高速公路煤矸石路基周邊土壤重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)▲

摘 要：為探究高速公路煤矸石路基周邊土壤中重金屬遷移轉(zhuǎn)化特征及潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，以湖南省某高速公路煤矸石路基周邊土壤為研究對(duì)象，測(cè)定煤矸石路基周邊土壤中4種重金屬（ Cu、Zn、Pb、Cr） 含量并對(duì)其重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr 4種重金屬的含量均未超過(guò)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值，略大于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸担译S距離的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)。潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明Cu、Zn、Pb和Cr 4種重金屬的Eir均小于40，RI小于150，均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平，表明煤矸石作為路基填料對(duì)周邊土壤的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小。

關(guān)鍵詞：煤矸石路基；土壤；重金屬；污染特征；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X53" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）04-0096-03

煤矸石作為采煤和洗煤過(guò)程中排放的固體廢棄物，占煤炭總產(chǎn)量的10%～15%，其含量隨能源消耗的增長(zhǎng)呈迅速增加趨勢(shì)[1]。若煤矸石得不到適當(dāng)?shù)睦茫溥^(guò)量的堆存不僅占用大量土地資源，還會(huì)造成大氣、土壤或水體污染等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[2]。因此，如何解決煤矸石帶來(lái)的社會(huì)環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)其高值化利用得到廣泛關(guān)注。

過(guò)去，許多國(guó)家一直致力于將煤矸石應(yīng)用于建材工業(yè)、發(fā)電廠、農(nóng)業(yè)和回填等行業(yè)，以解決煤矸石堆積的環(huán)境問(wèn)題[3]。隨著我國(guó)公路鐵路的大規(guī)模興建，以及建材工業(yè)砂石材料的緊缺，煤矸石作為路基填料得到廣泛應(yīng)用[4]。煤矸石作為路基填料時(shí)的消耗量是巨大的，不但解決我國(guó)煤矸石堆積占地大、污染大的問(wèn)題，還能節(jié)省大量的土方，從而減少工程用土對(duì)沿線田地的破壞。然而，煤矸石的大量應(yīng)用是否會(huì)對(duì)道路的沿線環(huán)境造成二次污染也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。因此，亟需探明煤矸石路基填料對(duì)道路沿線環(huán)境的影響程度。

目前，大多數(shù)學(xué)者主要集中于研究礦區(qū)堆放煤矸石對(duì)周圍土壤和水環(huán)境等的影響，重點(diǎn)聚焦于重金屬和硫化物等有害物質(zhì)的含量分布、運(yùn)移規(guī)律及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面[5]。僅有極少部分學(xué)者研究了路用煤矸石對(duì)道路沿線環(huán)境的二次污染。張超[6]分析了寧夏地區(qū)3種煤矸石中的重金屬含量，并指出將煤矸石作為路基填料時(shí)需考慮其可能對(duì)環(huán)境造成的影響。鄧仁健等人[7]利用淋溶試驗(yàn)分析了煤矸石對(duì)高速公路沿線地下水造成的污染，并指出煤矸石中無(wú)機(jī)鹽是造成高速公路沿線地下水污染的主要原因。羅豐尊[8]基于實(shí)際工程案例研究了煤矸石路基對(duì)地下水的影響，結(jié)果顯示煤矸石路基在淋溶作用下，會(huì)破壞地下水以及土壤環(huán)境，且在動(dòng)態(tài)淋溶作用下，污染物析出速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜態(tài)作用下的析出率。黃滿紅等人[9]研究了pH對(duì)高速公路煤矸石路基材料淋溶特性的影響，結(jié)果顯示Mg2+ 、Na+、Ca2+ 、K+ 、SO42-、NO3-、CI-等有害微量離子呈現(xiàn)出不同的淋溶規(guī)律，pH越低，淋出濃度越大。

現(xiàn)有研究重點(diǎn)聚焦于煤矸石路基對(duì)道路沿線水環(huán)境的重金屬含量分布和遷移規(guī)律，但對(duì)道路沿線土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及污染特征研究相對(duì)較少。因此，本研究以湖南某高速公路煤矸石路基周邊土壤中重金屬含量為研究對(duì)象，并運(yùn)用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為將煤矸石作為路基填料的應(yīng)用提供環(huán)境污染評(píng)價(jià)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣本采集與處理

土壤樣本采集于湖南省西南地區(qū)某高速公路（命名為AE），采樣深度為0～30 cm，布設(shè)7個(gè)采樣點(diǎn)，距高速公路煤矸石路基邊緣的距離分別為0 m、10 m、20 m、50 m、100 m、200 m和500 m，分別編號(hào)為AE1、AE2、AE3、AE4、AE5、AE6和AE7。

1.2 土壤樣本理化性質(zhì)和重金屬含量測(cè)定

針對(duì)土壤樣品，首先分別采用酸度pH測(cè)定儀、重鉻酸鉀容量法、半微量凱氏定氮法測(cè)定土壤樣本的pH、TOC和TN，結(jié)果見(jiàn)表1。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES Optima 8000）測(cè)定土壤樣本中Cu、Cr、Pb和Zn重金屬的含量。

