礦區地下水環境重金屬污染時空變化特征及風險評估研究

摘要：礦區粗放開采導致環境受有毒有害物質污染，尤其是地下水環境。此研究針對礦區地下水環境重金屬污染，設置采礦區和冶煉區采樣點，檢測水樣和沉淀物中重金屬含量。結果表明，冶煉區污染重于開采區，重金屬難以遷移，地下水質呈弱堿性。為此，建立污染風險評估模型，劃分污染風險等級。結果顯示，冶煉區水環境重金屬污染風險高，鄰近冶煉區的采樣點風險最高，開采區風險較低但鄰近礦井的點風險中等。因此，需同步治理開采和冶煉過程，確保礦區的可持續發展。通過科學評估和有效治理，減少礦區對生態環境的破壞，保障當地居民的健康生活。

關鍵詞：礦區污染；水環境；重金屬；時空特征；風險評估

中圖分類號：X820.4 文獻標志碼：B

前言

礦區地下水環境的重金屬污染問題日益凸顯，主要由于采礦作業的各個環節，包括采礦廢水的未經處理直接排放、尾礦庫的長期堆存與雨水淋濾作用，以及礦石加工過程中產生的含重金屬廢水與廢渣的不當處置，共同作用下，導致鉛、鎘、汞等毒性強烈、難以自然降解的重金屬元素在地下水體中逐漸累積，形成隱蔽而持久的污染源。

地下水作為人類生活與生產不可或缺的淡水資源，重金屬污染不僅直接威脅到居民飲用水安全，還通過食物鏈傳遞，影響農作物品質與生態系統健康，進而引發包括神經系統損傷、肝腎功能異常在內的多種嚴重健康問題，社會影響深遠。因此，全面、系統地解析礦區地下水重金屬污染的時空演變規律，不僅是保障公眾健康安全的迫切需求，也是推動礦區綠色轉型、實現資源開發與環境保護雙贏目標的必由之路。

然而，面對礦區復雜多變的自然地理條件、差異化的開采歷史與工藝水平，以及重金屬污染物在地下環境中復雜的遷移轉化機制，如何準確量化污染風險、科學預測污染趨勢，成為當前環境科學領域的一大挑戰?；诖?，文章擬通過整合多學科理論與方法，深入剖析礦區地下水重金屬污染的時空變化特征，構建一套精準高效的風險評估體系。

1研究地區礦區基本概況分析

以開采超過5年的礦區為研究對象。該礦區位于中國東北部，地處長白山脈與松嫩平原的過渡區。地質條件以沉積巖為主，為礦區形成提供了物質基礎。在社會經濟方面，該礦區依托豐富的礦產資源，發展了加工制造業，形成了以礦業為主導的產業格局。隨著煤炭開采業迅速發展，礦井數量增加，煤炭年產量可觀，并形成了多個規模工業園區。這樣的自然環境和社會經濟條件共同影響著礦區的生態環境和礦業生產活動，為研究礦區地下水環境重金屬污染提供了重要的背景和依據。

2礦區地下水樣品采集及檢測

2.1樣品采集

在礦區開采區，順溪流方向選取5個采樣點，具體如圖1所示。采集地下水樣和水底沉積物各5份，編號分別為P1-P5、A1-A5；在冶煉區，圍繞石料廠和廢石廠周邊的水坑、水塘和排水溝設置采樣點，同樣采集地下水樣和沉積物樣品各5份，編號分別為S1-S5、D1-D5。采樣過程中，使用聚乙烯塑料瓶作為容器，嚴格清洗以避免污染。水樣采集時需擾動水體，加入硝酸溶劑保持pHlt;2，并立即封好瓶口，標明取樣信息。沉積物樣品則進行干燥和篩分處理，收集小于30目篩孔部分用于后續分析。

2.2樣品檢測

在完成對礦區地下水的樣品采樣后，需要對樣品進行檢測，其中，水樣和沉積物的共同檢測項目有6項指標，分別為As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb；除此之外，水樣還需檢測pH值、COD以及總硬度?；诖耍瑢λ畼訕悠泛统恋砦飿悠返脑睾?，選擇確定分析方法，見表1。

根據表1中內容所示，分別對樣品中的水樣以及沉淀物元素的析出方法進行設定，為此，針對于不同的析出方法，選擇對應實驗設備。

而對于水樣中的pH值和COD檢測，需具體說明：

（2）水樣COD檢測：將100 ml水樣分四份，每份25ml，加入重鉻酸鉀和硫酸銀，加熱回流1.5小時。冷卻后加指示液，滴定并記錄用量。同時進行空白操作以確保準確性。計算方法如式（1）：

