煤礦工業場地土壤重金屬污染評價

高文文，白中科，2，余勤飛

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3.天津工業大學管理學院，天津 300387)

煤礦工業場地土壤重金屬污染評價

高文文1，白中科1，2，余勤飛3

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3.天津工業大學管理學院，天津 300387)

為了監測、識別煤礦工業場地(潛在)重金屬污染物及污染狀況，運用單因子指數、內梅羅指數和潛在生態危害指數對安太堡煤礦工業場地集中區土壤表層(0～20 cm)中As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn六種重金屬元素的污染狀況進行了全面評價。通過研究發現：以山西省土壤環境背景值為評價標準時，土壤受到不同程度的污染，且Hg的各項指數、系數均較大，為主要的污染因子，故需加強監測與防控；但研究區內土壤中各重金屬元素含量均小于土壤環境質量二級標準，即土壤中重金屬未對礦區環境造成實際污染危害；從污染分布區域看，土壤重金屬污染程度表現為洗煤廠>油庫(污水處理廠)>炸藥廠>儲煤倉(維修中心)>矸石電廠>調度室>倉儲用地(維修廠)，這與煤礦的生產活動、工藝流程及黃土高原區的土壤特性密切相關。

工業場地；煤礦；土壤；重金屬污染；綜合評價

礦產資源整合、資源枯竭(閉坑)和歷史遺留產生了大量廢棄的煤礦工業場地，使土地資源的安全再利用成為亟待解決的問題。《全國土壤污染狀況調查公報》結果顯示：采礦區作為調查的典型地塊之一，在調查的70個礦區的1672個土壤點位中，超標點位占33.4%。因此，進行礦區土壤環境相關問題研究，對科學合理修復礦區受損生態系統，確保礦區生產安全、糧食安全、生態安全、人居安全意義重大，礦區土壤環境問題及其生態修復研究已成為我國目前環境污染領域的研究熱點問題之一[1]。

煤礦工業場地是煤礦的重要組成部分，是進行煤礦洗選、加工、儲運等生產活動的重要場所，主要以占用和污染兩種方式損毀土地，是產生環境污染的主要來源之一。目前，我國工業場地土壤重金屬污染評價方面的研究主要集中在冶煉廠[2-3]、焦化廠[4-7]、化工廠[8-11]、電鍍污染場地[12]、石油開采場地[13-14]等遺留場地或廢棄場地[15]，對于礦區尤其是煤礦區工業場地的研究少且不深入。在對礦區工業場地重金屬污染的研究中，以金屬礦為研究對象的多[16-18]，煤礦少[19-20]；以煤礦為研究對象的，多數是以排土場[21]、采掘場為例，而對工業場地的研究較少，且其研究多數關注于工業活動對周邊土壤環境及人類健康的影響[22]，忽略了工業場地自身的污染。因此，對煤礦工業場地自身的土壤重金屬污染進行評價很有必要。本文通過計算單因子指數、內梅羅指數和潛在生態危害指數對安太堡煤礦工業場地不同功能區的土壤重金屬污染進行綜合評價，為煤礦工業場地(潛在)重金屬污染物及污染狀況的監測和識別提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安太堡露天煤礦(以下稱ATB礦)地處黃土高原東部，山西省朔州市區與平魯區交界處。其地理坐標為東經112°45′58″～113°53′，北緯39°3′45″～39°58′29″。自1985年建設開始，至今已開采近30年，將來還要經歷60余年的開采。礦區所在地屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，冬春干旱少雨，寒冷多風，夏秋降水集中，溫暖濕潤。全區水資源匱乏，水蝕、風蝕嚴重。土壤處于栗褐土與栗鈣土的過渡帶，呈中性偏堿性，吸附重金屬的能力強。

