戚賞 呂燈 杜丹 劉磊

摘要：以焦作礦區(qū)演馬礦煤矸石堆放場(chǎng)地為靶區(qū)，分析煤矸石場(chǎng)地及其周邊地區(qū)土壤環(huán)境中Pb、Cr、Cu、Zn、As、Cd等6種重金屬元素的空間分布特征，研究表明煤矸石風(fēng)化過程同時(shí)也是重金屬元素富集的過程，其遷移主要靠大氣揚(yáng)塵擴(kuò)散。以矸石山為中心，明顯影響范圍在長(zhǎng)軸方向即礦區(qū)常年性盛行風(fēng)方向達(dá)到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右；采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法開展評(píng)價(jià)，表明研究區(qū)重金屬Cr、Cu、Zn、As單因子潛在生態(tài)危害較輕，區(qū)域生態(tài)危害主要來(lái)自于重金屬Cd，其次為Pb。

關(guān)鍵詞：煤矸石；重金屬元素；空間分布；遷移過程

矸石是煤礦開采過程中產(chǎn)生的主要固體廢棄物，長(zhǎng)期堆放在地表，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成惡劣影響。河南是資源大省，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，煤炭開發(fā)過程中產(chǎn)生的煤矸石，約占全省工業(yè)固體廢棄物的20%以上。本文以焦作煤礦區(qū)演馬礦煤矸石堆放場(chǎng)地為研究靶區(qū)，通過調(diào)查煤矸石分布范圍、堆放現(xiàn)狀和綜合利用情況，查明煤矸石場(chǎng)地重金屬元素類型，研究重金屬元素在大氣、土壤、水體等介質(zhì)中的遷移規(guī)律，揭示重金屬元素影響生態(tài)環(huán)境的機(jī)理，為開展煤矸石場(chǎng)地重金屬元素生態(tài)修復(fù)技術(shù)提供基礎(chǔ)。

1.研究區(qū)概況

研究區(qū)所在的焦煤礦區(qū)演馬礦位于焦東礦區(qū)山前傾斜平原，該礦迄今已開采50多年，累計(jì)排放煤矸石約400×104t，歷史時(shí)期煤矸石最大堆存量曾達(dá)200×104t。矸石產(chǎn)出規(guī)模平均約占煤炭產(chǎn)量的15%左右。目前該礦現(xiàn)存煤矸石量約30×104t。煤矸石堆放于主井口西南300m地帶，占地面積約10hm2，以露天形式堆放，堆放形態(tài)呈近似圓錐狀，其周圍多為農(nóng)田或果園。

研究區(qū)處于區(qū)域水環(huán)境、土壤環(huán)境等敏感地帶。受降水、風(fēng)力和地下水徑流等作用，矸石山場(chǎng)地及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境污染問題嚴(yán)重。加之相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量揚(yáng)塵、廢氣等，從而造成對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的二次污染與破壞。

2.煤矸石場(chǎng)地重金屬元素空間分布特征

2.1焦作礦區(qū)煤矸石重金屬含量特征

根據(jù)李旭華、郭慧霞[3]等人的研究，焦作煤礦區(qū)煤矸石普遍含有影響環(huán)境的有毒有害重金屬元素，在所分析的Pb、As、Zn、Cu、Cr、Cd等6種指標(biāo)中，Cd的檢出率為50%（Cd的最低檢測(cè)限為0.05mg/kg），其他元素的檢出率為100%，其中Zn的含量為123.89mg/kg～291.11mg/kg，Mn的含量為35.83mg/kg～888mg/kg。焦作礦區(qū)煤矸石淋濾液中Cr的濃度很高，且在土壤中Cr的濃度亦很高，常常高出淋濾液中Cr的濃度數(shù)倍，說明煤矸石中重金屬淋出具有長(zhǎng)期性，礦區(qū)土壤對(duì)煤矸石重金屬具有富集性和遷移性。（圖1）。

2.2重金屬元素空間分布特征

本次在研究區(qū)共采集43塊土壤樣品，其中表層土壤（0cm～15cm）36組，深層土壤（30cm～45cm）7組。所采樣品顯示，平面上，有7處重金屬嚴(yán)重污染的地段，至少有4種重金屬超過一級(jí)國(guó)標(biāo)以上，屬于重度污染的土壤。

垂向上，通過同一采點(diǎn)不同深度兩組重金屬樣品分析，可以比較同一點(diǎn)位上重金屬在不同深度土壤中含量的變化（表1）。

6種重金屬元素在表層土壤中的含量分布均高于深層土壤，可見演馬礦區(qū)重金屬污染主要靠大氣揚(yáng)塵擴(kuò)散，而深層土壤中重金屬元素含量與表層土壤中重金屬的含量也有一定的相關(guān)性（圖2），顯示了表層土壤重金屬元素遷移對(duì)深層土壤的影響。

