遵義某錳礦區水土環境重金屬含量分析及風險評價

趙 磊

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質礦產勘查院，貴州 貴陽 550000)

1 引言

我國錳礦資源分布地區相對集中，其中貴州地區的資源比較豐富，約占我國錳礦保有資源量的60%[1]。貴州地區的錳礦資源主要分布于黔北遵義地區，遵義地處貴州北部，是貴州、四川和重慶交界處的中心城市。遵義錳礦以沉積型錳礦為主，資源存儲量豐富，約占全省儲存量的47%，錳礦業已成為遵義地區經濟發展的重要支柱[2]。

雖然錳礦資源的開采促進了經濟的迅速發展，但相應的問題也隨之出現，礦山開采會破壞周圍的水環境。例如在礦山開采過程中產生的礦井廢水、尾砂、廢石等廢棄物里含有重金屬，通過土壤滲透、水體流動等途徑嚴重污染周邊的土壤、水資源、動植物等[3，4]。相比較其他污染物質而言，重金屬在自然環境中具有穩定性和不可逆性較強等特點，當重金屬進入水體之后，絕大多數會與有機物、黏土礦物和硫化物等發生絡合反應并吸附在沉積物上，故當外界環境條件發生改變時，附著在沉積物上的重金屬會被釋放，引起水體二次污染[5]。其次，尾礦渣中產生的重金屬等有毒有害物質會對土壤造成污染。主要表現在礦長廢水會導致土壤質量下降，使土壤鹽漬化、堿化，錳礦尾渣中的重金屬元素通過風化淋濾作用向土壤中遷移擴散，通過作物富集過程進入蔬菜，而人食用受污染的蔬菜則會嚴重危害人體健康[6]。

本文對貴州遵義某錳礦區土壤及地表水進行采樣分析，測定其中重金屬含量，并對其進行健康風險評價。通過相關科學評價的方法，討論錳礦的開采對周圍環境造成的影響，以期為礦區安全開采利用及環境保護提出科學理論依據。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

研究區域位于貴州省某礦區，該礦區在2004年取得采礦許可證，已連續采礦15年。于2020年7月份對該錳礦區附近河流進行采樣，分別在礦區上游約500 m布設對照斷面(W1)、礦區廢水排放口下游約500 m布設控制斷面(W2)、礦區廢水排放口下游約3000 m布設削減斷面(W3)。樣品采集方法參照《水質采樣技術指導》。地表水采集、保存、運輸執行《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T91-2002)[8]，主要監測指標有pH值、SS、氨氮、CODMn、錳、銅、砷、鎘、鉻和鉛。

同時，根據實地調查結果，分別于礦區礦洞口、渣土堆放區、污水處理設施排放口和礦山居民區設置采樣點位，每個采樣點面積設為1.0 m×1.0 m，梅花形采集1 kg 0～20 cm表層土壤，共采集土壤樣品8個，并填寫現場采樣情況記錄表。樣品采集后裝袋，帶回實驗室，于室內風干、去雜、研磨，過100目尼龍篩后置于密封袋中保存備用。

2.2 研究方法

2.2.1 分析測定方法

pH值使用pH計現場測定；用0.45um濾膜過濾水樣，水樣經過濾后會有留在過濾器上的固體物質，將固體物質置于烘箱中，設置溫度103～105 ℃，待其烘至恒重后得到懸浮物(SS)；氨氮使用納氏試劑分光光度法進行測定；化學需氧量用高錳酸鉀法進行測定；重金屬錳、銅、砷、鎘、鉻和鉛采用原子吸收光譜法(AAS)檢測進行分析。

2.2.2 內梅羅綜合污染指數法

采用內梅羅綜合污染指數法評價貴州某礦山地表水和土壤重金屬污染程度，因為水體和土壤中經常多種重金屬并存，與其他方法相比，內梅羅綜合污染指數法能夠反映出水體重金屬污染現狀[7]。所以內梅羅綜合污染指數法不失為一種重要的水環境質量評價方法，該方法簡單易懂，水質污染程度可用簡單的數值表示，因此在地表水和地下水水質評價中應用較為普遍[8～11]。評價等級計算公式為：

(1)

表1 地表水體中重金屬污染評價標準

表2 土壤中重金屬污染評價標準

3 結果與討論

3.1 地表水體污染描述性統計

某礦區地表水常規水質指標監測結果如表3所示，根據《遵義市地表水環境功能區劃類規定》(2011修訂本)，研究區域地表水執行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中Ⅲ類水質標準作為風險篩選值。錳、鉻和SS在《地表水質量標準》(GB3838-2002)中并未明確規定標準限值。對該研究區域地表水體進行監測，其中W1為對照斷面，設在排污口上游500 m處,W2為控制斷面，設在排污口下游500 m處，W3為削減斷面，設在排污口下游3000 m處。從監測結果來看，研究區域地表水體氨氮、CODMn、pH值等均未出現超標現象，說明礦山開采對研究區域地表水體自然環境影響較小；但水中SS在W2處出現較大值，后期礦山開采過程中需對礦山廢水中的懸浮物深入處理。