ATB礦工業場地位于平朔礦區的南部，建成于1987年，面積約192.4hm2，包括煤礦洗選加工區、輔助生產設施、運輸及倉儲設施、公用工程設施、行政服務和生活服務設施等用地，是一個工業場地集中區。其中，輔助生產設施包括機修廠、污水處理系統、油庫、炸藥庫等；公用工程設施包括供水、供熱和供電系統；倉儲運輸設施包括材料庫、設備庫、煤倉、場地內運輸軌道和道路等；行政服務與生活設施用地包括辦公樓、招待所、生產調度、消防站等。工業場地主要污染遷移途徑包括大氣污染、水污染和固體廢物污染，這些類型的污染物最終會沉降或吸附于土壤中，通過長期的累積和疊加效應造成土壤污染。

1.2 土壤樣品采集及處理

根據分區布點原則及煤礦洗選工藝，土壤采樣按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T166-2004)進行。區內共布設12個樣點，其中機修廠和洗煤廠排水溝污泥為兩個特殊點位。每個樣點由3～4個鉆孔點混合而成(圖1)。采用長120cm、直徑5cm的劈裂式采集器進行采集。采取樣點時采用GPS定位，每個樣點均采取表土(0～20cm)進行檢測。

土樣經風干后過0.25mm的尼龍網篩。結合研究區生產工藝流程中添加的試劑成分等多種因素，選擇As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn六種重金屬元素進行測定。As和Hg用原子熒光光法[23]測定。Cd和Pb用石墨爐原子吸收分光光度法[24]測定。Cr用火焰原子吸收分光光度法[25]測定，Zn用火焰原子吸收分光光度法[26]測定。采用數理統計方法進行數據處理后，采樣點土壤pH及污染元素檢測結果見表1。

圖1 研究區土壤采樣點分布圖

1.3 評價標準與評價方法

1.3.1 評價標準

根據本文研究對象，分別以國家環境保護總局修訂的《土壤環境質量標準(征求意見稿)》(GB15618-2008)中的一級標準即山西省土壤環境背景值(Primary standard，PS)[27]和二級標準即篩選值(Secondary standard，SS)為評價標準進行研究(表2)。

表1 研究區土壤采樣點污染元素檢測結果表

注：1～12分別代表機修廠土壤、污水處理廠土壤、儲煤倉附近土壤、維修廠土壤、倉儲用地土壤、維修中心附近土壤、調度室、洗煤廠附近土壤、洗煤廠排水溝污泥、油庫土壤、炸藥廠附近土壤、矸石電廠土壤。

表2 土壤環境質量評價標準/(mg·kg-1)

1.3.2 評價方法

目前，土壤環境質量評價在環境科學中正處于普遍應用和迅速發展的時期。土壤重金屬污染評價的方法不止一種，但由于各評價方法都有一定的優點和缺點，故本文結合多種方法從不同角度對安太堡煤礦工業場地的土壤重金屬污染進行綜合評價分析，從而達到全面評價的目的。

單因子指數法計算過程簡便，直觀反映土壤中每一種重金屬的污染情況，但不能反映土壤綜合污染情況。內梅羅指數法恰好與之互補。潛在生態危害指數法考慮了各元素的潛在生態危害系數及各重金屬元素的毒性效應，其評價結果可反映重金屬污染的潛在生態危害，是土壤環境質量評價的根本目的。

1.3.2.1 單因子指數法

單因子污染指數計算公式，見式(1)。

(1)

式中：Pi為單因子污染指數；Ci為污染物的測定值；Si為污染物的評價標準。單因子污染指數等級劃分標準見表3。

1.3.2.2 內梅羅指數法

內梅羅指數法計算公式，見式(2)。

(2)

式中：PN為內梅羅指數即土壤中重金屬元素的綜合污染指數；Ci、Si同上；i為重金屬的種類；n為參與評價的重金屬種類總數。綜合污染指數等級劃分標準見表3。

1.3.2.3 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數的計算式，見式(3)～(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

2 結果與分析

2.1 單因子指數法評價結果及分析

以土壤環境背景值為評價標準時，Zn、Pb、Cd、Cr、As的平均單因子指數評價結果均為輕微污染。Hg的平均單因子指數評價結果為輕度污染。特殊點位1和9樣品中Hg的單因子指數評價結果均為重度污染。當以二級標準為評價標準時，研究區內土壤重金屬元素的單因子污染指數均小于1，土壤處于清潔狀態，等級為I級(表4)。

