韓娟娟,吳大鵬,張 濤
(北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院,北京 101500)
金屬礦產(chǎn)在開(kāi)采、冶煉、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中廢氣、廢水的排放及固體廢物的堆放都會(huì)造成周圍環(huán)境重金屬污染。環(huán)境中的重金屬污染達(dá)到一定程度,可通過(guò)飲用水和食物進(jìn)入人體,嚴(yán)重危害我們的健康。近些年研究者對(duì)礦區(qū)重金屬污染開(kāi)展了一系列的研究,周艷等(2018)通過(guò)多元分析及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)西南某鉛鋅礦農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行分析評(píng)價(jià),指出農(nóng)田土壤Cd、Pb、Zn污染嚴(yán)重;趙云峰等(2020)通過(guò)測(cè)定某鐵尾礦庫(kù)周邊土壤中4種重金屬元素(Cu、Cr、Pb、Cd)的含量及其形態(tài)特征,采用地累積指數(shù)法和次生相與原生相比值法(RSP法)研究重金屬污染程度,指出研究區(qū)重金屬元素污染風(fēng)險(xiǎn)大小的順序?yàn)镃d>Pb>Cu>Cr;平谷萬(wàn)莊金礦由于長(zhǎng)期的開(kāi)采與冶煉造成周圍土壤重金屬污染,姚世廳等(2018)通過(guò)分析萬(wàn)莊金礦區(qū)土壤中表層及垂向上的重金屬分布特征,采用單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及污染負(fù)荷指數(shù)方法對(duì)礦區(qū)的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià),指出該區(qū)重金屬污染屬中等污染程度;王威等(2019)采用ArcGIS反距離權(quán)重插值數(shù)學(xué)模型和SPSS多元統(tǒng)計(jì)方法綜合研究了土壤重金屬空間分布及污染特征,結(jié)果表明研究區(qū)域的土壤重金屬存在不同程度的污染風(fēng)險(xiǎn)。上述研究中,北京地區(qū)土壤污染評(píng)價(jià)基本選用北京市土壤背景值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),評(píng)價(jià)方法較多但適用性不強(qiáng)。此次研究土壤背景值選取楊全合等(2013)平谷地質(zhì)背景研究論文中的背景值,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)執(zhí)行GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》。通過(guò)野外樣品采集、實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析、SPSS多元統(tǒng)計(jì)方法、土壤重金屬含量空間分布及極值點(diǎn)分析,研究北京某金礦區(qū)土壤重金屬污染特征并對(duì)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),揭示了研究區(qū)土壤重金屬污染類型、污染風(fēng)險(xiǎn)、污染來(lái)源及污染物遷移途徑。
研究區(qū)位于平谷西部低山區(qū),屬劉家店鎮(zhèn)孔城峪村。此礦開(kāi)采歷史悠久,相傳自唐代開(kāi)采,解放后先后由平谷縣礦務(wù)局、市冶金局以及縣辦企業(yè)等多個(gè)部門(mén)開(kāi)采,采礦方式為地下開(kāi)采(姚世廳等,2018)。此礦已停采多年,附近另有2個(gè)金礦尾礦庫(kù),用于堆放氰化物冶煉后的尾礦,金礦開(kāi)采區(qū)東部原有一小型選礦廠,位置分布見(jiàn)圖1。該金礦礦床成因?qū)僭跓嵋撼傻V期,生成中低溫?zé)嵋撼涮罱淮徒鸬V床,在表生成礦期,由于風(fēng)化作用,改造了熱液礦床形成鐵帽型金礦床(北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院,2010),礦區(qū)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)8條礦體,集中分布于F3斷裂以東,關(guān)上-萬(wàn)莊傾伏背斜軸以西1.92 km2范圍內(nèi),見(jiàn)圖1(陳大經(jīng)等,1998)。
圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig. 1 Geological map of the study area
研究區(qū)位于燕山山脈中段南側(cè)邊緣與潮白河、溝河沖—洪積平原銜接地帶,除劉家店屬川口平地外,四周皆山,金礦開(kāi)采區(qū)海拔約230 m,平原區(qū)海拔約70 m。區(qū)內(nèi)山坡坡度相對(duì)較平緩,一般為20°~40°,局部達(dá)45°以上。溝谷較發(fā)育,孔城峪村北山有4條近南北向溝谷,由于多年采礦活動(dòng)地形切割較強(qiáng),溝谷狹窄,地形地貌破壞嚴(yán)重。沿金礦開(kāi)采區(qū)下游村莊向東至1號(hào)尾礦庫(kù)地勢(shì)逐漸降低,1號(hào)尾礦庫(kù)至東北方向村莊海拔逐漸降低。
利用奧維地圖在研究區(qū)內(nèi)劃分200 m×200 m網(wǎng)格,沿采礦點(diǎn)下游區(qū)域每個(gè)網(wǎng)格中布設(shè)一個(gè)樣品采集點(diǎn),共布設(shè)144個(gè)采樣點(diǎn)。利用手持GPS及奧維地圖的導(dǎo)航功能,在指定點(diǎn)位進(jìn)行樣品采集。表層土壤樣品的采樣深度為0~20 cm。采樣時(shí)需去除表面雜物,在采樣點(diǎn)附近50 m范圍內(nèi)選取3~5處不同位置進(jìn)行樣品采集,棄去動(dòng)、植物殘留體、礫石等,將不同位置采集的樣品進(jìn)行混合,混合后的樣品作為代表該采樣點(diǎn)土壤特性的樣品,將混合樣品裝入樣品袋,并進(jìn)行編號(hào),土壤樣品原始重量大于1000 g。采集的樣品要防止玷污,并及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室。
土壤重金屬測(cè)試由具有專業(yè)測(cè)試資質(zhì)的機(jī)構(gòu)完成,測(cè)試元素為As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn共8種。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),主要采用石墨爐原子吸收分光光度法、冷原子吸收法、二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法、火焰原子吸收分光光度法、石墨爐原子吸收分光光度法等測(cè)試方法完成重金屬元素含量分析。
使用SPSS 19.0的多元統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)各重金屬元素的極值、標(biāo)準(zhǔn)差、均值、超標(biāo)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,了解重金屬污染現(xiàn)狀及空間分布情況。運(yùn)用相關(guān)性及主成分分析衡量各重金屬元素的相關(guān)密切程度,并初步推測(cè)重金屬來(lái)源。
依據(jù)平谷地區(qū)背景值及GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》,土壤采樣點(diǎn)的地類為其他,重金屬元素含量按pH>7.5相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值進(jìn)行分類。利用ArcGIS的空間展示功能,分別將Cr、Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn、Ni等8種重金屬含量依次按照背景值、篩選值、管制值在圖上進(jìn)行分類展示,評(píng)價(jià)污染風(fēng)險(xiǎn)。
研究區(qū)144個(gè)表層土壤樣品重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。除Hg與Cr超標(biāo)率相對(duì)較低外,其余大部分元素含量均超過(guò)背景值。平均值超過(guò)背景值倍數(shù)較高的元素依次為Pb、As、Cd,超標(biāo)倍數(shù)分別為25.48、20.13、15.48,表明該3種元素污染較重;Cu、Hg、Zn平均值超過(guò)背景值2~3倍多,表明該區(qū)域存在一定的Cu、Hg及Zn污染。Cr、Ni均值接近背景值,表明該區(qū)域Cr、Ni基本無(wú)污染。標(biāo)準(zhǔn)差反應(yīng)重金屬分布均勻程度,由表1可看出,該區(qū)域Pb、Zn、As含量極不均勻,Cu分布不均勻,Hg、Cd、Ni、Cr分布較均勻。
