銅陵市城市地質環境質量評價研究

王旭東, 劉 海, 吳 盾, 劉桂建

(1.中國科學技術大學 地球和空間科學學院,安徽 合肥 230026; 2.安徽省公益性地質調查管理中心,安徽 合肥 230041; 3.安徽省煤田地質局 勘查研究院,安徽 合肥 230088)

銅陵市位于安徽省中南部,長江下游南岸,現轄三區一縣,面積1 205 km2。近年來,隨著銅陵市礦業經濟迅速發展,資源衰減以及水土污染、巖溶塌陷、采空塌陷、滑坡等一系列地質環境問題日益突出,導致地質環境逐步惡化,嚴重制約著銅陵市社會經濟可持續發展,因此,開展銅陵市城市地質環境質量評價研究具有重要的現實意義。在對銅陵市城市地質環境現狀系統調查的基礎上,重點闡述了城市建設中存在的水土污染、采空塌陷、巖溶塌陷等主要地質環境問題,對所取土樣和水樣進行分析,在此基礎上采用層次分析法對銅陵市城市地質環境質量進行了科學評價,研究成果為銅陵市“十三五”規劃期間城市規劃建設的可持續性科學發展提供地質保障依據,也為同類型城市進行城市規劃和評價提供借鑒。

1 區域地質背景

1.1 地質環境條件概述

1.1.1 地形地貌

研究區地處沿江丘陵平原區,地形總體呈現南高北低。其中,北部為長江河漫灘,地形平坦低洼;中部為二級階地;南部為丘陵區,地形起伏大,相對高差也較大。

1.1.2 地質構造

在區域地質構造單元上,研究區處于揚子陸塊下揚子凹陷中的沿江褶斷帶,屬于凹陷中的次級隆起。褶皺由一系列北東向背、向斜構成,背斜緊閉,向斜開闊,自西向東分別為金口嶺向斜、銅官山背斜、陶家山向斜、青山背斜。斷層在南部丘陵區十分發育,主要有北東、北西、近南北向三組(見圖1)。

1.1.3 地層巖性

區內地層除缺失下中泥盆統外,從志留系至第四系均較發育。全區地層巖相以碳酸鹽巖層最為發育,累計厚度可達1 500 m以上,南部青山、銅官山地區,除出露碳酸鹽巖外還有碎屑巖、侵入巖出露,北部地區多為松散第四系堆積物分布。

1.2 水文地質概述

已有研究資料表明,基于地下水賦存條件、含水介質及水動力特性,研究區地下水可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖(紅層)孔隙裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、基巖裂隙水4個主要類型?安徽省地質礦產勘查局321地質隊,安徽省銅陵城市地質調查報告,2015。。南部青山、銅官山地區,地勢高,地下水徑通流暢,水交替迅速,水質類型以HCO3-Ca型為主,礦化度<0.5 g/L,pH值7.0左右,為微硬水;中北部沿江平原及紅星河、鐘倉河支流平原地區,主要由全新統、中更新統的砂土、粘性土組成,該區地勢平坦,徑流條件較好,地下水水質類型主要為HCO3-Ca型,次為HCO3-Ca·Mg,礦化度一般<0.78 g/L。

2 地質環境問題

圖1 研究區區域構造綱要示意圖Fig.1 Sketch map of the regional-tectonic outline of the studied area

1.工作區范圍;2.閃長巖;3.石英二長閃長巖;4.石英閃長玢巖;5.花崗閃長巖;6.背斜軸線;7.向斜軸線;8.基底斷層及編號;9.斷層;10.不整合界線。

研究區以礦產資源儲量豐富、礦種全而聞名,尤其以銅礦開采聞名于世,是全國重要的有色金屬基地。已探明礦種主要有銅、硫、鐵、金、銀、煤、石灰石等,其儲量均位于全省前列。受東西向基底斷裂和北東向隔擋式褶皺控制,在銅陵市中部自西向東有銅官山、獅子山、新橋、鳳凰山等4個銅礦田,分布于銅官山區、獅子山區、順安鎮。銅、金等多金屬從20紀50年代開始開采,以坑采為主,水泥用石灰巖從20世紀90年代開始開采,均為露采。據2014年統計資料,銅陵銅礦石年產量676.97萬t,硫鐵礦年產量約 174.81萬t,水泥用灰巖年產量約2 696.94萬t。礦山開采量大,帶來的地質環境問題多。

