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新疆準東煤礦土壤重金屬污染方法評價與分析

2016-11-15 05:16李曉航王東芳
中國礦業(yè) 2016年10期
關(guān)鍵詞:土層重金屬程度

李曉航,張 飛,夏 楠,王東芳,李 瑞

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院,新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830046;3.新疆大學智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室,新疆烏魯木齊 830046)

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新疆準東煤礦土壤重金屬污染方法評價與分析

李曉航1,2,3,張飛1,2,3,夏楠1,2,3,王東芳1,2,3,李瑞1,2,3

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院,新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830046;3.新疆大學智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室,新疆烏魯木齊 830046)

為對新疆準東煤礦土壤重金屬污染情況作出客觀實際的評價,借助單因子、綜合污染、內(nèi)梅羅等污染指數(shù)法,并結(jié)合 GIS 對耕地土壤重金屬空間分布、重金屬富集特征及綜合污染情況進行分析。對礦區(qū)土壤表層中的Hg、As、Cu、Ni、Cr、K、Pb、Zn(0~30cm)進行綜合污染評價,結(jié)果表明:單因子污染評價表明Ni、Cr、Pb分別在0~10cm、10~20cm、20~30cm土層中為輕度污染,各土層其余元素評價為清潔;Hg在0-10cm、10-20cm土層中污染值跨度最大,且最大值達到重度污染。內(nèi)梅羅污染評價認為Hg、As、K元素每層均為重度污染,其他元素污染程度較輕,每層污染程度較相似。綜合污染評價指出0~10cm、10~20cm土層污染程度為清潔,20~30cm土層為輕度污染。本研究區(qū)污染最嚴重的區(qū)域位于五彩灣煤礦(研究區(qū)西北部),有許多污染物在這一片區(qū)被堆積進而沉淀,而將軍廟煤礦(研究區(qū)東南部)污染程度較輕。本研究為因地制宜地制定土壤污染治理措施,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

煤礦;重金屬污染;準東煤礦;污染指數(shù)

礦區(qū)煤炭資源的開采造成一系列環(huán)境污染、地質(zhì)災害、生態(tài)破壞等災害問題。礦區(qū)土壤重金屬污染是主要環(huán)境問題之一。煤礦區(qū)周圍土壤中重金屬污染物質(zhì)主要來源于煤與煤矸石粉塵,通過沉降、淋溶、滲透、遷移等方式進入土壤,對礦區(qū)土壤造成污染[1-3]。礦區(qū)土壤中重金屬含量隨著時間的推移逐漸增加,這種重金屬逐年累計對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影像造成很大的危害。特別是選礦后大量的廢棄物堆放在尾礦庫內(nèi),經(jīng)雨雪淋溶,可溶成分隨水向地表向地下滲透,向周邊土壤中遷移轉(zhuǎn)化,以致土壤理化性狀發(fā)生改變,引發(fā)重金屬等嚴重污染。這些污染物在土壤中積累,毒害農(nóng)作物,進而危害人類[4]。

本研究區(qū)位于新疆準噶爾盆地東部,煤礦儲量豐富,自2010年起在煤礦企業(yè)迅速發(fā)展的同時,對環(huán)境造成了一定程度的影響,工廠企業(yè)排放的廢水、廢氣、廢渣中含有大量的重金屬,如:汞、銅、鎳、鎘、鉀、砷、鋅、鋅等元素。這些重金屬污染潛伏時間長,且多數(shù)重金屬性質(zhì)穩(wěn)定,不易降解,嚴重污染土壤,對農(nóng)作物的品質(zhì)、產(chǎn)量有一定影響,甚至可通過食物鏈的“生物富集效應”影響人類健康[5]?,F(xiàn)今,國內(nèi)外許多學者對煤炭資源的開發(fā)給予了高度重視,CLARK、MISHRA V K、BHUIYAN M 等[6-8],對澳大利亞、印度、孟加拉等的煤礦區(qū)的重金屬污等染進行了研究;李玲等[9]、孟雷[10]、高文文等[11]對國內(nèi)煤礦的土壤重金屬污染做了研究,研究結(jié)果表明在礦區(qū)周圍,土壤都受到了不同程度的重金屬污染。

本文在對土壤采樣的基礎(chǔ)上,通過室內(nèi)實驗測定了土壤中的重金屬含量,采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對監(jiān)測的結(jié)果進行深入分析研究,并對污染作出正確評價,為將來煤炭的開發(fā)及煤田周圍環(huán)境的修復提供了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

