許緒成，許繼影，葉傳紅，闞立波，劉 洋

（宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 237000）

在礦業(yè)城市中，不可忽略由于采礦帶來的煤矸石堆對(duì)周圍土壤造成的重金屬污染影響.隨著人民生活質(zhì)量的逐步提高，重金屬污染越來越受到人們的重視.煤矸石通過多種方式對(duì)周圍產(chǎn)生影響，在風(fēng)化、淋濾作用下,可以產(chǎn)生大量粉塵、酸性水和攜帶有重金屬的離子水,污染大氣、土壤和水源[1],重金屬等有害元素再通過植物吸收富集，被人食用，進(jìn)入生物體內(nèi)的重金屬元素由于具有持久性、毒性和生物富集作用，對(duì)生物和人類健康均會(huì)造成嚴(yán)重的危害[2].其中煤矸石對(duì)土壤造成重金屬污染主要有兩種途徑:一是經(jīng)風(fēng)蝕后的矸石揚(yáng)塵懸浮于大氣中,隨風(fēng)降落于矸石堆周圍土壤;二是矸石受大氣降水的沖刷和淋溶作用而使重金屬隨地表徑流進(jìn)入土壤[3].煤矸石作為我國主要的固體廢棄物數(shù)量巨大且污染性也不容小覷.

目前對(duì)礦區(qū)周圍煤矸石堆的研究不在少數(shù)，但是受到地域條件和當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的影響，各處煤矸石堆對(duì)其周邊造成的影響都有所不同，所以為了能給周圍居民一個(gè)健康的生活環(huán)境，我們對(duì)宿州桃園礦區(qū)域進(jìn)行重金屬空間分布特征研究是十分有必要的.

淮北礦業(yè)集團(tuán)公司桃園煤礦是國家“八五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大型礦井，經(jīng)過擴(kuò)能改造，生產(chǎn)能力達(dá)到了150萬噸.在煤礦開采的過程中產(chǎn)生大量煤矸石，煤矸石的堆放和不合理運(yùn)用給當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的重金屬污染.由此進(jìn)行煤矸石堆周圍水平方向和垂直方向重金屬空間分布特征分析，分析重金屬污染規(guī)律，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)、保護(hù)居民身體健康具有重要的意義.

1 樣品采集與測(cè)試

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)位于宿州市墉橋區(qū)北楊寨鄉(xiāng)桃園鎮(zhèn)桃園煤礦煤矸石堆積點(diǎn)附近，采樣區(qū)域多為耕作區(qū)，西北向?yàn)榫用駞^(qū)，在圖1中的區(qū)域16點(diǎn)位處存在一處磚廠.原定取樣21個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位的距離（圖1中的網(wǎng)格距離）設(shè)定在200-300m間.由于個(gè)別點(diǎn)位填埋煤矸石與碎磚屑，取樣器無法取樣，所以本次共取樣19個(gè)點(diǎn)位，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)點(diǎn)位以三角取樣法取樣，每個(gè)采樣點(diǎn)以不同深度進(jìn)行采樣（0-0.2m、0.2-0.4m），研究其地區(qū)在平面以及垂直縱深的重金屬分布特征.具體采樣點(diǎn)情況見圖1.

圖1 樣品采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2 樣品制備與測(cè)試

取樣后樣品在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干，剔除明顯的雜余物質(zhì).再用研缽研成粉末狀，過200目篩，裝入樣品袋中供測(cè)試.

樣品采用HCl-HNO3-HF-HClO3全分解法[4]檢測(cè)土壤中重金屬含量:稱取0.5g樣品放入聚四氟乙烯坩堝內(nèi),用少許蒸餾水潤濕,加入10mL鹽酸和10mL硝酸,在電熱板上加熱,控溫200℃;再向坩堝內(nèi)加10mL氫氟酸和10mL高氯酸,在電熱板上以200℃加熱;溶解完畢冷卻后,將坩堝內(nèi)消解液轉(zhuǎn)移到100mL容量瓶中,定容后送ICP-MS測(cè)試，測(cè)試在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心內(nèi)完成，儀器為Skyray Instrument ICP-2000，每測(cè)試3個(gè)樣品后利用儀器自帶標(biāo)樣進(jìn)行校準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)檢測(cè) Pb、Ni、Cd、Mn、Cr、Cu、Zn 等 8 種重金屬元素.

