吳凡 許繼影

摘 要：為揭示塌陷礦區(qū)周邊土壤中重金屬元素的污染特征，借助全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和地統(tǒng)計分析技術，對安徽省淮北市已關閉礦井前嶺煤礦周邊農田土壤中8種重金屬元素（Cu、Fe、Zn、Co、Ni、Cr、Mn和Pb）進行了詳細調查、取樣和分析測試，以確定前嶺礦井和周邊塌陷區(qū)土壤重金屬污染程度及潛在的生態(tài)環(huán)境危害性。結果表明：Cu、Fe、Zn、Co、Cr、Mn和Pb元素的檢測含量平均值和安徽省土壤重金屬背景值相比，分別超出1.03倍、1.54倍、3倍、0.2倍、0.08倍、0.48倍、1.03倍、8.75倍，其中，Zn元素和Pb元素超標情況尤為突出。此外，礦井及周邊塌陷區(qū)的污染呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分布特征，即礦井內西南方污染嚴重，周邊西北方廢舊磚廠和水泥廠的污染情況也較為突出。

關鍵詞：重金屬污染;土壤;關閉礦井

中圖分類號 X82;X173文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）06-0115-06

Abstract：To reveal the pollution characteristics of heavy metals in the soil surrounding the mining area， using the global positioning system （GPS）， geographic information system （GIS） and statistical analysis techniques， surrounding the Qianling coal mine in Huaibei city， Anhui province closed mines eight heavy metals in soil （Cu， Fe， zinc， Co， Ni， Cr， Mn， and Pb） detailed investigation ，collected the samples and analysised， determine the Qianling in the mine and surrounding subsidence of soil heavy metal pollution and potential ecological environmental harm. The results showed that the average content of Cu， Fe， Zn， Co， Cr， Mn and Pb was 1.03 times， 1.54 times， 3 times， 0.2 times， 0.08 times， 0.48 times， 1.03 times and 8.75 times higher than the background value of soil heavy metals in Anhui province， among which Zn and Pb exceeded the standard. In addition， the mine and surrounding pollution presents obvious regional distribution characteristics of subsidence， the mine southwest of pollution is serious， peripheral to the northwest of old brick and cement factory pollution situation is more outstanding， hoping to draw the attention of the department of environmental protection.

Key words：Heavy metal; Pollution Soil; Mine closure

1 前言

一般而言，土壤重金屬污染是指由于自然地質作用或某些人為因素導致的諸如鋅、銅、鈷、鎳、錫等重金屬對土壤造成的生態(tài)污染。近年來，國內外學者針對土壤重金屬污染開展了廣泛的研究，取得了豐碩的成果，研究內容涉及土壤重金屬空間分布特征[1]、來源分析[2]、重金屬地球化學基線研究[3]等方面。常用的研究方法有單因子分析和綜合分析法[4]、地積累指數(shù)法[5]、富集因子法[6]等。

然而，礦井的無止境開發(fā)勢必會帶來許多環(huán)境問題，我國煤礦關閉的主要原因有資源枯竭、不符合安全生產要求、非法開采、經(jīng)濟效益差、開采技術落后、開采地質地理條件復雜等。2015年中央經(jīng)濟工作會議提出，推動煤炭行業(yè)供應側結構性改革的“去產能、去庫存、去杠桿、降成本、補短板”5項重點任務。《中國煤炭工業(yè)改革發(fā)展年度報告（2016年度）》指出，在國家政策指導下，2016年完成煤炭去產能2.5億t，超額完成2016年目標。

