潘一礦煤矸石充填復墾區重金屬分布特征及污染程度評價

李思清 鄭 恒 牛玉亭 郭方磊 黃裕濤 劉少敏

（1.淮南礦業集團煤業公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學地球與環境工程系，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤矸石是采煤排放的固體廢棄物[1]，一般情況下，如果不合理處置，煤矸石會在煤井口周圍堆積，隨著矸石堆高度的增加而形成矸石丘。堆放起來的煤矸石山在雨水淋溶作用下易析出重金屬元素，對周圍土壤、水域造成污染，析出的重金屬元素不僅會影響周圍農作物生長，也會通過食物鏈逐級富集，危害生態環境中動植物健康，另外煤矸石自燃也會對大氣造成影響[2]。近年來煤矸石被用作采煤塌陷區的填充物[3]，然后覆土種植作物進行修復，因此研究煤矸石中析出的重金屬在周圍土壤中分布規律以及重金屬對土壤的污染程度具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潘一礦復墾區位于淮南市潘集區，該地區屬于季風暖溫帶半濕潤氣候，常年主導風向為東南風，年平均氣溫為15℃。潘一礦曾是我國自行設計，自行施工，選用設備較為先進的大型礦井，于1983年12月26日建成投產。潘一礦資源賦存豐富，井田東西走向長14.6 km，南北傾斜寬4 km，井田面積58.4 km2，可采儲量4.13億t。潘一礦經長期開采，土壤肥份流失，理化性質失衡，地面逐漸沉陷，沉陷地面積約為37.96hm2。2005年開始，相關單位對潘一礦進行表土剝離，再用煤矸石進行填充，最后覆土進行修復，幫助礦區恢復生產。

1.2 樣品采集與處理

圖1為淮南潘一礦煤矸石山附近土壤采樣點圖，由于該地區常年主導風向為東南風，所以在該煤矸石山下風向即西北側一塊區域布置2條采樣線。圖中采樣點1，2，3，4，5構成第一條采樣線，采樣點6，7，8，9，10構成第二條采樣線。同一條采樣線中每個采樣點間隔5m，利用對角線采樣法，在選取的采樣點布設一個正方形，在正方形4個角以及中心點取5個土樣，然后將這5個土樣放在一起充分混合均勻，當作該采樣點樣品。將所有土壤樣品封裝并標號，運回實驗室后去除雜草、石塊，用四分法去除多余土樣并保留500g土樣，將這些土樣放在A3紙上自然風干，風干后搗碎、研磨成粉末狀，分別過100目、200目篩網，最后檢測土壤重金屬含量。

圖1 潘一復墾區采樣點圖

2 重金屬含量及分布特征

2.1 重金屬含量

潘一礦煤矸石山附近土壤重金屬元素的含量如表1所示。

表1 潘一礦煤矸石山土壤重金屬含量（單位：mg/kg）

通過ICP-MS檢測土壤中重金屬含量，所有樣品均檢測出8種元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg，因此這8種重金屬元素檢出率均為100%。

從表1潘一礦煤矸石山附近土壤重金屬含量數據分析，將表1各重金屬含量平均值和背景值進行對比，可以看出7種重金屬元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As均略微超過淮南背景值，說明潘一礦矸石山附近土壤受到Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As輕微污染。其中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As濃度的平均值分別是淮南背景值的1.32倍、1.11倍、1.82倍、1.078倍、1.084倍、1.05倍和1.43倍，潘一礦煤矸石山附近土壤受重金屬污染程度由高到低依次為Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni。Hg元素含量平均值未超過背景值，但是其最大值超過背景值，說明矸石山附近土壤局部受到Hg污染，這種情況可能是因為有其他的Hg污染源。

該矸石山附近土壤中Cu、Pb、Zn、Cr標準差較大，說明4種金屬Cu、Pb、Zn、Cr含量沿采樣線差距較大，可能是因為這4種金屬橫向遷移不明顯，其在矸石山附近土壤富集，而在距矸石山較遠處土壤含量較少，也有可能是其他污染源的影響。Cd、Ni、As、Hg標準差較小，說明這四重金屬沿采樣線分布較為均勻，橫向遷移較為明顯。