表1 宿州市桃園礦區(qū)土壤樣品重金屬含量(mg·kg-1)

2 結(jié)果與分析

原定取樣21個(gè)點(diǎn)位，本次取樣19個(gè)點(diǎn)位，區(qū)域16與區(qū)域19樣品數(shù)據(jù)缺失.Cr元素的檢出率為100%，Mn元素的檢出率為97.3%，Pb、Ni、Fe元素的檢出率為94.7%，Cu元素的檢出率為73.7%，Zn元素的檢出率為50%.由于Zn元素檢出率過低，導(dǎo)致aicgis10.2中克里金分布的可信度降低，所以Zn元素的重金屬分布圖被略去.具體測(cè)試結(jié)果如表1所示.

2.1 土壤背景值

研究區(qū)宿州市桃園礦區(qū)周圍耕地多為沙土和淤土，在所檢測(cè)的所有元素中除了Fe這類受自然因素影響，人為因素影響較小的元素之外，其余所有元素的平均值均大于安徽土壤重金屬背景值.其中Pb元素的平均含量為背景值的5倍，Ni元素的平均含量為背景值的3倍，Cd元素的平均含量約為背景值的100倍，Zn元素的平均含量約為背景值的2倍.研究區(qū)的重金屬背景值處于一個(gè)高水平.

2.2 重金屬分析結(jié)果

在Explorer 9000 SDD儀器中各元素的檢出率不一，其中Cr元素的檢出率最高為100%，Mn元素的檢出率次之為97.3%，Pb、Ni、Fe元素的檢出率為 94.7%，Cu 元素的檢出率為73.7%，Zn元素的檢出率為50%.Pb元素的檢出范圍為18.62-439.2，平均值為 138.22，方差為 102.46；Ni元素的檢出范圍為11.3-334.6，平均值為3.95，方差為86.14；Fe元素的檢出范圍為7282.4-37841.3，平均值為7282，方差為7477.99；Mn元素的檢出范圍為17.1-905，平均值為477.99，方差為192.75；Cr元素的檢出范圍為36-94.4，平均值為63.49，方差為15.5；Cu元素的檢出范圍為1.1-116.7，平均值為 29.62，方差為 31.13；Zn元素的檢出范圍為12.52-492.64，平均值為102.69，方差為123.03.

表2 土壤重金屬元素背景值

圖2 各元素含量在各點(diǎn)的含量分布

圖3 煤矸石堆周圍土壤重金屬含量

通過利用arcgis10.2的空間插值，我們得到了各個(gè)元素含量在采樣點(diǎn)范圍內(nèi)的分布情況.其中Cd元素在0-0.2m范圍內(nèi)在西北角靠近煤矸石堆以及東北角磚廠附近的含量最高，土壤在淺層范圍內(nèi)其受到煤矸石堆和磚廠燒制磚塊的直接影響，其區(qū)域內(nèi)的Cd元素含量尤其高.而在0.2-0.4m范圍內(nèi)的土壤則靠近西南部分的含量高，其地區(qū)為居民住宅區(qū)和煤廠地址，或與煤矸石填地利用、煤的堆放及煤場(chǎng)加工淋濾液滲透有關(guān).Cr元素沒有超過安徽土壤重金屬背景值，但是其含量分布在arcgis10.2顯示與磚廠的位置有直接關(guān)聯(lián)，0-0.4m深度從東北角磚廠取出的土壤樣品Cr含量均高，0-0.2m深度土壤在西南角也表現(xiàn)出含量異常，或與磚廠燒制磚塊一整個(gè)流程對(duì)土壤造成的影響有關(guān).Cu含量在淺層0-0.2m范圍內(nèi)含量受磚廠和煤矸石堆的直接影響，0.2-0.4m范圍內(nèi)則東北角與西南角的含量高，推測(cè)受到垃圾填埋、煤矸石填地利用的影響，不排除0-0.2m的淺層土壤受到過居民的翻動(dòng)和更新.Fe含量比較正常，其在自然界中賦存并不過多地受到人類活動(dòng)的影響.其含量最高的地方位于東北一角，磚廠所在地，在采樣過程中明顯能夠感覺到磚廠附近的土壤受到磚塊碎渣的覆蓋，所以磚廠對(duì)于Fe含量產(chǎn)生了一定的影響.Mn含量分布大致與Fe相同，但在0.2-0.4m范圍內(nèi)東北角也有異常，推測(cè)此處應(yīng)為煤渣、煤矸石的一處填埋地.Ni含量在0-0.2m與0.2-0.4m范圍的分布不同，0-0.2m深度Ni元素主要在西南角表現(xiàn)異常，或與煤矸石填地利用、煤的堆放及煤場(chǎng)加工淋濾液滲透有關(guān)，而0.2-0.4m深度則東北角的Ni含量高，根據(jù)此前推測(cè)此處應(yīng)為煤矸石或碎屑磚的填埋地.

