張永鵬 馬舒樂(lè) 丁天元

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

重金屬的種類繁多，主要包括鉛、鎘、汞、鉻、銅、鋅以及類金屬砷等[1]。重金屬的來(lái)源非常廣，且難以去除[2]。自然界重金屬富集后會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)生物造成嚴(yán)重傷害，通過(guò)直接接觸或者食物鏈傳遞會(huì)對(duì)人體健康造成很大威脅[3]。因此，對(duì)可能造成重金屬污染的地區(qū)進(jìn)行研究，探究重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是必要措施。

淮南市煤炭資源豐富，但長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采使地下空洞，地表塌陷，因淮南處在高潛水位的特點(diǎn)，所以地表沉陷的區(qū)域出現(xiàn)大面積的積水，從而形成了采煤塌陷區(qū)[4]。采煤沉陷區(qū)出現(xiàn)后，為幫助治理沉陷區(qū)問(wèn)題，大量研究人員對(duì)沉陷區(qū)環(huán)境因子做了分析，陳孝楊等[5]對(duì)采煤沉陷區(qū)底泥和周邊土壤中營(yíng)養(yǎng)鹽向上覆水傳遞特征進(jìn)行分析；鄭劉根等[6]對(duì)采煤沉陷區(qū)底泥與水體之間的營(yíng)養(yǎng)鹽分布及移動(dòng)特征進(jìn)行探索；范廷玉等[7]探討了積水與復(fù)墾對(duì)采煤沉陷區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的影響。本文綜述了近15a來(lái)淮南各大煤礦沉陷區(qū)環(huán)境中重金屬污染的研究，重點(diǎn)闡明淮南煤礦塌陷區(qū)沉積物與水體的重金屬污染狀況，分析了沉陷區(qū)重金屬的主要來(lái)源，闡明沉陷區(qū)重金屬的時(shí)空分布特征，并對(duì)沉陷區(qū)重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行總結(jié)，本研究有助于客觀掌握淮南采煤沉陷區(qū)重金屬污染水平和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為解決塌陷區(qū)重金屬問(wèn)題提供可靠依據(jù)。

1 淮南采煤沉陷區(qū)水體重金屬污染現(xiàn)狀

淮南地區(qū)因煤炭開(kāi)采造成地質(zhì)穩(wěn)定性及滲透性破壞，出現(xiàn)大量采煤沉陷區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)中以及大量廢棄煤矸石堆積都潛藏大量重金屬元素，隨著地表徑流，地下滲透的影響，造成沉陷區(qū)水體重金屬污染。

1.1 沉陷區(qū)水體重金屬含量水平

通過(guò)對(duì)已有的研究結(jié)果進(jìn)行分析，見(jiàn)表1，淮南采煤沉陷區(qū)重金屬Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb、Hg、Ni、Fe的平均濃度區(qū)間分別為0.96～499μg·L-1、9.5～1057.68μg·L-1、2.53～441.1μg·L-1、0.03～87.5μg·L-1、2.67～13.56μg·L-1、0.35～264.2μg·L-1、0.000019～0.16μg·L-1、3.5～112.5μg·L-1、184.47～881.41μg·L-1。Zn的最大平均濃度是在2019年的迪溝塌陷區(qū)，Cu的最大平均濃度是在2013年的張集塌陷區(qū)，Cd、Cr、Ni、Fe、Pb的最大平均濃度均是在2013年謝橋塌陷區(qū)[8,16]?；茨铣料輩^(qū)水體平均重金屬含量大小順序依次是Fe>Zn>Cr>As>Cu>Ni>Pb>Cd。在現(xiàn)有的研究中，王丹等[8]在2013年對(duì)謝橋塌陷區(qū)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，Pb和Cd的含量超出Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn)1.5倍，Ni超出飲用水健康標(biāo)準(zhǔn)2.1倍；2013年張集塌陷區(qū)中Pb和Cd的含量超出Ⅴ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分別為2.4倍和7.6倍，Ni超出生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)2.05倍，塌陷區(qū)Pb和Cd出現(xiàn)嚴(yán)重污染。2013年楊茗[9]對(duì)謝橋塌陷區(qū)的研究中同樣是Pb和Cd存在嚴(yán)重污染，且還發(fā)現(xiàn)Cr出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。陳從磊等[16]對(duì)淮南迪溝采煤沉陷區(qū)水體質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，Zn超出Ⅲ類地表水標(biāo)準(zhǔn)，整體水質(zhì)并未污染，重金屬Cu、Zn、Pb和As出現(xiàn)一定程度的富集現(xiàn)象。在對(duì)顧橋和潘集的采煤沉陷區(qū)的調(diào)查中，并未發(fā)現(xiàn)重金屬超標(biāo)現(xiàn)象。