淮北市位于安徽省北部，黃淮平原南端，淮北礦區(qū)位于安徽省北部，地處東經(jīng)115°42′～117°15′，北緯33°06′34°～08′，總面積約4650km2。區(qū)內已有40多對礦井，是安徽省以及中國東部重要的煤礦區(qū)。但煤礦開采、提煉、運輸?shù)茸鳛橥寥乐亟饘傥廴镜闹匾獊碓?，對土壤環(huán)境及人類健康具有較大的影響[7]。近年來，隨著開采強度的加大及國家政策的調整，皖北地區(qū)被關閉的礦井數(shù)量較多。然而，廢棄礦井及周邊塌陷區(qū)內多堆積有大量的煤渣、煤矸石等固體殘余物，殘余物的大量堆存，會因受水浸泡而淋溶出一些有害元素，如Pb、Cr、Mn和Cu等重金屬元素。這些重金屬元素的析出和遷移，會直接或間接地對周圍土壤、地表水和地下水環(huán)境造成一定程度的污染。為此，本研究對前嶺煤礦及周邊塌陷區(qū)、農田和常福運河近礦井岸等地的土壤重金屬含量進行了分析和評價，繪制了空間重金屬含量分布圖，分析了污染源，判定了污染等級，旨在為土壤重金屬污染治理提供理論依據(jù)。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2.1.1 采樣點位布設 采樣地位于淮北市前嶺煤礦，于Google衛(wèi)星地圖上初步在礦井區(qū)域內布設16個采樣點（1～16號點），在礦區(qū)東邊道路旁設置2個采樣點（17～18號點），在礦區(qū)西邊農田內設置10個采樣點（19～20號點），在常福運河近礦井岸邊設置4個采樣點（29～32號點）。礦井內、外每個點位間距約150m，共計采集土壤樣品32個，以明確礦井及周邊塌陷區(qū)土壤重金屬元素含量本底水平（圖1）。

由于目前礦井最北部主要是附近居民的居住場所，地表已被水泥覆蓋，故不能正常采集樣品。而礦井西方的農田內，由于地表土壤長期受到一定程度的農藥污染，將其定義為重點污染區(qū)，需額外在現(xiàn)場增加土壤樣品的采集數(shù)量，使目標樣品數(shù)量能夠滿足此處的統(tǒng)計要求，從而方便對礦井及周邊塌陷區(qū)有準確的確定。

2.1.2 采樣 由于前嶺礦井屬于關閉礦井，其內局部場地可能會存在混凝土等復雜情況，故采用專業(yè)鉆探設備對采樣點進行混凝土破碎工作后再進行土壤采樣，且在鉆探過程中需要將土壤按其深度不同分開擺放，而采樣點垂直方向的采樣深度可根據(jù)污染源的位置、地層結構輔助判斷。在剖制取樣面前需使用木鏟刮去表面約1cm厚的土壤表層，樣品大約取1.5kg即可。在進行取樣工作時可以使用針管取樣器進行取樣，各個采樣點取地表以下5～15cm處具有一定代表性的、5個采樣單元土壤樣品，用木質捻子捻去植物樹根、粒徑較大的礦物顆粒等雜質，然后采用“四分法”充分混合，并用專用密封袋密封。待取樣結束時，在取樣孔上方放置顯眼標志物，以示該點樣品采集工作已完成。

2.2 樣品預處理和測試 首先，使用塑料自封袋將樣品密封后帶回宿州學院工程中心實驗室，放置室內陰涼處自然風干10～15d直到完全松散。其次，將風干后的樣品經(jīng)機器研磨后依次過60、80、100、200目木質尼龍篩，每過1次尼龍篩重新研磨1次。再次，用分析天平準確稱量5g待測土樣，在20t壓片機壓片后取出于密封袋內保存，在12h內進行重金屬元素的含量分析。在預熱完Skyray Instrument ICP-2000儀器后，按照軟件順序依次分析樣品，導出數(shù)據(jù)。需要注意的是，尼龍篩、研缽等與土壤接觸的儀器設備均需清洗干凈，包括瑪瑙研缽也需用酒精擦拭一遍;已經(jīng)壓好的樣片不能與手或金屬物質接觸，一律采用木質捻子捻起;在測試過程中，每測試10個樣品，需使用標準土樣對實驗儀器進行校準。

3 結果與分析

3.1 樣品重金屬含量測定 經(jīng)過Skyray Instrument ICP-2000儀器內置的分析軟件的測量，可以得到研究區(qū)域內各采樣點位的土壤重金屬元素的具體含量（表1）。