3礦區地下水重金屬污染特征

3.1水環境重金屬質量標準

在分析地下水重金屬污染特征前，需要說明水環境的質量標準，其中，水體標準按照水質類型劃分，沉淀物的標準以土壤質量標準為依據，分別為：

（1）地下水水樣質量評判標準：As在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類標準中為≤50，在Ⅳ、Ⅴ類中為≤100；Cr在Ⅰ類中為≤10，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類中為≤50，Ⅴ類中為≤100；Cd在Ⅰ類中為≤1，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類中為≤5、V類中為≤10；Cu在Ⅰ類中為≤10、在其余四類中為≤1000；Hg在Ⅰ、Ⅱ類項目為≤0.05，Ⅲ類中為≤0.1，Ⅳ、Ⅴ類中為≤1；Pb在Ⅰ、Ⅱ類中為≤10，在Ⅲ、Ⅳ中為≤50，在Ⅴ類中為≤100，單位均為μg/L。

（2）地下水沉積物質量評判標準：As的基準值為3～70、Cr為25～400、Cd為0.5～12、Cu為15～260、Pb為25～520m、Hg為0.5～3.0，單位為mg/Kg。

根據水環境質量標準的提出，對應研究區的劃分情況，將礦區按照開采區和冶煉區兩個部分進行分析，分別獲取兩個區域內地下水的重金屬分布規律。

3.2開采區地下水重金屬分布規律

開采區內含有一條自礦山上順流而下的河流，可以視作礦區地下重金屬污染的來源，依據污染元素生態效應中遷移富集作用，根據對采樣點的水樣和沉積物元素含量分析，為縮短此次研究時間，對于相同位置處的水樣以及沉淀物，還需不同時間中的數據樣本，來源為研究區內已經完成的數據調查記錄。以樣品中水樣、沉淀物重金屬含量作為分布規律的分析基準，見圖2。

圖2開采區內地下水系水樣與沉積物中重金屬含量

如圖2所示，按照水流方向，在開礦區內水樣的重金屬含量，從空間上來看，在采樣點P1、P2中的重金屬含量最高，并沿著水流呈現逐漸降低的趨勢，隨著水流方向，重金屬含量整體呈下降趨勢，說明水體對重金屬具有一定的搬運能力，在水樣中檢測出的As、Cd、Cr、Cu、Pb整體含量較??；而對于開采區內的地下水沉積物，含量均在各自重金屬質量評價指標的基準限制之內，說明地下水底泥中的重金屬含量未超標。

3.3冶煉區地下水重金屬分布規律

冶煉區的工業廢水則是礦區內污染地下水的主要污染源，分析結果見圖3。

如圖3所示，由于冶煉區中設置的采樣點為不連續情況，距離冶煉廠較近的采樣點S1和S2，重金屬元素含量較高，基本為其他采樣點的十倍，主要是離冶煉廠較近，處理污水會就近排放，在地下水的水樣重金屬分布呈現出與冶煉區遠近呈反比的特征；對于該區域的地下水沉積物來講，Cr的含量較為符合基準限制，As在D5測點也符合基準限制，其余采樣點均大于基準上限，而Cd、Cu、Pb、Hg在D3、D4、D5測點符合基準限制，但在Dl和D2中大于基準線，且超標倍數較高。

3.4礦區地下水樣重金屬理化性質

對開采區和冶煉區內水樣采集點的理化性質進行分析，見表2。

根據表中內容所示，在開采區和冶煉區中水樣的理化性質具有差異性，整體上以弱堿性為主，這類屬性會導致重金屬的溶解難度和遷移難度變大，因此，重金屬會在水體匯總富集和沉淀，最終導致水體中重金屬污染。

4礦區地下水環境污染風險評估方法

4.1篩選評價指標

為了準確評估礦區地下水環境污染風險，首要任務是篩選合適的評價指標。此研究以“污染源一污染途徑一污染受體”為核心思想，綜合考量研究區域內的地質特征和水文特點，篩選出以下關鍵指標：重金屬的污染特征（如存在形式、毒性、遷移性、含量等）、礦區的固有脆弱性（如補給類型、巖質發育、水質酸堿度等）、礦區的特殊脆弱性（如地下水利用類型、污染源排放強度等）以及價值功能（如水質指數、健康指數等）。

4.2建立評價模型

劃分三個層次，分別為目標層、準則層、指標層，根據各個層級內含有的多個指標，以專家打分法構建判斷矩陣，對每一個指標進行數量形式的評估，計算層次總排序及礦區地下水重金屬風險指標體系權重，如式（2）所示：