表1 淮南沉陷水體重金屬濃度比較(平均值)

1.2 沉陷區(qū)水體重金屬的時(shí)空變化特征

淮南塌陷區(qū)重金屬研究結(jié)果見(jiàn)表1，從時(shí)間上看，2013年謝橋和張集的沉陷區(qū)重金屬Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni含量總體明顯高于2016年潘一礦和顧橋沉陷區(qū)[8,12,13]。說(shuō)明隨著對(duì)采煤沉陷區(qū)綜合治理措施的實(shí)施，塌陷區(qū)水生生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。而2013年重金屬含量高可能是初期煤矸石填埋導(dǎo)致。塌陷區(qū)水體重金屬含量會(huì)隨季節(jié)的改變而產(chǎn)生明顯的波動(dòng)，陳軍等[12]對(duì)潘一采煤塌陷區(qū)水體重金屬季節(jié)性變化進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cr、Cd、Cu在四季中的春季重金屬含量最高，Pb、Zn、Fe在四季中的冬季重金屬含量最高，重金屬Pb、Zn、Fe、Cu、Cd、Cr的含量均在夏季最低，可能原因是夏季雨量充沛，對(duì)塌陷區(qū)重金屬有稀釋作用。張維翔等[14]對(duì)淮南采煤沉陷區(qū)水體進(jìn)行綜合分析，結(jié)果顯示，淮南地區(qū)采煤沉陷區(qū)水體中重金屬Cd、Cr、Ni、Pb平均含量冬季高于夏季，與沉陷水體的研究結(jié)果類似，重金屬Zn的平均含量夏季高于冬季，可能是因?yàn)樵诓擅撼料輩^(qū)水下養(yǎng)魚，綜合利用過(guò)程中投放養(yǎng)殖飼料造成。

淮南地區(qū)采煤沉陷區(qū)水體重金屬空間分布特征明顯，綜合研究結(jié)果，整體上均無(wú)水體污染，但相互比較之下，迪溝采煤沉陷區(qū)水體重金屬污染較高，顧橋次之，潘集最低[11,12,16]。陳軍等[10]發(fā)現(xiàn)，潘一礦水體西部比東部的重金屬含量高，其污染可能來(lái)自于上游的污水流入和西部煤矸石的堆積。楊茗等[9]發(fā)現(xiàn)，謝橋采煤沉陷區(qū)水體重金屬含量整體上東南地區(qū)大于西北地區(qū)。張維翔等[14]發(fā)現(xiàn)，空間分布波動(dòng)比較大的重金屬是Cr、Ni、Zn。Cd、Pb在空間分布波動(dòng)較小。

1.3 沉陷區(qū)水體重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

采煤沉陷區(qū)重金屬污染程度的大小可以通過(guò)各種污染物評(píng)價(jià)方法來(lái)體現(xiàn)。沉陷區(qū)水體總體無(wú)污染現(xiàn)象。歐金萍等[11]運(yùn)用重金屬污染指數(shù)法發(fā)現(xiàn)，顧橋采煤沉陷區(qū)水體并不存在重金屬污染。陳軍等[10]對(duì)潘一礦采煤沉陷區(qū)水體采用重金屬污染評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個(gè)季度中水體都沒(méi)有重金屬污染，重金屬污染程度冬季最高，夏季最低。安士凱等[17]采用健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)淮南沉陷水體整體污染水平，結(jié)果顯示，沉陷水體整體風(fēng)險(xiǎn)值較低，重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)值從小到大順序?yàn)镃r、Cd、Pb、Zn、Ni，健康風(fēng)險(xiǎn)值還與水量有關(guān)，淮南水質(zhì)出現(xiàn)豐水期低于枯水期的現(xiàn)象。裴文明等[18]采用韋伯-費(fèi)希納定律建立評(píng)價(jià)體系對(duì)潘集水體進(jìn)行預(yù)警，發(fā)現(xiàn)水體存在水質(zhì)惡化的趨勢(shì)。

2 淮南采煤沉陷區(qū)沉積物重金屬污染現(xiàn)狀

采煤沉陷積水區(qū)的沉積物與沉陷前的地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，沉陷區(qū)大部分為農(nóng)田，塌陷塘沉積物重金屬特征大部分取決于當(dāng)時(shí)的農(nóng)業(yè)環(huán)境，沉積物中污染物質(zhì)會(huì)向水體進(jìn)行遷移，是水體潛在污染源，進(jìn)行采煤沉陷積水區(qū)沉積物重金屬污染分析，對(duì)解決水質(zhì)隱患有關(guān)鍵作用[19]。