表1 研究區(qū)表層土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Descriptive statistics of heavy metals concentration in the surface soil of study area
綜合分析可知,該區(qū)域存在不同程度的Pb、As污染且局部污染較重,普遍存在較重的Cd污染,局部存在較輕的Zn、Cu污染,輕微Hg污染,Ni、Cr無(wú)污染。
對(duì)重金屬元素含量進(jìn)行相關(guān)性分析,作為推斷重金屬來(lái)源的重要依據(jù),結(jié)果見(jiàn)表2。若元素之間存在顯著或較顯著的相關(guān)性,表明元素間具有同源關(guān)系或存在復(fù)合污染。經(jīng)相關(guān)性分析,As、Cu、Pb、Cd、Zn兩兩之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),且相關(guān)系數(shù)均大于0.687,說(shuō)明這5種元素極有可能存在同源關(guān)系和復(fù)合污染的可能。Hg與As、Cu、Pb、Cd、Zn,存在顯著正相關(guān)性,推測(cè)Hg與這5種元素可能具有同源性。Cr與Ni相關(guān)性較高,且相關(guān)系數(shù)為0.742,推斷Cr與Ni具有相同來(lái)源。
表2 研究區(qū)土壤重金屬元素相關(guān)性分析Tab. 2 Correlation of soil heavy metals contents in study area
土壤重金屬主要來(lái)源于成土母質(zhì)與人類活動(dòng),通過(guò)主成分分析可以有效地判斷土壤重金屬來(lái)源。通過(guò)上述相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)大部分重金屬元素之間存在顯著相關(guān)性,且Bartlett球形度檢驗(yàn)相伴概率為0.000,小于顯著水平0.005,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為0.680,表明該樣本適合做相關(guān)性分析。主成分分析結(jié)果詳見(jiàn)表3,根據(jù)特征值大于1原則篩選出2個(gè)主成分,共解釋了79.892%的原有信息,說(shuō)明對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行分析即可得到8種重金屬元素含量數(shù)據(jù)的大部分信息。
表3 研究區(qū)土壤重金屬含量主成分分析Tab. 3 Principal component analysis of soil heavy metals contents in study area
第一主成分(F1)貢獻(xiàn)率為60.24%,在Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn含量上載荷較高,主要反映了Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn的富集信息。結(jié)合之前統(tǒng)計(jì)分析,這6種元素均存在不同程度的污染,其中As、Pb、Cd超背景值高達(dá)25.48、20.13、15.48倍。且這6種元素兩兩之間存在極顯著相關(guān)性,判斷這6種元素可能來(lái)自于同一污染源。有研究表明該區(qū)金礦石的主要礦物成分為褐鐵礦、黃鐵礦、方鉛礦、黃銅礦、閃鋅礦等,分析推斷研究區(qū)的金礦開(kāi)采及冶煉產(chǎn)生的廢渣、廢水及尾礦是這6種重金屬的主要來(lái)源。判斷第一主成分代表了礦山開(kāi)采及冶煉來(lái)源。
第二主成分(F2)貢獻(xiàn)率為19.66%,在Cr與Ni含量上載荷較高,主要反映了Cr與Ni的富集信息。這2種元素具有極顯著的相關(guān)性,判斷這2種元素具有同源性。結(jié)合之前統(tǒng)計(jì)分析,這2種元素與背景值相差不大,判斷第二主成分為自然源。