新疆準東煤田位于天山山麓、準噶爾盆地東南部,西起昌吉回族州阜康市東界,東到木壘縣老君廟,北到昌吉回族州北部邊界卡拉麥里山南麓,南接古爾班通古特沙漠北緣,東西長約220km,南北寬約60km。本研究區(qū)為戈壁灘平原,地勢平坦、開闊,地表植被稀少,沒有林地和農(nóng)田,以沙地、戈壁、裸土地和裸巖石礫地為主。研究區(qū)干旱少雨,溫差大,多風,屬典型的極端干旱大陸氣候。煤田總面積約13000km2,區(qū)域內(nèi)有5個正在開采的大型露天煤礦,在2005年被勘探確認為煤炭總儲量為3900億t,占全疆儲量(2.19萬億t)的17.8%,全國煤炭儲量(5.56萬億t)的7%[12]。區(qū)域土壤貧瘠,主要以灰褐色與褐色的碳質(zhì)土(富于碳)、石膏土(含有石膏)和粗礫石土為主,有機質(zhì)含量低,均在2%以下,屬于堿性土壤。土壤含鹽量比較高,含鹽量為2.59%,屬于強鹽漬化土壤類型。區(qū)域內(nèi)天然植被類型少、結(jié)構(gòu)單一,植被生長矮小且稀疏,多為荒漠植被,有琵琶柴、假木賊、角果藜、沙拐棗、鹽節(jié)木和伴生芨芨草等[13]。

2 研究方法

2.1樣品處理與分析

本研究區(qū)為準東煤田礦區(qū)及周邊區(qū)域,位于五彩灣礦區(qū)內(nèi),并以其為中心。該礦區(qū)集采礦、選礦、冶煉為一體。采樣52個樣點,采樣時間為2014年7月14日至2014年7月20日。每個樣點分三層采集,深度為0~10cm,10~20cm,20~30cm,每個樣品重量約為1kg。將不同深度土層樣品用塑料袋密封,帶回實驗室,自然風干、輾碎,過70目篩子,用四分法取出100g土壤,裝入塑料袋密封保存。

2.2計算方法

2.2.1單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法[14]是將某種污染物實測濃度與該種污染物的評價標準進行比較以確定水質(zhì)類別的方法。單因子評價法的應用廣泛,特別適用于環(huán)境影響評價。單因子指數(shù)評價法,只考慮了最突出的因子即污染狀況最嚴重的評價因子對整個評價結(jié)果的影響,突出超標最嚴重的評價因子對整個評價結(jié)果的決定性作用,而弱化其他因子的作用。對大氣降塵、土壤、植物的重金屬污染評價用單因子指數(shù)來進行評價,其方法可以實現(xiàn)評價樣品的無量綱單比較,較好的反應了評價樣品各元素的污染狀況[15]。單個污染物污染指數(shù)的計算公式見式(1)。評價分級見表1。

(1)

式中:Pi為污染物的污染指數(shù);Ci為污染物實測值(mg/kg);Si為污染物評價標準值(mg/kg)。

2.2.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)由美國敘拉古大學內(nèi)梅羅( N L Nemerow) 教授于1974 年在其所著的《河流污染科學分析》一書中提出[16]內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法通過計算單因子污染指數(shù)中的平均值和最大值平方的加和后平均值的開方,重視污染嚴重的元素對評價對象的作用,綜合評價了樣品的污染程度。內(nèi)梅羅指數(shù)法可以全面反映各重金屬對土壤的不同作用,突出高濃度重金屬對環(huán)境質(zhì)量的影響,可以避免由于平均作用削弱污染金屬權(quán)值現(xiàn)象的發(fā)生。然而,隨著該方法的應用,人們發(fā)現(xiàn)由于其過分突出污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用,在評價時可能會人為夸大濃度高的因子或縮小濃度低的因子的影響作用[17]。其計算公式見式(2)。

(2)

污染物的評價以《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ級標準為準[18],評價分級見表2。

表1 單因子污染指數(shù)分級標準

表2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

2.2.3綜合染指數(shù)法計算公式

綜合污染指數(shù)法[19]是對單因子指數(shù)法的改進,它把環(huán)境中各個污染物綜合起來考慮,能夠綜合反映環(huán)境系統(tǒng)的污染狀況,彌補了單因子指數(shù)法的不足[20],計算公式見式(3)。分級標準見表3。