2.2 內梅羅指數法評價結果及分析

當以土壤環境背景值為評價標準時，土壤的綜合污染指數均大于1，即均受到不同程度的污染。其中，輕度污染的點位比例為40%，中度污染的點位比例為50%，重度污染的點位比例為10%。重度污染的點位為8號點位，位于洗煤廠附近，最大值為Hg元素單因子污染指數。特殊點位1和9的綜合污染指數評價結果均為重度污染，最大值均為Hg元素。由此可見，相對于土壤背景值研究區內部分點位的Hg元素含量較高，這與單因子指數法評價結果一致。當以二級標準為評價標準時，研究區各點位土壤的綜合污染指數均小于0.7，土壤屬于清潔狀態，為I級(表5)。

表3 土壤重金屬污染評價分級標準

表4 ATB礦工業場地土壤重金屬單因子污染指數評價結果

表5 ATB礦工業場地土壤重金屬綜合污染指數評價結果

2.3 潛在生態危害指數法評價結果及分析

以山西省土壤環境背景值為評價標準時，土壤重金屬的總污染參數平均為8.95，平均污染程度為中度污染，另外特殊點位1的土壤重金屬總污染程度很高，點位9的土壤重金屬總污染程度較高。各重金屬元素的總潛在生態危害指數平均為163.29，平均潛在生態危害程度較高，另外特殊點位1和9的潛在生態危害程度均很高。Hg的潛在生態危害系數遠遠大于其它元素，對RI的貢獻率非常高，說明土壤中Hg的污染程度相對較高，應受到重視。以二級標準為評價標準時，各重金屬元素的總污染程度很低，均小于5；潛在生態危害程度也很低，均遠小于65。平均潛在生態危害指數的最大值12.55，最小值9.84，平均值11.54，各項結果均表明潛在生態危害很低(表6，表7)。

表6 各點位的總污染程度、潛在生態危害系數、指數

表7 土壤重金屬總污染程度、潛在生態危害系數、指數統計結果

2.4 三種評價方法的結果比較

土壤環境質量評價的兩個主要方面分別為污染程度和污染分布。基于以上三種評價方法，ATB礦工業場地土壤重金屬污染結果對比如下所示。

1)運用不同方法所得的評價結果顯示Hg的各項指數、系數較其它元素均較大，洗煤廠土壤中Hg的單因子指數最大，而特殊點位Hg的單因子指數遠大于洗煤廠。采用不同評價標準所得結果有所不同，而當采用山西省土壤背景值為評價標準時土壤重金屬污染最嚴重，這與樊文華[30]、秦俊梅[31]等的研究結果一致。

當以土壤環境二級標準為評價標準時，研究區內土壤中各重金屬含量均小于篩選值，運用不同方法計算所得的評價結果均顯示土壤清潔無污染，等級為I級。由此可知研究區內土壤重金屬尚未發生實際污染危害，無需與整治值進行進一步比較。

2)從區域分布上看，不同的評價方法反映出的土壤重金屬污染結果基本一致。綜合污染程度表現為洗煤廠>油庫>污水處理廠>炸藥廠>維修中心>儲煤倉>矸石電廠>調度室>倉儲用地>維修廠。潛在生態危害指數法結果表現為洗煤廠>污水處理廠>油庫>炸藥廠>儲煤倉>維修中心>矸石電廠>調度室>維修廠>倉儲用地。其中，油庫與污水處理廠、儲煤倉與維修中心、倉儲用地與維修廠的污染程度相當，故內梅羅指數法與潛在生態危害指數法評價所得的污染分布基本一致。特殊點位1號和9號即機修廠和洗煤廠內排水溝的表層污泥中聚集了較多的重金屬，這與煤礦的生產活動和工藝流程密切相關。