2.1 礦山地質環境問題

研究區內大批礦山建成于20世紀50-60年代,受當時技術條件的限制,礦產資源開發極大地改變了礦山生態系統的物質循環和能量流動方式,造成了嚴重的地質及生態環境破壞。針對研究區礦山地質環境問題,基于大量實物資料、研究報告、科學文獻的調研和整理,歸納了該區主要礦山地質環境問題(見表1)。

表1 研究區主要礦山地質環境問題匯總表Table 1 The summary sheet of the geological environment problems of the main mine in the studied area

注:部分數據來源于《安徽省礦山地質環境監測網建設試點項目總結報告》。

? 安徽省公益性地質調查管理中心,安徽省地質災害汛前調查報告,2015。

2.2 地下水污染問題

2.3 地質災害問題

2.3.1 巖溶塌陷

巖溶塌陷是研究區最嚴重的地質災害之一,也是礦區較為突出的地質環境問題。早于20世紀50年代在巖溶充水礦山就有巖溶塌陷出現,50-70年代區內尚且零星出現,規模小,成災輕,未被人們所重視。進入80年代,地方經濟飛速發展,礦產資源及巖溶水資源被大量開采,巖溶塌陷日益頻繁,尤其是一些礦山疏干排水引發了大規模的巖溶塌陷,損失巨大。

自1955年以來,小街區、新橋礦、新民礦等地共產生大小塌陷群17處,塌陷點308個,影響面積達5.25 km2。塌陷區主要分布于新橋、新民、小街地區及金口嶺地區。巖溶塌陷造成部分民房損毀,土地資源破壞。直接經濟損失約1億元。截至目前,研究區現有巖溶塌陷4處,共產生塌坑128處,影響面積52.56×104m2。其中,小街巖溶塌陷規模達到中型級別,其余三個巖溶塌陷均為小型。其產生原因均間接或直接與周邊礦山排水或機井抽水有關。巖溶塌陷破壞市政設施、道路、民房、廠房、農田,造成礦區地表水灌入地下采掘巷道,加大礦山排水壓力,此外還造成礦區周邊農田漏水,無法正常耕種。

2.3.2 采空塌陷

采空塌陷是研究區內較常見的一種地質災害,可劃分為銅礦區采空塌陷和煤礦區采空塌陷。兩者總計11處,影響面積2.42×106m2。11處采空塌陷均為采空區冒頂型塌陷。銅礦采空塌坑往往成群集式分布,塌陷坑間距幾米至上百米不等,在地形上無選擇性;煤礦采空塌坑往往呈長列式分布,長列方向多為45°,群集式分布較少。采空塌陷造成礦區地面下陷,周邊居民房屋開裂倒塌,被迫搬遷安置,同時塌陷也危及礦山自身安全生產。

2.3.3 滑坡和崩塌地質災害

滑坡是研究區主要地質災害之一,主要分布在南部丘陵區,主要由于人類工程切坡或者礦山廢石土的堆積而引起的?；诂F有資料調查統計,區內歷史上發生滑坡23處(含1處不穩定斜坡),其中21處已經治理,現有隱患點2處。崩塌地質災害在研究區內發育相對較少,經調查僅有1處。

