區主要為金礦開采區，面積約為20km2；②琉璃河流域土壤重金屬為中度污染區主要位于湯河口馬圈子、西灣子、狼虎哨鐵礦開采區，其中中度污染面積約為14km2；③潮河流域土壤重金屬為中度污染區主要位于密云不老屯鎮東坨古、寨子溝和上甸子金礦集中開采區，其中中度污染約為24km2。GIS軟件評價結果如圖4～圖6。

3 結論

根據評價結果可知工作區流域內整體重金屬污染較輕，但在金屬礦山附近的樣品中重金屬元素鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）和鋅（Zn）等有不同程度的富集，影響局部區域內的水土環境。采用GIS軟件空間分析功能可知，其中①湯河口流域土壤重金屬為中度污染區主要為金礦開采區，面積約為20km2；②琉璃河流域土壤重金屬為中度污染區主要位于湯河口馬圈子、西灣子、狼虎哨鐵礦開采區，其中中度污染面積約為14km2；③潮河流域土壤重金屬為中度污染區主要位于密云不老屯鎮東坨古、寨子溝和上甸子金礦集中開采區，其中中度污染面積約為24km2。

圖4 湯河口流域土壤重金屬污染指數評價圖

圖5 琉璃河流域土壤重金屬污染指數評價圖

圖6 潮河流域土壤重金屬污染指數評價圖

4 土壤環境治理對策

重金屬在土壤中不被微生物降解，且遷移性差，污染特點具有長期性、潛伏性、累積性和不可逆性。一旦土壤中重金屬含量超過環境容量，要清除污染則相當困難，所以在對工作區內的水土環境影響調查評價的同時重點加強對工作區中的水土環境影響防控和對策研究。

4.1 常用治理對策

（1）切斷污染源

區域內主要調查對象為礦業開發對水土環境的影響，主要針對礦山開采和礦山冶煉排放產生的重金屬造成的污染進行嚴格治理，特別是廢渣和污泥中重金屬的回收、綜合利用以及防止對土壤環境的二次污染。完全切斷土壤環境的重金屬污染源需要從礦山開采和冶煉技術水平等全面提高，現階段較難實現。

（2）改良土壤、提高土壤的環境容量

土壤環境具有一定的緩沖和強大的自然凈化能力，對于重金屬輕度污染的土壤可以采取增施綠肥、廄肥、堆肥、腐質酸類有機肥，以提高土壤有機肥的含量，增加對重金屬的吸附絡合螯合作用，或砂摻粘，以改良砂性土壤，在非石灰性土壤中增施碳酸鈣，提高pH值，使更多的溶解態重金屬變為沉淀態。提高土壤的環境容量。

（3）客土或換土

被重金屬嚴重污染的土壤，可采用客土或換土的方法進行處理。采用客土法是在污染嚴重的土壤上蓋上非污染土壤; 換土法是部分或全部挖出污染土壤而換上非污染土壤，這是徹底清除土壤重金屬污染的最有效手段，但對換出的污染土壤必須進行專門集中堆放或深埋處理，防止二次污染。

（4）利用植物修復去除重金屬污染

植物修復技術是以植物忍耐和超量積累某些污染物質的理論為基礎，利用植物及其共存的微生物體系，清除環境中污染物的一門環境污染治理技術。植物對污染點的修復有3種方式: 植物固定、植物揮發和植物吸收。

而植物修復土壤重金屬污染具有如下優點: ①綠色凈化，清潔空氣；②經濟有效，費用經濟；③在原地去除污染物污染；④產生的富金屬植物殘體，可再循環利用；⑤美化環境。如今，植物修復作為一種高效生物修復途徑已被科學界和政府部門認識和選用。

4.2 治理措施

根據實地調查、樣品測試和分析評價成果可知，密云水庫上游白河主要支流湯河、琉璃河流域和潮河流域內礦山及周邊土壤環境中重金屬污染較輕，僅局部金屬礦山重金屬為中度污染，且分布面積較小。工作區作為密云水庫上游匯水區域和北京市重要的生態涵養區，對其區內土壤重金屬治理對策主要采取客土或換土和利用植物修復去除重金屬污染的方法進行。

客土或換土主要對區內土壤重金屬嚴重污染區域。根據調查可知，區內土壤中重金屬嚴重污染區域主要為以往個人私自煉金場所和煉金遺留的金礦尾砂堆放處。這些地方分布較散，雖然每個點的面積不大一般為100～500m2，但其污染嚴重，所以采用換土方法將其徹底清除，并將換出的污染土壤進行專門集中堆放。

利用植物修復去除重金屬污染的方法主要考慮針對那些土壤重金屬污染中度至輕微影響的區域，結合北京生態涵養區的特征，選取一些超積累植物。植物的選擇根據污染土壤特性、污染的程度、當地的農業生產習慣、氣候條件、經濟技術水平及預期達到的修復目標綜合考慮。一般常用植物有芥菜、香根草、蒼耳、紫穗槐對Pb具有超富集，狗牙根、菜蕨、香附子對Mn具有超富集，菰、菖蒲、球果蔊菜對Cd具有超富集等。現北京常用的去除重金屬污染植物為紫花苜蓿主要用于尾礦庫。

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