平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染及其檢測(cè)技術(shù)

鄒可可

（河南省平頂山水文水資源勘測(cè)局，河南 平頂山 467000）

平頂山礦區(qū)作為我國(guó)煤礦的主要產(chǎn)出區(qū)，近年來(lái)受到相關(guān)部門(mén)的大力開(kāi)采，導(dǎo)致平頂山礦區(qū)周邊水體存在重金屬污染現(xiàn)象。周邊水體重金屬污染作為當(dāng)今污染面積廣、污染程度嚴(yán)重的水文環(huán)境問(wèn)題，必須給予足夠的重視[1]。周邊水體中所受到的重金屬污染主要包括：銅、鋅、鎘、鉛、汞、鉻、砷以及鎳等，在周邊水體中比重超過(guò)4所形成的重金屬污染[2]。由于周邊水體重金屬污染物中包含對(duì)人類健康危害極大的生物學(xué)元素，也就是所謂的“五毒”，分別為：汞、鎘、砷、鉛以及鉻，這些生物學(xué)元素一旦通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，會(huì)引發(fā)多種疾病，常見(jiàn)的有我國(guó)的“大脖子病”、泰國(guó)的“黑腳病”、日本的“骨痛病”以及粵北的“癌癥村”。因此，針對(duì)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染問(wèn)題必須給予充足的重視，有針對(duì)性的提出平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染研究。在我國(guó)，傳統(tǒng)關(guān)于水體的重金屬污染檢測(cè)技術(shù)，主要是通過(guò)化學(xué)分析的形式，得到重金屬污染檢測(cè)結(jié)果，但此技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在誤差大的問(wèn)題，無(wú)法為水體的重金屬污染治理提供精準(zhǔn)、有效的數(shù)據(jù)。本文在此基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)技術(shù)，致力于為平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染治理提供精準(zhǔn)、有效的數(shù)據(jù)。

1 平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染

結(jié)合以往對(duì)于平頂山礦區(qū)周邊水體重金屬污染的研究中，本文首先采集平頂山礦區(qū)周邊水體作為研究對(duì)象。而后，通過(guò)計(jì)算平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬權(quán)值，判斷平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染等級(jí)。設(shè)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬權(quán)值的計(jì)算表達(dá)式為p，則有公式（1）。

公式（1）中，k指的是內(nèi)梅羅水體重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)；j指的是水體體積。通過(guò)公式（1），得出平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬權(quán)值，以此，得出平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染主要信息。平頂山礦區(qū)周邊水體中Cr的最大污染指數(shù)為789.65；最小污染指數(shù)為15.89；平頂山礦區(qū)周邊水體背景值為58.66；重金屬污染平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)354.67。平頂山礦區(qū)周邊水體中Pb的最大污染指數(shù)為108.65；最小污染指數(shù)為13.24；平頂山礦區(qū)周邊水體背景值為20.69；重金屬污染平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)65.78。平頂山礦區(qū)周邊水體中Cd的最大污染指數(shù)為7.88；最小污染指數(shù)為1.59；平頂山礦區(qū)周邊水體背景值為0.06；重金屬污染平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.57。平頂山礦區(qū)周邊水體中Mn的最大污染指數(shù)為886.23；最小污染指數(shù)為255.47；平頂山礦區(qū)周邊水體背景值為566.02；重金屬污染平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)456.31。平頂山礦區(qū)周邊水體中Cu的最大污染指數(shù)為83.65；最小污染指數(shù)為14.69；平頂山礦區(qū)周邊水體背景值為19.56；重金屬污染平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)35.64。由此可見(jiàn)，平頂山礦區(qū)周邊水體的主要重金屬污染元素為Cr以及Mn。

2 平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)技術(shù)

2.1 計(jì)算平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬累積指數(shù)

運(yùn)用德國(guó)科學(xué)家 Müller提出的累積指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬累積指數(shù)[3]。設(shè)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬累積指數(shù)表達(dá)式為I，則有公式（2）。

公式（2）中，C i指的是平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)；k指的是平頂山礦區(qū)周邊水體背景值；Si指的是平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染地累積時(shí)長(zhǎng)。為保證求得平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬累積指數(shù)的準(zhǔn)確性，可以將平頂山礦區(qū)周邊水體中重金屬地累積指數(shù)導(dǎo)入數(shù)值組。在此過(guò)程中，不難發(fā)現(xiàn)重金屬地累積數(shù)值組的網(wǎng)格數(shù)會(huì)非常多。這就意味著，在計(jì)算地累積指數(shù)的實(shí)際操作過(guò)程中可能需要用并行機(jī)計(jì)算。