3 樣品采集與評價方法

3.1 樣品采集

本文的土壤、地下水元素含量數據來源于安徽省公益性地質調查項目“銅陵市城市地質調查”資料,采樣地點主要位于銅陵市主城區120 km2范圍內,土壤樣品基本按1個點/1 km2采集,采樣深度0～20 cm,共取樣100組,分析元素和指標共54項;水樣主要考慮到研究區碎屑巖(紅層)孔隙裂隙水、基巖裂隙水水量貧乏(泉流量一般0.1～1 L/s),故重點對第四系孔隙水和巖溶水采樣。根據不同地層(Q4、T1h、T1y、P1q、C2+3、νδ等),選用代表性不同的37個水點進行采樣并分析,其中松散巖類孔隙水水樣6個(北部平原區),碳酸鹽巖類裂隙溶洞水水樣31個(南部銅官山、獅子山等礦區)。其中全分析14組,簡分析23組。分析測試工作由安徽省地質實驗研究所等完成。土壤、地下水樣品采集地點,類型,樣品編號見采樣圖(圖2)。

3.2 土壤環境質量評價方法

3.3 地下水環境質量評價方法

研究區地下水環境質量評價標準采用《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)[2],且參考《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[3]。評價方法:先評價各單項組分,并劃分組分所屬質量類別;之后,根據表2,分別確定各類別的單項組分評價分值Fi;最后采用綜合指數(F)法確定地下水水質級別(見表3)。

圖2 研究區土壤、地下水采樣圖Fig.2 The map showing the locations of the soil and underground water samples in the studied area1.T1h和龍山組;2.T1y殷坑組;3.T2t銅頭尖組;4.T2y月山組;5.P2l龍潭組;6.S1m茅山組;二長花崗斑巖;花崗閃長巖;9.實測正斷層;10.實測逆斷層;11.工程地質鉆孔(收集)及編號;12.取土壤樣位置及編號;13.取水樣點位置及編號。

級別分類優良良好較好較差極差F<0.80(0.8,2.5)(2.5,4.25)(4.25,7.2)≥4.25

4 評價結果

4.1 地下水環境質量評價結果

4.1.1 單項評價

表3 研究區地下水水質劃分級別統計表Table 3 The statistics of the division level of underground water ofthe studied area

單項組分評價結果表明,研究區第四系孔隙水一般達到Ⅱ類標準,少數監測點(WJ5、WJ8)達到Ⅳ、Ⅴ類標準,究其原因是上述監測點分別在銅官山區映湖山莊黑沙河旁和獅子山區銅礦排污溝旁,排污溝渠的滲漏將污染物帶入地下水從而對地下水造成污染,地下水中硫酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽、鐵、錳、總硬度等指標超出標準。

單項組分評價評價結果表明,研究區巖溶水水質較好,大多數監測點達Ⅰ類標準,少數監測點達Ⅳ、Ⅴ類。達到Ⅳ、Ⅴ類的項目源于該監測點地下水中硫酸鹽、鐵、錳以及總硬度等指標超出標準。

4.1.2 綜合評價

通過對所有監測點地下水水質按加附注的評分法進行綜合評價,結果表明,研究區巖溶水水質總體較好,局部巖溶水水質較差(WJ4),這些較差地區主要是地下水徑通流暢,水交替迅速,受礦區開采疏干排水及廢水排放影響較大;第四系孔隙水水質主要為較好,部分較差—極差(WJ2、WJ3)。

較差—極差地段主要分布于市區及城郊集鎮區以及農墾區,上述區域地下水中鐵、錳、硫酸根、氨氮、亞硝酸鹽等指標超出標準,究其原因鐵、錳離子富集主要與還原環境和介質中含鐵、錳有關。坡洪積含水層以及巖溶含水層上覆粘性土中都含有豐富的鐵、錳成分,同時含水層普遍具有二元結構,大氣降水垂直入滲補給較弱,缺氧易形成還原環境,介質中有較穩定的高價鐵、錳氧化物,還原成低價的鐵、錳的易溶鹽并離解出大量的二價鐵、錳離子,使得地下水中的鐵、錳離子含量較高,從而形成較高的背景值。