2.2 重金屬分布特征

圖2為8種重金屬元素Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg在2條采樣線上的分布特征。

從2條不同的采樣線中8種重金屬元素濃度的分布特征來看，其變化趨勢相對一致，說明矸石山附近土壤的重金屬濃度受人為誤差因素的影響可忽略不計。但是總體上看來采樣線1的重金屬元素含量普遍比采樣線2的重金屬元素含量高，這是由于礦區常年主導風向為東南風，導致風化的煤矸石在風力作用下在該采樣線上富集較為嚴重，風向也會導致雨水在采樣線1上形成較大的地表徑流，從而加重重金屬富集。從圖中可以看出，2條采樣線上6種元素Cu、Pb、Cd、Zn、Ni、As在土壤中的含量總體上隨著與矸石山距離的增加而減少，但Cu、Pb、Cd、Zn、As的含量在20m處增大，Ni的含量在15m處最大，這可能與研究區域15m~20m處的地勢有關，該處地勢較低，易于匯集雨水導致重金屬富集；而Cr、Hg含量先增大后減少，在20m處含量最大，這可能是因為在該片區域除煤矸石山以外，還存在其他污染源，也有可能是地勢原因或者煤矸石風化后隨大氣遷移造成的[4-5]。從圖2可以看出，8種重金屬含量在距離煤矸石山25m處的濃度大體上是最低的，說明距離煤矸石山較遠處重金屬的含量較低，重金屬對附近農田的污染也較低；在煤矸石山腳即5m處下濃度大體是最高的，說明距離煤矸石山較近處含量較高，需要重點關注該區域的復墾修復工作。

圖2 潘一礦復墾區重金屬分布特征

3 污染程度評價

3.1 單因子指數法

單因子指數法計算公式：

式中：I為土壤中單項污染指數，Ci為某一金屬檢測值，C0為該金屬當地背景值[6]。

單因子指數法可以用來評價單一金屬對土壤的污染程度，進而找出土壤中主要污染元素。單因子指數法將單一金屬元素污染分為未污染、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染5個級別。

單因子指數法污染程度分級標準如表2所示。

表2 單因子指數法污染程度分級

3.2 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法的計算如公式（1）~公式（3）所示。

潛在生態風險指數法是由瑞典科學家Hakanson提出的考慮多種重金屬元素協同作用對土壤污染程度的評價方法[7]，用該方法可以找出土壤中潛在生態風險因子，也可以評價研究區域土壤多種重金屬綜合污染程度，其潛在生態風險因子分為輕度、中度、重度、嚴重和極其嚴重五個級別，多金屬綜合污染依據潛在生態風險指數不同分為輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染4個級別。

潛在生態風險指數污染程度分級標準如表3所示。淮南土壤重金屬背景值以及不同重金屬生物毒性系數如表4所示。

表3 潛在生態風險指數分級

表4 淮南土壤金屬背景值及各金屬生物毒性系數

3.3 評價結果

評價結果如下：1）根據各采樣點重金屬含量和單因子指數法計算出不同重金屬單項污染指數，并繪制箱線圖如圖3所示，既可以看出各重金屬單項污染指數均值，也可以反應數據異常值和偏態。

圖3 金屬元素的單項污染指數

由圖3可以看出，單項污染指數均值Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni>Hg，表明Cd為主要污染元素。其中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As單項污染指數平均值都為1＜I＜2，屬于輕度污染；Hg單項污染指數I＜1，未對土壤造成污染。由圖中可以看出，Cd、As存在異常值，偏離均值較大，說明Cd和As在該點富集較嚴重，可能與其他污染源有關。Zn、Cr、Ni單項污染指數偏離均值較小，說明Zn、Cr、Ni在土壤中分布較均勻，基本符合重金屬在土壤中的遷移規律。

2）根據表4所給淮南土壤重金屬背景值、金屬生物毒性系數以及潛在生態風險指數法計算出各金屬的污染系數Cif、潛在生態風險因子Eir和潛在生態風險指數RI，計算結果如表5所示。

表5 潘一復墾區重金屬風險等級評價

由表5可見，潘一礦煤矸石山西北側土壤中各重金屬污染系數Cd>As>Cu>Pb>Cr>Zn>Ni>Hg。由Eir行可以看出，該矸石山附近土壤中各重金屬RI貢獻值由大到小為Cd>Hg>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，表明該區域土壤主要污染元素為Cd，與前文一致。

潛在生態風險指數表明了土壤中8種重金屬Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As、Hg的綜合污染程度和對該地區生物的潛在風險程度，由表5可知，潘一礦煤矸石山附近土壤潛在生態風險指數RI=113.908＜150，根據表3污染級別劃分，說明該矸石山西北區域的土壤存在輕度潛在生態風險。

4 結論

潘一礦復墾區煤矸石山附近土壤重金屬隨著距離矸石山越近含量越高，距離越遠含量越低，表明矸石山在雨水淋溶作用下析出的重金屬符合橫向淋溶規律[8]，因此需要加強對矸石山腳附近重金屬的監測與修復；土壤重金屬含量在距矸石山某一距離突然升高，可能是因為地勢低洼導致金屬富集，也有可能因為煤矸石風化隨著大氣流動在該處富集[9]。

潘一礦復墾區煤矸石山附近土壤主要污染金屬元素為Cd、As，并且Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni、As均為輕度污染，Hg未對土壤造成污染；研究區域多種重金屬潛在生態風險指數RI＜150，表明矸石山附近土壤重金屬污染為輕度污染。