2.2 樣品重金屬分布特征 對表1所測數(shù)據(jù)進行數(shù)學統(tǒng)計分析，得到前嶺關閉礦井內土壤重金屬元素含量的最大（小）值、算術平均值等（表2）。由表2可知，采樣區(qū)元素Co、Ni和Cr的平均值較安徽省土壤重金屬元素背景值小，元素Cu、Fe、Zn、Mn和Pb的平均值較安徽省土壤重金屬元素背景值大。

在本次實驗中，由于儀器Skyray Instrument ICP-2000對目標測試重金屬元素的檢測率并不保持一致，故將結果分述如下：Cu、Fe、Zn、Co、Cr、Mn和Pb元素檢出率皆為100%，但Ni元素檢出率僅為21.88%。Cu元素的含量檢出范圍為0.58～213.31mg·kg-1，含量平均值為20.92mg·kg-1，方差為45.52（mg·kg-1）2;Fe元素的含量檢出范圍為31451.73～120848.67mg·kg-1，含量平均值為48343.65mg·kg-1，方差為15374.50（mg·kg-1）2;Zn元素的含量檢出范圍為107.29～471.86mg·kg-1，含量平均值為186.30mg·kg-1，方差為62.71（mg·kg-1）2;Co元素的含量檢出范圍為0.55～19.15mg·kg-1，含量平均值為3.57mg·kg-1，方差為2.93（mg·kg-1）2;Ni元素的含量檢出范圍為0.27～1mg·kg-1，含量平均值為2.34mg·kg-1，方差為5.28（mg·kg-1）2;Cr元素的含量檢出范圍為23.58～37.57mg·kg-1，含量平均值為31.72mg·kg-1，方差為2.91（mg·kg-1）2;Mn元素的含量檢出范圍為296.34～977.31mg·kg-1，含量平均值為547.50mg·kg-1，方差為112.75（mg·kg-1）2;Pb元素的含量檢出范圍為163.55～328.88mg·kg-1，含量平均值為227.40mg·kg-1，方差為28.67（mg·kg-1）2。

通過Surfer 12對礦區(qū)位置進行量化，并加投散點圖（如圖2～9），可以得到所測量的重金屬元素在測量范圍內的空間分布特征。

以國家一、二級土壤標準為參考值，對研究區(qū)域內所測的重金屬元素繪制柱狀圖圖解（如圖10～14）。

根據(jù)圖10～14可以分析出，Cu元素和Zn元素在礦井的西南部分含量最高，且Cu元素含量比周圍區(qū)域高出很多，這是因為直接受到礦井過去所產煤礦和礦井關閉以后所殘留物質的長期污染。Co元素和Fe元素在礦井的東北部分最為富集，在詢問礦區(qū)負責人和現(xiàn)場觀察后，發(fā)現(xiàn)是因為此處長期堆放了大量的鐵制品，故此部分是直接受鐵制品的強烈污染的。Cr元素在礦井周圍、常福運河西段的近礦井岸，以及礦井外西南方向的農田、西北方向的磚廠附近有較為明顯的富集，推測是在礦井污染物質排放后經(jīng)雨水等沖刷后向地下滲透形成地下徑流，排到了農田和河流中。Mn元素則在礦井西南部分和礦井西北方向的磚廠有明顯的富集。此外，Pb元素只在礦井東北部分有所富集。

根據(jù)圖10～14還可以分析得出，7號采樣點和10號采樣點的Cu元素均高出國家二級土壤標準值，4號采樣點Cu元素超過國家一級土壤標準值，其余各采樣點基本在國家一級土壤標準值以下。2號、10號和25號采樣點的Zn元素逼近或超出國家二級土壤標準值，其余則全部超出國家一級土壤標準值。但Cr元素則屬于另一種情況，每一個采樣點中Cr元素的含量都未能超出國家一級土壤標準值，基本維持在一個較低的水平。此外，雖然Ni元素也在礦井西南部分有所富集，但由于只有4號、7號和10號采樣點的土壤測出了Ni元素，由此估計礦區(qū)及附近已經(jīng)基本不受Ni元素的污染。9號采樣點的Pb元素超出國家二級土壤標準值，其余各采樣點則都超出國家一級土壤標準值，并且每個采樣點的Pb元素含量都很高?？梢酝茰y，礦井及周邊塌陷區(qū)受Pb元素污染十分強烈。

