煤矸石場地重金屬元素空間分布與遷移過程研究

戚賞 呂燈 杜丹 劉磊

摘要：以焦作礦區演馬礦煤矸石堆放場地為靶區，分析煤矸石場地及其周邊地區土壤環境中Pb、Cr、Cu、Zn、As、Cd等6種重金屬元素的空間分布特征，研究表明煤矸石風化過程同時也是重金屬元素富集的過程，其遷移主要靠大氣揚塵擴散。以矸石山為中心，明顯影響范圍在長軸方向即礦區常年性盛行風方向達到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右；采用潛在生態危害指數法開展評價，表明研究區重金屬Cr、Cu、Zn、As單因子潛在生態危害較輕，區域生態危害主要來自于重金屬Cd，其次為Pb。

關鍵詞：煤矸石；重金屬元素；空間分布；遷移過程

矸石是煤礦開采過程中產生的主要固體廢棄物，長期堆放在地表，對當地生態環境造成惡劣影響。河南是資源大省，能源結構以煤炭為主，煤炭開發過程中產生的煤矸石，約占全省工業固體廢棄物的20%以上。本文以焦作煤礦區演馬礦煤矸石堆放場地為研究靶區，通過調查煤矸石分布范圍、堆放現狀和綜合利用情況，查明煤矸石場地重金屬元素類型，研究重金屬元素在大氣、土壤、水體等介質中的遷移規律，揭示重金屬元素影響生態環境的機理，為開展煤矸石場地重金屬元素生態修復技術提供基礎。

1.研究區概況

研究區所在的焦煤礦區演馬礦位于焦東礦區山前傾斜平原，該礦迄今已開采50多年，累計排放煤矸石約400×104t，歷史時期煤矸石最大堆存量曾達200×104t。矸石產出規模平均約占煤炭產量的15%左右。目前該礦現存煤矸石量約30×104t。煤矸石堆放于主井口西南300m地帶，占地面積約10hm2，以露天形式堆放，堆放形態呈近似圓錐狀，其周圍多為農田或果園。

研究區處于區域水環境、土壤環境等敏感地帶。受降水、風力和地下水徑流等作用，矸石山場地及周邊地區生態環境污染問題嚴重。加之相關產業生產過程中產生大量揚塵、廢氣等，從而造成對當地生態環境的二次污染與破壞。

2.煤矸石場地重金屬元素空間分布特征

2.1焦作礦區煤矸石重金屬含量特征

根據李旭華、郭慧霞[3]等人的研究，焦作煤礦區煤矸石普遍含有影響環境的有毒有害重金屬元素，在所分析的Pb、As、Zn、Cu、Cr、Cd等6種指標中，Cd的檢出率為50%（Cd的最低檢測限為0.05mg/kg），其他元素的檢出率為100%，其中Zn的含量為123.89mg/kg～291.11mg/kg，Mn的含量為35.83mg/kg～888mg/kg。焦作礦區煤矸石淋濾液中Cr的濃度很高，且在土壤中Cr的濃度亦很高，常常高出淋濾液中Cr的濃度數倍，說明煤矸石中重金屬淋出具有長期性，礦區土壤對煤矸石重金屬具有富集性和遷移性。（圖1）。

2.2重金屬元素空間分布特征

本次在研究區共采集43塊土壤樣品，其中表層土壤（0cm～15cm）36組，深層土壤（30cm～45cm）7組。所采樣品顯示，平面上，有7處重金屬嚴重污染的地段，至少有4種重金屬超過一級國標以上，屬于重度污染的土壤。

垂向上，通過同一采點不同深度兩組重金屬樣品分析，可以比較同一點位上重金屬在不同深度土壤中含量的變化（表1）。

6種重金屬元素在表層土壤中的含量分布均高于深層土壤，可見演馬礦區重金屬污染主要靠大氣揚塵擴散，而深層土壤中重金屬元素含量與表層土壤中重金屬的含量也有一定的相關性（圖2），顯示了表層土壤重金屬元素遷移對深層土壤的影響。