手術定在下個周一。我故作輕松地告訴他們，我要去出趟長差，前段時間讓他們適應城市生活也是為了出差做準備。

4.2 土壤環境質量評價結果

4.2.1 單項評價

經對研究區100組土壤樣品重金屬含量的測試,并對測試結果進行單項指標評價,研究結果表明,8項檢驗重金屬元素達到一級標準的樣品僅有18組,達到二級標準的樣品43組,達到三級標準的樣品27組,而超過三級標準限值的樣品12組,即意味著研究區12%的土壤樣品已經超過保障農業生產和植物正常生長的土壤臨界值。

大部分(62%)采樣點八項重金屬元素單項污染指數Pi≤1(Pi=Ci/Si,Pi為土壤中污染物i的單項指數;Ci為土壤中污染物i的實測數據;Si為污染物i的評價標準。),說明研究區大部分土壤未受污染,但是亦有38%采樣點一項或以上重金屬元素單項污染指數Pi>1,特別是TR98監測點Hg元素單項污染指數Pi高達108.5,說明該監測點Hg元素污染很嚴重,該點位于銅官山礦區金口嶺銅礦北面,受銅金礦開采影響較大,Hg為銅金礦開采的伴生金屬,礦坑淋濾水隨著地形南高北底流向北面,使礦井北面部分地段受到污染,但Hg元素污染呈現單點形式,其他地區未受到Hg污染。因此,就單項指標的污染評價結果來說,研究區局部地區土壤已經受到不同重金屬元素的污染。

4.2.2 綜合評價

根據本次土壤取樣分析資料,按綜合污染指數法(內梅羅污染指數法)進行污染程度綜合評價,評價結果(圖3)表明,分別有43%和26%的樣品達到安全和警戒線等級,另有21%的樣品達到輕污染,3%的樣品達到中污染,7%的樣品達到重污染等級。重—中污染主要集中在礦山及城區地段,其中重度污染主要分布在研究區南部的銅官山、獅子山礦井周邊,污染元素主要為Cu、As、Cd、Hg,可見礦山開采以及人類生產活動是造成研究區重金屬污染的首要原因。污染主要以砷(As)為例進行說明,TR105、TR106采樣點位于銅官山礦區周邊,實測值分別為72 mg/kg、74.4 mg/kg,計算單項污染指數分別為2.4和2.48。已有研究表明[4],銅官山銅礦床伴生有害元素主要為As,礦石樣品分析資料表明,金礦體砷平均含量為2.35%,全礦床砷平1.地質環境質量好區;2.地質環境質量中等區;3.地質環境質量分區界線;4.地質環境質量較好區;5.地質環境質量較差—差區;6.研究區范圍。

圖3 研究區土壤污染綜合評價分級圖Fig.3 The comprehensive evaluation level of soil pollution in the studied area1.安全等級;2.警戒線等級;3.輕污染等級;4.中污染等級;5.重污染等級;6.工作區范圍。

圖4 研究區城市地質環境質量評價模型圖Fig.4 The map showing the evaluation model of the quality of urban geological environment for the studied area

圖5 研究區城市地質環境質量綜合評價圖Fig.5 The map showing the comprehensive assessment of the quality of urban geologicalenvironment for the studied area

均含量為1.20%?安徽省地質礦產勘查局321地質隊,安徽省銅陵市天馬山硫金礦床勘探報告,2014。。由此看出,鑒于研究區內金屬礦山數量眾多,礦坑含砷廢水外排,礦山廢石、廢渣堆放地表,大氣降水淋濾,都可能對土壤產生一定的污染。