2.2 水體重金屬污染檢測(cè)多水平影響因素相互關(guān)系

在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬累積指數(shù)與重金屬污染檢測(cè)指標(biāo)（TVB-N、TVC）之間相關(guān)關(guān)系。TVB-N的計(jì)算公式，如公式（3）所示。

公式（3）中，T指的是平頂山礦區(qū)周邊水體樣品的重金屬污染檢測(cè)所消耗鹽酸溶液的體積，單位為mL；B指的是所消耗鹽酸溶液的體積，單位為mL；M指的是平頂山礦區(qū)周邊水體樣品的容量，單位為ml。在明確TVB-N計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合偏最小二乘回歸、多元線性回歸、最小二乘支持向量機(jī)，三種化學(xué)計(jì)量法相結(jié)合的方法，推導(dǎo)TVC的計(jì)算公式，如公式（4）所示。

公式（4）中，n指的是檢測(cè)的與類樣品數(shù)據(jù)集樣本個(gè)數(shù)；x1指的是檢測(cè)樣本揮發(fā)性鹽基氮含量的預(yù)測(cè)數(shù)值，單位為mg/100g；x2表示為揮發(fā)性鹽基氮含量的實(shí)際測(cè)量值，單位為mg/100g。通過(guò)公式（3）和公式（4）完成對(duì)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染的定量預(yù)測(cè)，為下文判斷平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 判斷平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)

本文采用中國(guó)水體環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(背景值)為參比值，以平頂山礦區(qū)周邊水體重金屬污染檢測(cè)多水平影響因素相互關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，判斷平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)，當(dāng)TVB-N≤0.5，TVC≤0.6時(shí)，平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)為安全；當(dāng)0.5＜TVB-N≤1.5，0.6＜TVC≤1時(shí)，平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)為警戒線；當(dāng)1.5＜TVB-N≤2.5，1＜TVC≤2時(shí)，平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)為輕污染；當(dāng)2.5＜TVB-N≤3.5，2＜TVC≤3時(shí)，平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)為中污染；當(dāng)TVB-N＞3.5，TVC＞3時(shí)，平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)為重污染。以上，為平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)判斷結(jié)果。

2.4 得出平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)上述可得出平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬單因子污染等級(jí)，對(duì)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染含量進(jìn)行測(cè)定，并將測(cè)定結(jié)果作為判斷平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染程度的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最終得出平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)結(jié)果為：Cr以及Mn具有極強(qiáng)的富集能力，為平頂山礦區(qū)周邊水體中重金屬污染超標(biāo)元素。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

提出實(shí)例分析，選定平頂山礦區(qū)周邊水體為此次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)，隨機(jī)在平頂山礦區(qū)周邊水體中抽取1000ml水試樣作為本次實(shí)驗(yàn)的樣品。選取本次試驗(yàn)中的檢測(cè)指標(biāo)為Cr，首先，使用本文設(shè)計(jì)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過(guò)matalb軟件記錄檢測(cè)結(jié)果，設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同樣通過(guò)matalb軟件記錄檢測(cè)結(jié)果，設(shè)置為對(duì)照組。由此可見(jiàn)，本文實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)為兩種檢測(cè)技術(shù)下測(cè)得的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際重金屬污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的誤差，測(cè)得的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際重金屬污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的誤差越小，證明該檢測(cè)技術(shù)針對(duì)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)精度越高。本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置檢測(cè)批次為10次。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 重金屬污染檢測(cè)結(jié)果對(duì)比表

由表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際重金屬污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比誤差明顯低于對(duì)照組，通過(guò)本文上述可知，利用本文檢測(cè)技術(shù)對(duì)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染進(jìn)行檢測(cè)具有一定的可行性，且檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性更高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)平頂山礦區(qū)周邊水體重金屬污染的快速、無(wú)損、準(zhǔn)確檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例分析的方式，證明了設(shè)計(jì)檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。因此，有理由相信通過(guò)本文設(shè)計(jì)，能夠解決傳統(tǒng)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)中存在的誤差高的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)本次平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染檢測(cè)結(jié)果的可信度。這一點(diǎn)，在未來(lái)針對(duì)此方面的研究中可以加以補(bǔ)足。與此同時(shí)，還需要對(duì)平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染治理方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為徹底解決平頂山礦區(qū)周邊水體的重金屬污染問(wèn)題提供建議。