3.煤矸石場地重金屬元素遷移過程

根據樣品重金屬含量，進一步分析總結重金屬污染分布情況與遷移規律如下：

研究區Cd在矸石山周邊分布大致呈同心橢圓狀，以矸石山為中心向周邊擴散，其含量隨著距離矸石山的增大而降低，空間擴散半徑的長軸方向為礦區常年性盛行風方向，明顯影響范圍在長軸方向達到1000m左右。

區內Pb含量中等，以矸石山為中心，向外Pb含量呈逐步降低的趨勢，明顯影響范圍在長軸方向即礦區常年性盛行風方向達到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右。

研究區Zn含量中等。矸石山處Zn含量最高，以矸石山為中心，向外Zn含量呈逐步降低的趨勢，明顯影響范圍在長軸方向即礦區常年性盛行風方向達到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右。

區內Cu含量較低，以矸石山為中心，向外逐漸降低，在常年性盛行風方向達到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右。

研究區Cr含量和As含量總體上較低，并非研究區主要污染源。

4.重金屬污染生態危害評價

4.1評價方法

4.2研究區重金屬潛在生態危害性評價

重金屬對環境的威脅并非單純的由其含量多少進行判斷，必須結合其毒性系數計算出潛在生態威脅指數，尚能夠真實地反映該重金屬的污染程度。將檢測樣品中重金屬的含量分別帶入公式（1）～（3）中，可以計算得到采樣點單個污染元素的污染程度（單因子指數）與總體污染程度（RI）。研究發現，調查區重金屬Pb、Cr、Cu、Zn、As的單因子潛在生態危害系數為輕微生態危害，而該區域生態危害主要來自重金屬Cd。

根據所有采集的土壤、矸石樣品中重金屬的含量，通過公式計算出每個樣品的RI值，將RI值隨距離矸石山的分布變化狀況繪制成為折線圖（圖3）。

由圖可以看出，RI值隨著距離矸石山遠近作有規律的變化，其值大小隨著距離矸石山的增大而降低，這與多數重金屬在兩條路線中含量的分布變化趨勢是十分一致的。但這里RI值主要受到毒性值最大的Cd的影響，因此RI的大小，著重反映了Cd在兩條路線上的分布情況。

5.結論

（1）研究區矸石長期露天堆放，經物理風化和化學風化作用，其中有毒有害重金屬元素如Cd、As、Cr、Pb、Zn、Cu等不斷離出與釋放，構成煤礦地區重金屬污染的主要來源。

（2）重金屬離子的遷移主要受到區域盛行風力的作用，通過矸石揚塵進行擴散，次為地下水徑流的影響。以演馬煤礦矸石山為中心，重金屬污染嚴重地段主要位于距離矸石山1000m左右的范圍內。重金屬污染的短軸方向位于礦區淺層地下水徑流方向，重金屬污染的嚴重地段主要位于距離矸石山400m左右的范圍內。

（3）研究區重金屬Cr、Cu、Zn、As單因子潛在生態危害較輕，區域生態危害主要來自于重金屬Cd，其次為Pb。風化程度較高的矸石，潛在生態威脅貢獻值（RI）超過600，即風化后的矸石其生態危害更為嚴重。

參考文獻：

[1]張明亮，王海霞.煤礦區矸石山周邊土壤重金屬污染特征與規律[J].水土保持學報， 2007， 21（4）：190-192.

[2]楊建，陳家軍，王心義.煤矸石堆周圍土壤重金屬污染空間分布及評價[J].農業環境科學學報， 2008， 22（03）：873-878.

[3]李旭華，王心義，楊建等.焦作礦區煤矸石山周圍土壤和玉米作物重金屬污染研究[J].環境保護科學， 2009， 35（2）：66-69.