3.煤矸石場(chǎng)地重金屬元素遷移過程

根據(jù)樣品重金屬含量，進(jìn)一步分析總結(jié)重金屬污染分布情況與遷移規(guī)律如下：

研究區(qū)Cd在矸石山周邊分布大致呈同心橢圓狀，以矸石山為中心向周邊擴(kuò)散，其含量隨著距離矸石山的增大而降低，空間擴(kuò)散半徑的長(zhǎng)軸方向?yàn)榈V區(qū)常年性盛行風(fēng)方向，明顯影響范圍在長(zhǎng)軸方向達(dá)到1000m左右。

區(qū)內(nèi)Pb含量中等，以矸石山為中心，向外Pb含量呈逐步降低的趨勢(shì)，明顯影響范圍在長(zhǎng)軸方向即礦區(qū)常年性盛行風(fēng)方向達(dá)到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右。

研究區(qū)Zn含量中等。矸石山處Zn含量最高，以矸石山為中心，向外Zn含量呈逐步降低的趨勢(shì)，明顯影響范圍在長(zhǎng)軸方向即礦區(qū)常年性盛行風(fēng)方向達(dá)到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右。

區(qū)內(nèi)Cu含量較低，以矸石山為中心，向外逐漸降低，在常年性盛行風(fēng)方向達(dá)到1000m左右，短軸方向即大氣降水、地表水等徑流方向約400m左右。

研究區(qū)Cr含量和As含量總體上較低，并非研究區(qū)主要污染源。

4.重金屬污染生態(tài)危害評(píng)價(jià)

4.1評(píng)價(jià)方法

4.2研究區(qū)重金屬潛在生態(tài)危害性評(píng)價(jià)

重金屬對(duì)環(huán)境的威脅并非單純的由其含量多少進(jìn)行判斷，必須結(jié)合其毒性系數(shù)計(jì)算出潛在生態(tài)威脅指數(shù)，尚能夠真實(shí)地反映該重金屬的污染程度。將檢測(cè)樣品中重金屬的含量分別帶入公式（1）～（3）中，可以計(jì)算得到采樣點(diǎn)單個(gè)污染元素的污染程度（單因子指數(shù)）與總體污染程度（RI）。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)查區(qū)重金屬Pb、Cr、Cu、Zn、As的單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)為輕微生態(tài)危害，而該區(qū)域生態(tài)危害主要來(lái)自重金屬Cd。

根據(jù)所有采集的土壤、矸石樣品中重金屬的含量，通過公式計(jì)算出每個(gè)樣品的RI值，將RI值隨距離矸石山的分布變化狀況繪制成為折線圖（圖3）。

由圖可以看出，RI值隨著距離矸石山遠(yuǎn)近作有規(guī)律的變化，其值大小隨著距離矸石山的增大而降低，這與多數(shù)重金屬在兩條路線中含量的分布變化趨勢(shì)是十分一致的。但這里RI值主要受到毒性值最大的Cd的影響，因此RI的大小，著重反映了Cd在兩條路線上的分布情況。

5.結(jié)論

（1）研究區(qū)矸石長(zhǎng)期露天堆放，經(jīng)物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用，其中有毒有害重金屬元素如Cd、As、Cr、Pb、Zn、Cu等不斷離出與釋放，構(gòu)成煤礦地區(qū)重金屬污染的主要來(lái)源。

（2）重金屬離子的遷移主要受到區(qū)域盛行風(fēng)力的作用，通過矸石揚(yáng)塵進(jìn)行擴(kuò)散，次為地下水徑流的影響。以演馬煤礦矸石山為中心，重金屬污染嚴(yán)重地段主要位于距離矸石山1000m左右的范圍內(nèi)。重金屬污染的短軸方向位于礦區(qū)淺層地下水徑流方向，重金屬污染的嚴(yán)重地段主要位于距離矸石山400m左右的范圍內(nèi)。

（3）研究區(qū)重金屬Cr、Cu、Zn、As單因子潛在生態(tài)危害較輕，區(qū)域生態(tài)危害主要來(lái)自于重金屬Cd，其次為Pb。風(fēng)化程度較高的矸石，潛在生態(tài)威脅貢獻(xiàn)值（RI）超過600，即風(fēng)化后的矸石其生態(tài)危害更為嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明亮，王海霞.煤礦區(qū)矸石山周邊土壤重金屬污染特征與規(guī)律[J].水土保持學(xué)報(bào)， 2007， 21（4）：190-192.

[2]楊建，陳家軍，王心義.煤矸石堆周圍土壤重金屬污染空間分布及評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 22（03）：873-878.

[3]李旭華，王心義，楊建等.焦作礦區(qū)煤矸石山周圍土壤和玉米作物重金屬污染研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)， 2009， 35（2）：66-69.