3.3 礦區(qū)及附近土壤重金屬質量評價 內梅羅指數(shù)法是當前國內外進行綜合污染指數(shù)計算的最常用的方法之一，其具有數(shù)學過程簡捷，運算方便，物理概念清晰等優(yōu)點。對于一個評價區(qū)，只要計算出它的綜合指數(shù)，再對照相應的分級標準，便可知道該評價區(qū)某環(huán)境要素的綜合環(huán)境質量狀況，便于決策者做出綜合決策[9]。該方法先求出各因子的分指數(shù)（超標倍數(shù)），然后求出各分指數(shù)的平均值，取最大分指數(shù)和平均值計算，是一種兼顧極值或稱突出最大值的計權型多因子環(huán)境質量指數(shù)，見下式[10]：

式中，Ci為元素的實際值，Li為元素的容差值，相關數(shù)據(jù)可以參考土壤環(huán)境質量標準GB 15618-1995以及《綠色食品產地環(huán)境質量現(xiàn)狀評價綱要》（1994），又因為礦井及周邊塌陷區(qū)大多為旱地，pH在6.5～7.5，由內梅羅指數(shù)法污染等級劃分標準（如表3）可劃分研究區(qū)的污染指數(shù)值，并由公式計算出前嶺關閉礦井及周圍塌陷區(qū)土壤重金屬元素的Pg值（見表4）。

由表4可知，除16號采樣點的Pg=2.80<3.0，屬于中污染范圍的地區(qū)，其余31個采樣點的Pg>3.0，屬于重污染地區(qū)。此外，這31個采樣點的Pg值超過“污染等級5”在5～34倍，尤其以7號采樣點和10號采樣點的Pg值最高，分別達到1092倍和3437倍。這應該與礦井內過去煤炭直接堆放的位置有關，或者與礦井內修繕導致的某些化工原料堆放以及下層土壤翻到土壤風化殼表層有關。

4 結論與建議

4.1 結論 （1）研究區(qū)域內受Cr元素污染相對輕微，受Cu、Fe和Mn元素的污染較為嚴重，但受Zn元素和Pb元素的污染相對最為嚴重。（2）研究區(qū)域內Fe元素的方差異常偏大，由此估計每個樣本區(qū)域內的土壤受Fe元素的污染情況差別較大;而Cr元素方差最低，估計Cr元素在采樣區(qū)的空間分布最為均勻，其余所測元素的方差值處于中間大小。（3）重金屬元素對研究區(qū)域內污染情況呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分布特征，即關閉礦井內西南方污染嚴重，東北方污染較輕微;處于關閉礦井外西北方廢舊磚廠和水泥廠的污染情況也比較嚴重。

4.2 建議 研究區(qū)域內土壤的重金屬元素含量受人為活動的影響程度并不一致，其中Cr、Cu、Mn、Pb和Zn元素多屬于受人為活動影響較為強烈的重金屬元素，主要來自于人們日常生活廢棄物的不合理的分散堆放;而Ni元素的污染主要于自然狀態(tài)下土壤內的物質反應等。同時，在礦井周圍農田的土壤樣品中Cu、Zn和Pb元素有一定程度的超標，由此可推斷其產出的農作物內Cu、Zn和Pb元素含量也會有一定程度的超標，這將會導致農作物光合作用減弱，引起產量降低甚至絕收，同時有可能通過食物鏈引起或加重礦井附近居民的間斷性頭痛、高血壓等癥狀，嚴重者可能會衍生出視覺障礙等疾病。

諸如利用蚯蚓的生活習性調高土壤自凈能力的生物修復方法、利用抑制劑改變土壤pH值、電導率的化學修復方法，以及生態(tài)修復和物理修復等方法可以在很大程度上降低土壤中的重金屬元素。因此，對于關閉礦井來說，其土壤重金屬元素污染治理和周圍環(huán)境保護，既要通過政策和法律法規(guī)的約束、改變居民亂倒生活垃圾的習慣，又要采用適宜的技術措施對其進行進一步的綜合治理。

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（責編：張宏民）