3 結 論

1)以環境背景值為評價標準時，土壤受到不同程度的污染，且Hg的各項指數、系數均較大，需加強監測與防控。但研究區內土壤中各重金屬元素含量均小于土壤環境質量二級標準，即土壤重金屬未對礦區環境造成實際污染危害。

2)從污染分布區域看，土壤重金屬污染程度表現為洗煤廠>油庫(污水處理廠)>炸藥廠>儲煤倉(維修中心)>矸石電廠>調度室>倉儲用地(維修廠)，這與煤礦的生產活動、工藝流程以及黃土高原區的土壤特性密切相關。

隨著工業活動的加強，煤礦工業場地土壤中的重金屬會逐漸積累，導致其污染日益嚴重。因此，未來研究煤礦工業場地土壤中重金屬的來源及其在土壤中的遷移和轉化規律是必然趨勢，從而以“節源開流”的手段雙向控制土壤中重金屬。

[1] 白中科，付梅臣，趙中秋，等.論礦區土壤環境問題[J].生態環境，2006，15(5):1122-1125.

[2] Shikazono N，Zakir H M，Sudo Y，et al.Zinc contamination in river water and sediments at Taisyu Zn-Pb mine area，Tsushima island，Japan[J].JournalofGeochemicalExploration，2008，98(3)：80-88.

[3] 孫銳，舒帆，孫衛玲，等.典型鉛鋅礦區水稻土重金屬污染特征及其與土壤性質的關系[J].北京大學學報：自然科學版，2012，48(1):139-146.

[4] Chrysikou L，Gemenetzis P，Kouras A，et al.Distribution of persistent organic pollutants，polycyclic aromatic hydrocarbons and trace elements in soil and vegetation following a large scale landfill fire in northern Greece[J].EnvironmentInternational，2008，34(2)：210-225.

[5] Agca，Necat；Ozdel，Engin.Assessment of spatial distribution and possible sources of heavy metals in the soils of Sariseki D?rtyol District in Hatay Province (Turkey)[J].EnvironmentalEarthSciences，2014：1-15.

[6] Benhaddya M L，Hadjel M.Spatial distribution and contamination assessment of heavy metals in surface soils of Hassi Messaoud，Algeria[J].EnvironmentalEarthSciences，2014，71(3)：1473-1486.

[7] 劉庚，畢如田，王世杰，等.某焦化場地土壤多環芳烴污染數據的統計特征[J].應用生態學報，2013，24(6):1722-1728.

[8] Meuli R，Schulin R，Webster R.Experience with the replication of regional survey of soil pollution[J].EnvironmentalPollution，1998，101(3)：311-320.

[9] 潘云雨，羅飛，徐正國，等.化工廠場地酸化土壤工程化中和修復案例研究[J].環境監測管理與技術，2011，23(3):52-56.

[10] 李細紅.遺留遺棄污染場地調查及風險評價[D].長沙：湖南農業大學，2011.

[11] 沈婷婷.某化工廠鉻渣堆場及周邊土壤重金屬污染風險評估研究[J].環境科學與管理，2014，39(7):172-176.

[12] 陳志良，周建民，蔣曉璐，等.典型電鍍污染場地重金屬污染特征與環境風險評價[J].環境工程技術學報，2014，4(1):80-85.

[13] 杜顯元.石油開采區土壤污染物源解析、毒性及快速檢測方法研究[D].保定：華北電力大學，2012.

[14] 董亞明，趙朝成，蔡云，等.新疆石油污染土壤植物修復特性研究[J].干旱區研究，2013，30(1):162-165.

[15] 李海霞，胡振琪，李寧，等.淮南某廢棄地礦區污染場的重金屬污染風險評價[J].煤炭學報，2008，33(4):423-426.

[16] 項萌，張國平，李玲，等.廣西鉛銻礦冶煉區土壤剖面及孔隙水中重金屬污染分布規律[J].環境科學，2012，33(1):266-272.

[17] 包正峰，王建旭，馮新斌，等.貴州萬山汞礦區污染土壤中汞的形態分布特征[J].生態學雜志，2011，30(5):907-913.