研究區(qū)表層土壤樣品中重金屬含量超管制值的個(gè)數(shù)為75,超標(biāo)率52.08%,其中超篩選值樣品個(gè)數(shù)為35,超標(biāo)率24.31%。通過(guò)各重金屬元素含量的超標(biāo)統(tǒng)計(jì)可知,As、Cu、Pb、Cd、Zn等5種元素含量均存在不同程度的超標(biāo),其中As元素超標(biāo)率最高,詳見(jiàn)表4。結(jié)合8種重金屬含量空間分布圖,詳見(jiàn)圖2,可得出As在金礦開(kāi)采點(diǎn)及尾礦庫(kù)附近含量較高,大部分點(diǎn)位超過(guò)篩選值,甚至超過(guò)管制值,土壤污染風(fēng)險(xiǎn)較高;Cd與Pb含量分布相似,在金礦開(kāi)采點(diǎn)、選礦廠及尾礦庫(kù)附近含量較高,大部分點(diǎn)位超過(guò)篩選值,少數(shù)點(diǎn)位超過(guò)管制值,存在一定的土壤污染風(fēng)險(xiǎn);Cu、Zn含量分布相似,在金礦開(kāi)采點(diǎn)、選礦廠及尾礦庫(kù)附近含量較高,部分點(diǎn)位超過(guò)篩選值,存在一定的土壤污染風(fēng)險(xiǎn);Cr、Ni、Hg均無(wú)超過(guò)篩選值的點(diǎn),土壤污染風(fēng)險(xiǎn)較低,一般情況下可忽略不計(jì)。
表4 研究區(qū)表層土壤重金屬含量超標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab. 4 Analysis of over standard rate of heavy metals concentration in the surface soil of study area
圖2 土壤重金屬含量空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of soil heavy metals contents
土壤重金屬污染主要分布在金礦開(kāi)采區(qū)、尾礦庫(kù)、選礦廠及下游約1.5 km范圍內(nèi),且污染風(fēng)險(xiǎn)較高,污染元素為As、Cd、Pb、Cu、Zn,其中As污染最嚴(yán)重,Cd、Pb次之,Cu、Zn污染較輕。其他區(qū)域污染風(fēng)險(xiǎn)較低,且該區(qū)域Cr、Ni、Hg基本無(wú)污染。
采集的土壤樣品中,Zn、Pb、Cd、Cu等4種重金屬含量的極大值點(diǎn)出現(xiàn)在萬(wàn)莊金礦開(kāi)采區(qū)內(nèi),As、Ni、Cr重金屬含量的極大值點(diǎn)出現(xiàn)在磕頭溝尾礦庫(kù)下游500 m范圍內(nèi),Hg含量的極大值點(diǎn)出現(xiàn)在選礦廠附近400 m處。Cr含量的極小值點(diǎn)出現(xiàn)在金礦開(kāi)采區(qū)上游400 m處,Hg、Cd含量極小值點(diǎn)出現(xiàn)在磕頭溝尾礦庫(kù)上游200 m處,Ni含量極小值點(diǎn)出現(xiàn)在選礦廠上游500 m處,As、Cu、Zn、Pb含量極小值點(diǎn)出現(xiàn)在選礦廠下游1.5 km范圍內(nèi)。土壤重金屬元素含量極大值點(diǎn)均出現(xiàn)在金礦開(kāi)采點(diǎn)、尾礦庫(kù)及選礦廠附近及下游500 m范圍內(nèi),極小值點(diǎn)出現(xiàn)在金礦開(kāi)采點(diǎn)、尾礦庫(kù)、選礦廠上游或下游1.2~1.5 km范圍內(nèi),詳見(jiàn)圖3。推斷土壤重金屬的主要遷移途徑為,金礦開(kāi)采區(qū)、尾礦庫(kù)及選礦廠的廢渣和尾礦析出的重金屬,通過(guò)廢渣及尾礦堆的孔隙下滲進(jìn)入底墊土壤,在地表徑流的作用下向下游土壤環(huán)境中遷移。
圖3 土壤重金屬含量極值點(diǎn)分布圖Fig. 3 Extreme value distribution of soil heavy metals contents
(1)通過(guò)重金屬含量描述性分析,研究區(qū)土壤存在不同程度的Pb、As污染且局部污染較重,普遍存在較重的Cd污染,局部存在較輕的Zn、Cu污染,輕微Hg污染,Ni、Cr基本無(wú)污染。
(2)通過(guò)重金屬空間含量分布及污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),該區(qū)土壤重金屬污染主要分布在金礦開(kāi)采區(qū)、尾礦庫(kù)、選礦廠及下游約1.5 km范圍內(nèi),呈現(xiàn)出污染物沿溝谷向下游擴(kuò)散的趨勢(shì)。主要污染元素為As、Cd、Pb、Cu、Zn,其中As污染最嚴(yán)重,Cd、Pb次之,Cu、Zn污染較輕。區(qū)內(nèi)基本不存在Cr、Ni、Hg污染。
(3)通過(guò)重金屬含量相關(guān)性分析,推測(cè)As、Cu、Pb、Cd、Zn、Hg等6種元素來(lái)源相似,Cr與Ni具有相同來(lái)源。主成分分析顯示,第一主成分主要反映了Hg、As、Cu、Pb、Cd、Zn等6種元素的富集信息,代表了礦山開(kāi)采及冶煉來(lái)源。第二主成分反映了Cr與Ni的富集信息,代表了自然源。