(3)

式中:Pcom為污染物的綜合污染指數(shù);Wi為i污染物的權(quán)重系數(shù);Pi為i污染物的污染指數(shù)。

表3 綜合污染指標評價分級

3 結(jié)果與分析

通過三種重污染指數(shù)計算方法對土壤中的Hg、As、Cu、Ni、Cr、K、Pb、Zn進行分析評價。

3.1單因子污染指數(shù)法

對樣本進行單因子污染統(tǒng)計分析,得出在0~10cm土層中,范圍變化最大的為Hg,就整體來看Hg、Cu、K三類元素污染程度為清潔,其他均為輕污染(表4,表5)。Hg元素的平均水平雖然為清潔,但是在某些特殊點污染程度較嚴重,由圖1可以看出,Hg污染最嚴重的區(qū)域為五彩灣礦區(qū),最高值出現(xiàn)在33#點,值為14.15,次高值9.67出現(xiàn)在7#點,37#點值為7.65,這三個點均為重度污染地區(qū)。由此可以看出Hg污染嚴重區(qū)域主要集中這三個采樣點附近,離該區(qū)域越遠,Hg污染程度逐漸減輕。同時,在研究區(qū)中部地區(qū)也存在著輕度和中度污染。在10~20cm土層中,Hg、Cu、Zn三類元素污染程度為清潔,其余元素為輕度污染。Cr元素污染水平與其他元素較高,圖1可知Cr元素在兩個區(qū)域污染程度相似,單因子污染指數(shù)都較高為輕度污染,最為密集的區(qū)域仍然在五彩灣礦區(qū)附近。Cr的高濃度區(qū)主要出現(xiàn)在煤礦開采區(qū)、堆渣區(qū)、工業(yè)區(qū)和辦公生活區(qū)及其附近區(qū)域,而低濃度區(qū)則主要出現(xiàn)在煤礦以西人為活動較少的區(qū)域[13]。在20~30cm土層中,Cu、Zn元素為清潔,其余元素為輕度污染。污染程度特殊的有兩個元素:Hg、Pb。從圖1單因子污染空間分布圖可以看出,Hg污染最高值出現(xiàn)在8號點值為22.81,為圖中等值線最密集的區(qū)域。說明8#點附近污染物聚集最多,為重度污染且污染污染超標嚴重。8#點北部有兩個點為2#點、41#點,研究區(qū)東南部的47#點,也為重度污染地區(qū),且污染程度已達到重度污染標準。Pb單因子污染結(jié)果是該層土壤中相對較高的,最大值為1.95出現(xiàn)在五彩灣煤礦,周圍采樣點污染程度都偏高,雖屬輕度污染但污染將要達到中度污染。Pb和Hg的富集區(qū)域為西北部,但是逐漸向東南部Hg所降低的程度要大于Pb,說明對于Hg的污染主要集中在工礦區(qū),而成分的含量也是五彩灣煤礦多于將軍廟煤礦。而Pb的污染是重度污染較集中,而輕度污染較為分散,說明整個研究區(qū)同樣土層的Pb的含量較Hg更多。從單因子污染分析法整體來看,除了個別元素在某些片區(qū)出現(xiàn)高值,其余各元素在各層污染情況都較平均。

表4 單因子污染指數(shù)(Pij)統(tǒng)計

表5 單因子污染程度統(tǒng)計

圖1 鎘、汞的單因子污染空間分析

3.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析

對樣本進行內(nèi)梅羅綜合污染統(tǒng)計,由表6、表7可以看出,三個土壤分層中,污染程度依次為:As>K>Hg>Cr>Zn>Pb>Ni>Cu,從重度污染到警戒值。重度污染的元素中污染程度雖然達到污染等級,但經(jīng)過指數(shù)分析污染程度最大的為As元素,其次為K、Hg元素,這三個元素污染指數(shù)超出了污染等級的基本值且超出的倍數(shù)較大,說明這三種元素對土壤的污染程度較大且對各層土壤的污染都很大。其他元素對土壤的污染較輕微,且各元素每一層土壤受到的污染程度都一致。