2.3 重金屬環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的最常用的方法之一.該方法先求出各因子的分指數(shù)(超標(biāo)倍數(shù))，然后求出個(gè)分指數(shù)的平均值，取最大分指數(shù)和平均值計(jì)算，是一種兼顧極值或稱突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，見下式[5]：

其中Ci為元素的實(shí)際值，Li為元素的容差值.參考土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618－1995，參考《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)綱要》(1994),結(jié)合桃園礦區(qū)農(nóng)田地為旱地，PH在6.5-7.5之間，由內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)可劃分研究區(qū)的污染指數(shù)值:

表3 土壤綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 土壤重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，桃園礦區(qū)取樣點(diǎn)Pg均大于3.0，為重污染區(qū)域，且超過警戒水平40-110余倍不等，其原因應(yīng)是煤矸石堆放淋濾、煤矸石填充耕作地、磚廠燒制堆放磚塊及碎屑的不當(dāng)處理、垃圾填埋，除此之外，不排除當(dāng)?shù)赜捎谕恋氐姆瓌?dòng)而造成的重金屬對(duì)表層土壤的影響.

3 結(jié)論

通過對(duì)宿州境內(nèi)桃園煤礦區(qū)域進(jìn)行重金屬空間分布特征的研究，再結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用駥?shí)際生產(chǎn)生活，得出以下結(jié)論：

(1)煤矸石周圍檢測(cè)有 Pb、Ni、Cd、Mn、Cr、Cu、Zn 等 8 種重金屬元素，Cr元素的檢出率為100%，Mn元素檢出率為97.3%，Pb、Ni、Fe元素檢出率為 94.7%，Cu元素的檢出率為73.7%，Zn元素的檢出率為50%.8種元素除Fe、Cr外均超標(biāo)，Cd超標(biāo)尤其嚴(yán)重，與周邊煤矸石堆和廢棄磚廠有關(guān)聯(lián).

(2)由aicgis10.2空間插值發(fā)現(xiàn)0-0.2m與0.2-0.4m的重金屬分布情況并不成正相關(guān)，推測(cè)煤矸石與附近磚廠碎屑磚的填埋有關(guān)聯(lián)，兩者造成了嚴(yán)重超標(biāo)的重金屬污染.

(3)地面表層平面范圍內(nèi)某些重金屬并沒有和煤矸石堆的距離產(chǎn)生正相關(guān)，可能與當(dāng)?shù)鼐用窀鳎卤韺油寥烙嘘P(guān)聯(lián).

(4)根據(jù)《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)綱要》研究區(qū)域?yàn)橹匚廴緟^(qū)域，且超過警戒水平40-110余倍不等，其原因應(yīng)是煤矸石堆放淋濾、煤矸石填充耕作地、磚廠燒制堆放磚塊及碎屑的不當(dāng)處理、垃圾填埋有關(guān).