2.1 沉陷區(qū)沉積物重金屬含量水平及時(shí)空分布特征

近年來(lái)對(duì)沉陷區(qū)沉積物重金屬的研究一直在進(jìn)行，綜合表2可知，淮南地區(qū)沉陷區(qū)沉積物的重金屬污染并不樂(lè)觀，各塌陷區(qū)中Cd污染最嚴(yán)重，As、Cu、Cr、Hg、Pb、Zn等重金屬出現(xiàn)輕度污染，部分地區(qū)Cr、As、Sb污染較為嚴(yán)重。歐金萍等[11]對(duì)顧橋采煤沉陷積水區(qū)沉積物重金屬含量進(jìn)行了測(cè)定并分析，發(fā)現(xiàn)重金屬Cd含量超標(biāo)最嚴(yán)重，超出中國(guó)沉積物背景值12.38倍，重金屬Sb污染程度次之，超出中國(guó)沉積物背景值2.37倍，剩下超出淮南土壤環(huán)境背景值的重金屬還有As、Cr、Cu、Mn、Ni。雒建偉等[20]對(duì)潘一采煤沉陷區(qū)底泥重金屬進(jìn)行分層研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重金屬表層濃度高于中層和底層，Cd、Zn、Hg分別超出淮南水體沉積物背景值的倍數(shù)為6倍、5倍、4倍。劉旭等[15]發(fā)現(xiàn)，潘集塌陷區(qū)重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、As超出淮南土壤環(huán)境背景值，Cd和As污染較為嚴(yán)重。陳城等[21]對(duì)迪溝沉陷區(qū)沉積物的研究中發(fā)現(xiàn)，沉積物中Cu、As、Cd、Pb的含量均值超出背景值。范廷玉等[7]在對(duì)張集沉積物的研究中發(fā)現(xiàn)，重金屬Cu、Zn、Pb、Cd出現(xiàn)不同程度的污染。劉思魁等[22]對(duì)顧橋沉陷區(qū)的重金屬Hg進(jìn)行針對(duì)性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Hg的含量超出淮南土壤環(huán)境背景值，Hg的含量與沉積物中有機(jī)質(zhì)有密切聯(lián)系，且Hg的空間分布不規(guī)律。比較王丹和歐金萍對(duì)顧橋的研究，結(jié)果與沉陷區(qū)水體類似，2016年重金屬含量明顯低于2013年，說(shuō)明對(duì)塌陷區(qū)的綜合治理對(duì)沉積物重金屬有很不錯(cuò)的效果[8,11]。

表2 淮南沉陷區(qū)沉積物重金屬濃度比較(平均值)

2.2 沉陷區(qū)沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

淮南沉陷區(qū)沉積物中多種重金屬濃度偏高，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)伴隨著到來(lái)，歐金萍等[11]采用地累積指數(shù)進(jìn)行對(duì)顧橋沉積物重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沉積物中Cd污染程度嚴(yán)重，Cr污染程度次之，重金屬總體污染程度從大到小排序?yàn)镃d、Cr、Sb、Cu、As、Ni、Mn、Zn，重金屬Cd、Cr向水體遷移的風(fēng)險(xiǎn)比較大。陳城等[21]對(duì)迪溝沉陷區(qū)沉積物采用地累積指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)重金屬As、Cu、Cd、Pb存在污染，Cd和As在潛在風(fēng)險(xiǎn)較高。范廷玉等[7]采用地累積指數(shù)法對(duì)沉陷區(qū)沉積物重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采煤沉陷區(qū)底泥Cd、Pb、Cu、Zn存在風(fēng)險(xiǎn)，Cd風(fēng)險(xiǎn)值最高。

3 總結(jié)

沉陷區(qū)水體和沉積物中重金屬含量在近年來(lái)的綜合治理下有明顯下降，沉陷區(qū)水體水質(zhì)良好，但重金屬Cd和Cr有富集現(xiàn)象，沉陷區(qū)沉積物受到不同程度的重金屬污染，各塌陷區(qū)中Cd污染最嚴(yán)重，部分地區(qū)Cr、As、Sb污染較為嚴(yán)重，As、Cu、Cr、Hg、Pb、Zn等重金屬出現(xiàn)輕度污染。

沉陷區(qū)水體重金屬含量隨季節(jié)變化明顯，夏季含量最低，原因是夏季雨量充沛，對(duì)重金屬有稀釋作用。水體重金屬空間分布與地理環(huán)境相關(guān)，主要受到煤矸石堆積、地表徑流、農(nóng)田施肥，汽車尾氣的影響。

沉陷區(qū)水體重金屬基本不存在健康風(fēng)險(xiǎn)，沉陷區(qū)沉積物中重金屬Cd和Cr潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)比較高，重金屬Cd、Cr、Sb、Cu、As、Ni、Mn、Zn都有不同程度的污染。