1.3 土壤重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

為綜合評(píng)價(jià)煤矸石路基周邊土壤中重金屬的污染狀況，采用由德國(guó)瑞典地球化學(xué)家Hakanson[10]提出的可兼顧重金屬含量、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境毒理學(xué)特征的評(píng)價(jià)沉積物中重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)程度的方法，其計(jì)算公式見(jiàn)式（1）至（3）。

式中：Cif為單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci和Cin分別為重金屬含量實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值，mg·kg-1；Tir為重金屬i的毒性系數(shù)；Eir和RI分別為單一重金屬i和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，其風(fēng)險(xiǎn)分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。其中，Cu、Zn、Pb、Cr 4種重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為5、1、5、2[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中重金屬含量

煤矸石路基周邊不同距離土壤中的重金屬含量如表3所示。由表3可知，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr 4種重金屬的含量均未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[12]的農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值。與湖南省土壤背景值[13]相比，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr重金屬含量分別為土壤背景值的1.11倍、1.05倍、1.12倍和1.09倍。結(jié)果表明，將煤矸石作為路基填料時(shí)，其含有的重金屬會(huì)使高速公路周邊土壤重金屬含量增大，但遠(yuǎn)低于農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值，潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不大。

此外，采用變異系數(shù)研究了煤矸石路基周邊土壤中重金屬元素受人為活動(dòng)的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。其中，變異系數(shù)越大，即表明研究區(qū)域土壤重金屬含量受人為活動(dòng)影響越大。由表3可知，AE高速公路煤矸石路基周邊的重金屬變異系數(shù)除Zn外，其余重金屬的變異系數(shù)均高于10%，其順序?yàn)镃ugt;Pbgt;Crgt;Zn，表明受人為活動(dòng)的影響，道路沿線周邊土壤的重金屬含量和空間分布具有一定差異性。

2.2 土壤中重金屬含量分布特征

AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中重金屬含量隨距離的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。由圖1可知，隨距煤矸石路基邊緣距離的增加，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤中4種重金屬的含量均呈先增大后下降的趨勢(shì)。同時(shí)，計(jì)算距煤矸石路基0 m、10 m、20 m、50 m、100 m、200 m和500 m土壤中4種重金屬的總含量，分別為 219.65 mg·kg-1、225.79 mg·kg-1、233.82 mg·kg-1、251.4 mg·kg-1、265.73 mg·kg-1、241.64 mg·kg-1和216.7 mg·kg-1，總體也表現(xiàn)為隨距煤矸石路基距離越遠(yuǎn)，重金屬含量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，與尚譽(yù)等人[14]關(guān)于煤矸石堆積區(qū)周邊土壤重金屬含量分布特征研究一致。結(jié)果表明，煤矸石路基在地下水侵浸或淋溶等作用可能導(dǎo)致其周邊土壤中重金屬的污染與富集。

2.3 土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

本研究以湖南省土壤重金屬元素背景值作為參比，按照公式（1）和（2）計(jì)算Cu、Zn、Pb和Zn重金屬元素隨距離的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤的4種重金屬的單項(xiàng)重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均隨距離的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，且均小于40，表明煤矸石路基周邊土壤的Cu、Zn、Pb和Zn重金屬污染均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平。同時(shí)，計(jì)算7個(gè)采樣點(diǎn)單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值，結(jié)果顯示AE中土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)從高到低排序?yàn)椋?Pb＞Cu＞Cr＞Zn。其中，Pb和Cu的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均略大于5，而Cr和Zn 僅略大于2，表明4種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平非常低。

此外，按照式（3）計(jì)算了AE高速公路煤矸石路基周邊土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI值，結(jié)果見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤的RI也隨距離的增大而呈先增大后減小的趨勢(shì)，其RI處于12.39～16.01，均小于150，表明AE高速公路煤矸石路基周邊土壤均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

湖南西南部某高速公路煤矸石路基周邊土壤中Cu、Zn、Pb和Cr4種重金屬的含量均小于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值，略大于湖南省土壤背景值。

Cu、Zn、Pb和Cr4種重金屬含量隨距煤矸石路基距離的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，表明煤矸石路基周邊土壤重金屬的污染和富集隨時(shí)間不斷遷移。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，AE高速公路煤矸石路基周邊土壤單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從低到高依次為：Znlt; Crlt; Cult; Pblt;40，RI遠(yuǎn)小于150，均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平，表明該高速公路煤矸石路基對(duì)周邊土地的安全利用影響較低。

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收稿日期：2023-12-11

▲基金項(xiàng)目：湖南省自然資源科技計(jì)劃項(xiàng)目“礦山煤矸石再利用于線性工程的重金屬污染評(píng)估研究”（2022G07）；湖南省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“碳排放監(jiān)測(cè)核算理論、方法與系統(tǒng)研究”（2023SK2078）；長(zhǎng)沙市自然科學(xué)基金項(xiàng)目“老化瀝青低溫性能劣化機(jī)理及其再生機(jī)制研究”（kq2202275）

作者簡(jiǎn)介：朱俊材（1993—），男，廣西玉林人，博士研究生，講師，研究方向：路基路面工程。