3.3綜合污染指數(shù)法

根據(jù)熵值法[21]計算出土壤重金屬的指標權(quán)重,見表8。從表9可得,0~10cm、10~20cm土層污染程度為清潔,20~30cm為輕度污染。由圖3可知,在0~10cm土層中,重度污染出現(xiàn)在37#、7#、41#、15#點,污染值分別為8.91、6.10、4.98、3.41,重度污染的點位于研究區(qū)西北部的五彩灣煤礦,污染點附近的等值線較為密集,說明污染程度較大,污染情況較嚴重。受到中度污染的區(qū)域較少,主要出現(xiàn)在41#和15#點,污染值分別為4.98、3.41,大部分區(qū)域處在清潔~輕污染范圍。10~20cm土層中,污染程度為中污染,最大值出現(xiàn)在8號點值為2.23,在此點附近的土壤為中~輕污染,整個研究區(qū)該土層整體處于清潔狀態(tài)。污染程度最嚴重的為20~30cm,污染程度最大的點為8#點,其值為綜合污染指數(shù)的最大值13.05,該點位于五彩灣煤礦重污染地區(qū),且污染影響范圍較大,是一個特殊地區(qū),區(qū)域污染狀況值得深入探討。中度污染地區(qū)較分散,都集中在五彩灣礦區(qū)中部,而將軍廟礦區(qū)也出現(xiàn)了分布較分散中度污染地區(qū)。

表6 內(nèi)梅羅綜合污染(P綜)統(tǒng)計

表7 內(nèi)梅羅綜合污染程度統(tǒng)計

表8 各土層指標權(quán)重

由以上各土層污染情況可以看出,不同土層的污染情況各不相同,見圖2。五彩灣礦區(qū)附近污染較嚴重,且集中在中部,而將軍廟礦區(qū)在較淺的土層污染程度較輕,而在更深的土層污染程度卻較嚴重。自2005年準噶爾盆地煤礦被發(fā)現(xiàn)到2010年正式開放式開采到至今為止,大大小小的煤礦對當?shù)赝寥牢廴镜倪B續(xù)性強烈,隨著深度的增加,最表層的土壤先受到污染并且隨著時間的推移,表層土逐漸被各類土壤腐殖質(zhì)層所覆蓋,但是污染仍在繼續(xù),所以,可以看出礦區(qū)的開采,對土壤的污染是一個持續(xù)并加重的過程。

3.4三種評價方法的比較

以三種不同的評價方法為基礎(chǔ),結(jié)合土壤重金屬的空間分布圖,準東礦區(qū)的土壤重金屬污染結(jié)果比較如下所示。

圖2 土壤各層綜合污染空間分析

1)運用三種方法評價結(jié)果顯示研究區(qū)土壤表面總體情況為輕度污染,但是不同地區(qū)的污染程度不同。就單因子污染指數(shù)看,Hg的跨度范圍最大,Ni在0~10cm土層中污染程度較嚴重,Cr在10~20cm土層中污染程度較嚴重。大部分元素在不同土層中污染均為輕度污染,少部分元素在不同土層較清潔。從綜合污染指數(shù)評價來看,在20~30cm土層中整體表現(xiàn)為輕度污染,其他兩個土層整體表現(xiàn)為清潔。

2)三種評價方法分別從不同的角度對研究區(qū)土壤重金屬做出了評價。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是評價土壤整體的污染程度,屬于環(huán)境質(zhì)量的評估范疇,難以反映污染的質(zhì)變特征,對污染程度的界定有其不足之處[14]。單因子評價是基于各采樣點數(shù)據(jù)對其進行評價分析,評價方法很傳統(tǒng)也一直沿用。本研究所采用的內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果與單因子和綜合污染評價結(jié)果略有不同。內(nèi)梅羅評價中Hg、As、K元素各層均屬于重度污染,而單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果顯示Hg、As、K三個元素污染程度在清潔-輕污染之間。而在單因子污染評價中輕污染的As、Ni、Cr、Pb四個元素在內(nèi)梅羅污染評價中被評價為重度污染、警戒、輕度污染、警戒。由此可見,單因子污染評價是對每一個值進行評價,而匯總以后往往會達到一個平均的效果。所以單因子評價對數(shù)據(jù)分開統(tǒng)計會比綜合統(tǒng)計更有意義,可以針對不同區(qū)域進行污染防治。綜合污染評價首先要對各層所實測的數(shù)據(jù)進行分析,得出一個權(quán)重,再通過權(quán)重對各個指標進行綜合污染評價。這種評價方法是一個綜合的評價,對評價整個區(qū)域的土壤污染有一定的作用,這種方法適用于整個污染區(qū)域都受到一定程度、全面的污染。