考慮到研究區中北部為新建開發區和湖蕩區,人類工程活動相對較弱,結合圖3中TR38、TR65土壤樣品的綜合評價結果,該區土壤污染等級相對較低,為安全等級型土壤。

5 研究區城市地質環境質量評價

5.1 評價方法

一般而言,城市地質環境是由多因素相聯系而組成的復雜系統,綜合評價每個區域的地質環境質量,對城市規劃建設和城市地質體開發具有十分現實的意義[5]。綜合上文闡述的地下水、土壤地質環境問題,現將影響研究區城市地質環境質量的因素主要劃分為原生地質環境因素、次生地質環境因素和人為因素3類,即3類評價指標。參考前人研究成果[6-7],進一步將影響研究區地質環境評價的因子確定為15個,建立評價模型(圖5)。在此基礎上,通過層次分析和專家評判(專家打分法)相結合的方法確定出各評價指標的權重。

按公里網將市區劃分成11×11個基本單元,各指標取值的標準化值乘以該指標的權重(見圖4),之后求和,即得到研究區各區域的綜合城市地質環境質量評價結果(圖5)。

5.2 評價結果分析

圖5表明,銅陵市城市地質環境質量整體上呈現從西北向東南逐漸變差趨勢,主要是西北向為城市新建區和湖蕩區,地形較為平坦,水質較好,地質災害較少,評價結果好。中部及東北部主要為城市老城區及農墾區,受人類活動影響較大,水質一般,水土污染以面源為主,地質災害較多,評價結果為較好—中等。東南部主要為獅子山、銅官山、天馬山等老舊采礦、選礦(冶金)加工區,也是原立新煤礦開采區及煤化工基地等,為丘陵區,地形坡度較大,水土流失嚴重,因采礦引起的地面塌陷災害、地下水、土壤污染等也較為嚴重,評價結果為較差—差。這些評價結果與銅陵市礦山、化工、電力、冶金等行業分布較為吻合,具體是評價結果好的區域總面積為53.5 km2,其主要分布在銅陵市經濟技術開發區、西湖新區等地,占評價區總面積的44.21%;較好區域面積為50.7 km2,其主要分布在建成區以及西湖、東湖、天井湖周邊地區,占評價區總面積的41.90%;中等區域面積為10.0 km2,其主要分布在烏木山、螺螄山、筆架山、青山等丘陵坡麓地區以及原立新煤礦區外圍(背斜翼部),占評價區總面積的8.26%;較差—差區域面積為6.8 km2,其主要分布在天馬山、獅子山及原立新煤礦區(背斜核部,煤層露頭線附近),占評價區總面積的5.62%。

6 結論和建議

(1) 銅陵市第四系孔隙水水、地下巖溶水水質總體較好,部分較差—極差。較差—極差地段主要分布于市區及城郊集鎮區以及農墾區。針對污染地段,建議進一步完善地表排水系統,防止大氣降水、工業及生活污水下滲;同時加強地下水治理工程,通過隔水密閉墻等系統,減弱周邊礦山生產對地下含水層破壞及造成的污染。

(2) 銅陵市土壤大部分沒有受到污染,但局部地區污染嚴重,重—中污染主要集中在礦山及城區地段,新建開發區和湖蕩區污染較輕。對于污染嚴重區,建議加強對污染源頭的控制,尤其加強礦區淋濾水的處理和農業面源污染的控制。

(3) 銅陵市地質環境質量總體較好,天馬山、獅子山及原立新煤礦區等局部地區質量較差。較差地區已超過了生態環境紅線和地質環境底線,今后需加大生產礦山的地質環境保護、閉坑礦山的地質環境恢復治理及礦區土壤重金屬污染的修復。結合銅陵市城市規劃,對南部金屬礦山采空區建議不要建設重要建設工程,防止采空塌陷帶來危害;對于中部煤礦采空區應在地面變形趨于穩定后進行工程建設。

(4) 針對銅陵市城市地質環境質量總體特點,筆者認為,銅陵市今后應重點加強污染源頭控制,尤其是加強東南部礦山開采時的“三廢”處理,對礦石堆場、廢石堆進行防滲處理,對淋濾水進行收集處理,同時完善污水處理措施,加強污水凈化,改進處理方法,切實符合排放標準。