王聿慶，胡桂林

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽 六安 237010；2.安徽公眾檢驗研究院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

近年來，我國社會經(jīng)濟發(fā)展迅速,土壤和地下水開采力度加大，使得污染狀況逐漸加重[1-2]。廢水中各種有害物質(zhì)經(jīng)過遷移會污染周圍水源地和生態(tài)系統(tǒng)，最終污染土壤和地下水環(huán)境[3]。土壤污染狀況調(diào)查在國外開展較早，而國內(nèi)在近幾年才著手開展大規(guī)模土壤污染調(diào)查，時間相對較短，經(jīng)驗相對缺乏[4]。地下水是地球水環(huán)境體系中的重要組成部分，已形成較為成熟的地下水科學(xué)理論[5]。地下水的綜合污染指數(shù)評價是傳統(tǒng)的采樣分析無法解決時所采用的一種直觀的方法，可以為污染防治工作提供技術(shù)支撐[6-7]。重金屬進入土壤后，難以被地下水及有機污染物降解，多數(shù)被固定在土壤耕作層中，嚴(yán)重影響地下水水質(zhì)和農(nóng)田土壤生態(tài)功能[8]。礦石開采可能會污染土壤和地下水水環(huán)境，同時形成的尾礦渣堆積成難以處理的尾礦庫[9～11]。本論文基于對大別山北麓11處尾礦庫的土壤與地下水進行監(jiān)督性監(jiān)測，來揭示尾礦庫區(qū)土壤和地下水中重金屬的污染狀況，并通過多元統(tǒng)計分析方法識別兩者之間的相互關(guān)系[12]，以期為該地區(qū)尾礦庫系統(tǒng)的科學(xué)評估和有效治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究擬選定11處尾礦庫區(qū)，位于大別山北部，淮河中游南岸，整體集中位于六安市西北側(cè)(見圖1中小三角形)。地勢南高、北低，南部屬低崗丘陵地區(qū)，北部為平原湖泊河流，擁有豐富礦產(chǎn)資源，屬重點蓄洪區(qū)范圍。本研究針對尾礦庫區(qū)土壤和地下水環(huán)境污染進行調(diào)查監(jiān)測，對了解該地區(qū)土壤和地下水污染現(xiàn)狀及進一步做好水土污染的綜合防治具有十分重要的指導(dǎo)意義[13-15]。

圖1 采樣點位置示意圖

地塊周邊整體以農(nóng)業(yè)用地為主，礦區(qū)構(gòu)筑物主要處于城市建成區(qū)或擬建設(shè)用地,屬典型城鄉(xiāng)交錯地帶。其占地面積約3～79.29 hm2，pH6.94～8.19，濁度除尾礦庫W-02之外均超《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，色度、TDS和總硬度僅個別庫區(qū)存在超標(biāo)現(xiàn)象(見表1)。

2 材料與方法

2.1 試驗方案

布點是環(huán)境調(diào)查的重要環(huán)節(jié)，2020年10月-2021年2月在擬選定的11處尾礦庫開展野外試驗。土壤樣品利用人工取樣，地下水樣品利用一次性貝勒管伸入監(jiān)測水井中進行取樣[16]。土壤樣品的采集以調(diào)查地塊為監(jiān)測單元，11個尾礦庫區(qū)均布設(shè)5個土壤監(jiān)測點位(每個方位不低于1個)，在其地塊范圍紅線外20 m范圍內(nèi)的裸露土壤布設(shè)，若20 m范圍內(nèi)無裸露土壤，取樣點位可向外延伸，采樣以0.2 m處的土壤為重點采樣層。地下水樣品的采集在地塊周邊進行地下水監(jiān)測點的布設(shè)，其中尾礦庫W-03布設(shè)2個地下水監(jiān)測點位，尾礦庫W-04和尾礦庫W-08布設(shè)3個地下水監(jiān)測點位，其他8個尾礦庫均布設(shè)4個地下水監(jiān)測點位。優(yōu)先利用地塊周邊現(xiàn)存地下水監(jiān)測井，無現(xiàn)有監(jiān)測井則需新建地下水監(jiān)測井[16-17]。綜上，共布設(shè)土壤監(jiān)測點55個，地下水監(jiān)測點40個。

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)選定11處尾礦庫的整體調(diào)查，對研究區(qū)域土壤和地下水中重金屬污染狀況分別采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行綜合評價。

表1 試驗期間尾礦庫區(qū)地下水主要理化指標(biāo)

3 結(jié)果與分析

土壤重金屬主要分析Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg、Cr、Zn，其中Cr、Zn多數(shù)庫區(qū)監(jiān)測點位未檢出；地下水重金屬主要分析Cu、Mn、Ni、Zn、Pb。

3.1 尾礦庫區(qū)土壤中重金屬污染狀況與評價

每個庫區(qū)布設(shè)5個土壤監(jiān)測點位，從表2中可以看出，不同片區(qū)土壤重金屬含量存在顯著差異性，其差異性主要表現(xiàn)在Ni、Cd兩種元素上。在整個區(qū)域內(nèi)，土壤樣品中Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg濃度范圍分別為15～40、6～53、6.9～34.6、0.02～0.18、3.69～18.3、0.01～0.03 mg/kg，平均值分別為33.8、40.2、24.08、0.12、11.62、0.02 mg/kg。將所有監(jiān)測點位重金屬含量與《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB36600-2018)中的第二類用地篩選值進行對比，結(jié)果顯示，11處尾礦庫區(qū)土壤監(jiān)測點位監(jiān)測結(jié)果均滿足要求，不存在超標(biāo)污染物。運用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對所有采樣點土壤中Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg污染進行綜合評價，得出所有監(jiān)測點位土壤的綜合污染物指數(shù)PN(表2)均小于0.7，由內(nèi)羅梅污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)來看，在55個監(jiān)測點位中清潔水平所占比例達100%，污染率為0%，同樣說明選定的11處尾礦庫區(qū)附近土壤未受到污染。