表3 研究區域地表水體常規指標統計結果 mg/L

如圖1所示，研究區域地表水體中重金屬含量除Cu外，均出現隨水體流動方向先增加后減少的趨勢，且均在W2處出現最大值，說明該礦山的開采可能對周圍地表水體重金屬濃度影響較大。受到河流稀釋、沉淀、遷移等理化過程的影響，重金屬含量在W3斷面處出現明顯下降趨勢，由于水體自身的自凈能力，重金屬在各監測點位含量差別較大[12]。

圖1 研究區域地表水體重金屬濃度統計分析

與標準差相比，變異系數可以反映重金屬元素的空間離散性和變異程度，值越大，外部因素對污染特征的影響越大[13]。根據Wilding[14,15]的分類標準，變異系數的水平可分為低變異(CV<15%)、中變異(15%36%)。

如表4所示，本次研究重金屬Cu、As、Mn、Cd、Cr、Pb的變異系數計算結果分別為：16%、173%、88%、124%、77%、28%。研究區域地表水體中As、Mn、Cd、Cr均屬于高變異，表明這幾種金屬元素受采礦活動干擾較大。礦區在露天開采過程中，因為要剝離表層土壤，所以會使天然礦石和廢礦暴露在外部環境中，經雨水沖洗、浸泡和淋濾等，使得先前存留于礦石中的錳及其伴生的重金屬(砷、鉻、鎘、鉛等)溶析出來，形成含有大量重金屬的污染流[16,17]，最終隨著地表徑流進入地表水體。

3.2 土壤重金屬污染描述性統計

研究區土壤重金屬含量分布特征見表5，該礦區主要采集樣品點位為：礦洞口、堆土、污水處理設施排放口礦山居民區。土壤中Cd，Cu，Mn，Zn，Cr和Pb的平均值分別為7.39，50.93，6931.82，999.23，158.73，43.28 mg/kg。以貴州省土壤元素背景值為標準，分別達背景值的11.10，1.50，8.73，10.04，1.66，1.23倍，其中重金屬Cd，Mn和Zn污染較為嚴重。

表5 礦區土壤重金屬含量分布特征

該錳礦區土壤中Cd,Cu,Mn,Zn變異系數分別高達103.79%，59.26%,148.47%，104.55%均達到高變異程度，受采礦活動影響明顯；Cr,Pb變異系數在15%～36%之間，屬變異性中等偏弱，受干擾影響較小，空間變異性弱。

3.3 內梅羅綜合污染指數評價

3.3.1 地表水污染評價

根據評價等級計算公式計算出3個監測點位的內梅羅綜合污染指數，通過表1對各個監測點位的水質污染程度做出評價，見表6。

基于表6，可以看出在排污口上游(500 m)處綜合污染指數數值為4.45×10-4；在排污口下游(500 m)處綜合污染指數數值為3.32×10-2，比在排污口上游(500 m)處綜合污染指數數值略高；在排污口下游(3000 m)處綜合污染指數數值為9.36×10-3，比在排污口下游(500 m)處綜合污染指數數值稍低，綜合污染指數數值從W1到W2其水質污染程度升高，從W2到W3水質污染程度又略微下降，盡管其內梅羅綜合污染指數隨著水體流動的方向在數值上出現了一定的波動，但3個監測點位的內梅羅綜合污染指數數值均比表1地表水體中重金屬污染評價標準中處于安全程度的內梅羅綜合污染指數數值低。結合以上分析得出：研究區域地表水體中水質污染程度為一個安全的狀態。

表6 某礦山地表水重金屬污染程度評價

3.3.2 土壤污染評價

對采樣區土壤重金屬含量進行內梅羅綜合污染分析，除礦山居民區外，其余采樣點位均達到重度污染水平，其綜合污染指數分別高達18.64、12.87、20.33其中礦洞口和污水處理施排放口污染最為嚴重，這可能與礦山開采和污水治理給土壤帶來的外源重金屬有關[18～20]。重金屬Cd、Zn、Mn污染因子指數突出，表明該礦區污染類型為多種重金屬綜合污染(表7)。

表7 研究區土壤重金屬污染評價指數及分級

4 結論

(1)通過對貴州某礦山地表水中污染物濃度特征分析和描述性統計，得出研究區域地表水體氨氮、CODMn、pH值等均未出現超標現象；由計算出的變異系數可知As、Mn、Cd、Cr均屬于高變異，表明這幾種金屬元素受采礦活動干擾較大。重金屬污染描述性統計表明研究區土壤主要累積重金屬污染元素為Cd，Zn，Mn，變異系數值高，受人為干擾因素影響較大。

(2)根據評價等級計算公式分別算出3個監測點位的內梅羅綜合污染指數，將所得數值與表1地表水體中重金屬污染評價標準進行比較，整體來看，研究區域地表水體水質污染程度處于安全的狀態。研究區土壤中礦洞口點位的重金屬Cd和Zn，污水處理設施排放口點位的重金屬Mn均在重度污染水平以上，除礦山居民區外，其余點位綜合污染指數遠超重度污染標準，土壤重金屬污染受多種重金屬元素影響，生態風險較高。