[18] 郭偉，趙仁鑫，張君，等.內蒙古包頭鐵礦區土壤重金屬污染特征及其評價[J].環境科學，2011，32(10):3099-3105.

[19] Finkelman R B，Gross P M K.The types of data needed for assessing the environmental and human impacts of coa1[J].InternationalJournalofCoalGeology，1999，40(2-3)：91-101.

[20] Dinellie，Tateo F.Factors controlling heavy-metal dispersion in mining areas：The case of Vigonzano (northern Italy)，a Fe-Cu sulfide deposit associated with ophiolitic rocks[J].EnvironmentalGeology，2001，40(9)：1138-1150.

[21] 葛元英，崔旭，白中科.露天煤礦復墾土壤重金屬污染及生態風險評價——以平朔安太堡露天礦區為例[J].山西農業大學學報：社會科學版，2008，28(1):85-88.

[22] 劉靜，陽劍，羅文娟，等.不同行業的污染場地重金屬污染影響(英文)[C].重慶市環境科學學會論文集，2011.

[23] GB/T 22105-2008，土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法[S].2008.

[24] GB/T 17141-1997，土壤質量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法[S].1997.

[25] HJ 491-2009，土壤總鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法[S].2009.

[26] GB/T 17138-1997，土壤質量銅、鋅的測定火焰原子吸收分光光度法[S].1997.

[27] 史崇文.山西省土壤環境背景值[M].北京:農業出版社，1992.

[28] 馬德毅，王菊英.中國主要河口沉積物污染及潛在生態風險評價[J].中國環境科學，2003，23(5):521-525.

[29] 劉成，王兆印，何耘，等.環渤海灣諸河口潛在生態風險評價[J].環境科學研究，2002，15(5):33-37.

[30] 樊文華，白中科，李慧峰，等.復墾土壤重金屬污染潛在生態風險評價.農業工程學報，2011，27(1)：348-354.

[31] 秦俊梅，白中科，李俊杰，等.礦區復墾土壤環境質量剖面變化特征研究——以平朔露天礦為例[J].山西農業大學學報：自然科學版，2006，26(1)：101-105.

Evaluation of soil heavy metal pollution in coal mine industrial site

GAO Wen-wen1，BAI Zhong-ke1，2，YU Qin-fei3

(1.School of Land Science and Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation，Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China；3.School of Management，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Taking Antaibao coal mine industrial site as an example，this paper studied the pollution status and potential ecological risk of heavy metals including AS，Cd，Cr，Hg，Pb，Zn in the soil surface (0 ～ 20cm) comprehensively and respectively，using methods of single factor index，Nemero index and potential ecological risk index.The primary and secondary soil environmental quality standards (GB15618-2008) were taken as the evaluation standard.It is found that the soil is subject to different degrees of pollution when environmental background value is taken as the evaluation standard.The larger index and coefficient of Hg makes it the primary pollution which needs fortified monitoring and control.However，the content of heavy metals in soil is less than what stated in the secondary soil environmental quality standard，namely that the heavy metals didn’t cause actual harm to the mining environment.From the perspective of pollution distribution，the degree of soil heavy metal pollution follows the order of coal preparation plant>oil depot(sewage treatment plant)>explosive factory>coal storage bunker(maintenance center)>gangue fired power plant>dispatching room>storage land(maintenance workshop)，which is closely related to the production activities，the technological processes of the coal mine and the soil property of Loess Plateau area.

industrial site；coal mine；soil；heavy metal pollution；comprehensive evaluation

2015-04-15

國家“十二五”科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAC10B04)；2012年山西省科技重大專項資助(編號：20121101007)

高文文(1991-)，女，碩士研究生，主要從事土地整治與生態恢復研究。E-mail：Gaoww_cugb1991@163.com。

白中科(1963-)，男，山西運城人，教授，博士生導師，主要從事土地整治與生態恢復和環境影響評價方面的研究工作。E-mail：baizhongke@cugb.edu.cn。

TD167；X53

A

1004-4051(2015)08-0059-06