表2 不同尾礦庫區(qū)土壤重金屬含量差異 mg/kg

3.2 尾礦庫區(qū)地下水中重金屬污染狀況與評價

地下水監(jiān)測點位原則上在每個方向上不低于1個，同樣由表3可知，不同片區(qū)的地下水重金屬含量也存在顯著差異性，其差異性最大的表現(xiàn)在Mn和Pb兩種元素上。11個庫區(qū)地下水中Cu、Mn、Ni、Zn、Pb濃度范圍分別為0～11、0.16～2 480、0.08～9.68、5.18～44、0～47.1 μg/L，平均值分別為3.27、985.13、5.01、78.3、23.83 μg/L。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示，Mn是出現(xiàn)超標(biāo)個數(shù)最多的指標(biāo)，11家尾礦庫區(qū)僅有2家未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)，平均含量為985.13 μg/L，最高達到2 480 μg/L，超標(biāo)倍數(shù)24.8倍；Pb次之，有4家企業(yè)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)，平均含量24.83 μg/L，最高達到47.1 μg/L，超標(biāo)4.71倍；而Cu、Ni、Zn三種重金屬未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)點位。

表3 不同尾礦庫區(qū)地下水重金屬含量差異 μg/L

這里同樣運用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對地下水監(jiān)測點位土壤中Cu、Mn、Ni、Zn、Pb污染進行綜合評價。由內(nèi)羅梅污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)來看，在40個監(jiān)測點位中清潔、輕污染、污染、重污染和嚴(yán)重污染分別所占的比例為18%、27%、18%、0%、36%，污染率為81%。說明這11處尾礦庫區(qū)場地附近土壤受到較為嚴(yán)重的重金屬污染。由此可以發(fā)現(xiàn)，不同重金屬元素在土壤與地下水系統(tǒng)中含量差異較大(表3)，這除了與元素自身理化性質(zhì)有關(guān)，還會受到所在土壤環(huán)境和地下水流系統(tǒng)的影響。Majeed和Reis等提出重金屬在土壤中的遷移能力與其在土壤中的形態(tài)有關(guān)，而與土壤中的總量沒有直接關(guān)系。Barry等研究發(fā)現(xiàn)，進入土壤的重金屬主要在土壤0～20cm表層積累，其縱向遷移趨勢不明顯。

3.3 多元統(tǒng)計分析

對于土壤和地下水中重金屬，無論是原生環(huán)境還是受人為影響，元素都不會獨立存在，必然有一定的相關(guān)性[18]。根據(jù)11處尾礦庫區(qū)分析結(jié)果，采用Spearman相關(guān)系數(shù)，解析土壤和地下水重金屬之間的相關(guān)性，并針對有相關(guān)關(guān)系的元素開展回歸分析，結(jié)果見表4和圖2。

表4 土壤與地下水重金屬元素的相關(guān)性分析(n=11)

由表4結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除個別地下水中Mn(D)與Ni(D)、Cd(T)與Ni(T)、Pb(D)與Cd(T)之間存在顯著相關(guān)外，多數(shù)之間沒有顯著水平，其中Mn(D)與Ni(D)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=-0.859,P=0.001)。針對上述存在顯著關(guān)系的兩個指標(biāo)進行回歸分析(圖2)，可以看出Mn(D)與Ni(D)呈正的線性關(guān)系(y=0.373 3e0.002 5x，R2=0.868 8)，這說明他們之間的含量變化會隨著彼此之間增大而增大。

圖2 地下水中Mn與Ni之間的相互關(guān)系

4 結(jié)語

本研究是在場地調(diào)查的背景下，對選定的11處尾礦庫區(qū)開展野外試驗，并利用綜合污染指數(shù)評價和多元統(tǒng)計分析方法，揭示土壤和地下水中重金屬的污染特征及相關(guān)關(guān)系。具體得到如下四點結(jié)論：

(1)對大別山區(qū)某多處礦區(qū)開展場地環(huán)境調(diào)查顯示，土壤中重金屬含量符合《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB36600-2018)中的第二類用地篩選值標(biāo)準(zhǔn)，地下水中重金屬發(fā)現(xiàn)Mn和Pb兩種元素超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

(2)采用綜合污染指數(shù)評價發(fā)現(xiàn)：55個土壤監(jiān)測點位中綜合污染物指數(shù)(PN)均小于0.7，污染率0%；40個地下水監(jiān)測點位中綜合污染物指數(shù)(PN)小于0.7僅有2個庫區(qū)，污染率82%，其中受到嚴(yán)重污染的尾礦庫為W-02、W-04、W-06和W-11。說明尾礦庫開采不僅會對地下水水量和水流場產(chǎn)生影響，同時會影響地下水水質(zhì)，造成地下水中重金屬積累，對礦區(qū)所處的生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。

(3)由多元統(tǒng)計分析結(jié)果可知，僅地下水中Mn與Ni之間呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=-0.859,P=0.001)，其他大多數(shù)重金屬之間未呈現(xiàn)顯著性水平，且回歸分析結(jié)果與之一致。