3)對于以上三種種評價方法都有一定的局限性,對于不同的研究區(qū)要選擇適合的評價方法,將所研究樣本進行分類分區(qū),對實測數(shù)據(jù)進行對比分析,將合適的評價方法與其相結(jié)合,便能夠更好的對研究區(qū)土壤污染進行更客觀更詳細的評價。本研究區(qū)位于新疆近幾年來開發(fā)的煤田,開發(fā)速度較快,對土壤、周圍農(nóng)作物及人類活動都有一定的影響。

4 結(jié)論與討論

通過不同的污染方法對新疆準東煤礦進行了污染評價,評價結(jié)果表明,單因子污染評價中Ni、Cr、Pb分別在0~10cm、10~20cm、20~30cm土層中為輕度污染,其余元素在各土層評價為清潔;Hg在0~10cm、10~20cm土層中污染值跨度最大,且最大值達到重度污染。內(nèi)梅羅污染評價中Hg、As、K元素各層均屬于重度污染,其他元素污染程度較輕,每層污染程度較相似。綜合污染評價中,0~10cm、10~20cm土層污染程度為清潔,20~30cm為輕度污染。

從空間上對三種方法進行研究,結(jié)果表明:單因子污染分析來看Hg污染最嚴重且集中分布于五彩灣礦區(qū)的三個主要污染點附近,離此區(qū)域越遠污染逐漸減輕。Cr污染水平較高,在兩個礦區(qū)分布較相似且均為輕度污染,污染集中分布在五彩灣礦區(qū)形成了明顯的富集現(xiàn)象,表明Cr的分布與煤炭的開發(fā)有著一定的關(guān)系。Pb和Hg的富集區(qū)域為西北部,但是逐漸向東南部Hg所降低的程度要大于Pb,說明對于Hg的污染主要集中在工礦區(qū)。綜合污染分析來看,0~10cm土層污染集中分布在五彩灣煤礦且污染較嚴重,10~20cm、20~30cm土層中,8#點污染濃度為該層中污染程度最嚴重的,且污染影響范圍較大。而最深層(20~30cm)污染嚴重集中分布在五彩灣礦區(qū)中部及分散分布于將軍廟礦區(qū)。

通過三種方法對研究區(qū)進行分析,單因子污染評價主要側(cè)重于各樣點單污染的情況,對污染源的治理有很大的幫助。內(nèi)梅羅污染評價能全面反映各類重金屬對土壤的污染程度,能夠突出某一高濃度重金屬對環(huán)境質(zhì)量的影響,用來治理某些污染較嚴重的重金屬元素。綜合污染評價從整體上反映了土壤污染情況,對研究區(qū)污染治理有整體性的把握。單獨使用某一種方法會使得研究區(qū)的土壤污染受到一定的限制,從而不能客觀的對研究區(qū)進行污染評價,這些差異反映出了不同評價方法在計算手段和側(cè)重點的不同。

通過結(jié)合研究結(jié)果分析以及文獻資料得出,本研究區(qū)污染最嚴重的區(qū)域位于五彩灣煤礦(研究區(qū)西北部),有許多污染物在這一片區(qū)被堆積進而沉淀,而將軍廟煤礦(研究區(qū)東南部)污染程度較輕,距離礦區(qū)不同距離重金屬的含量存在差異[22]。隨著工業(yè)活動的加強,煤礦工業(yè)場地土壤中的重金屬會逐漸積累,導致其污染日益嚴重。因此,未來研究煤礦工業(yè)場地土壤中重金屬的來源及其在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律是必然趨勢,從而以“節(jié)源開流”的手段雙向控制土壤中重金屬[23]。

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The method of evaluation and analysis of heavy mental pollution of soil in Xinjiang Zhundong surface coal mine

LI Xiao-hang1,2,3,ZHANG Fei1,2,3,XIA Nan1,2,3,WANG Dong-fang1,2,3,LI Rui1,2,3

(1.College of Resources and Environment Science,Xinjiang University,Urumqi 830046,china; 2.Key Laboratory of Oasis Ecology,Xinjiang University,Urumqi 830046,china; 3.Key Laboratory of Xinjiang Wisdom City and Environment Modeling, Xinjiang Vniversity,Urumqi 830046,china)

To assess pollution status of heavy metals in arable soils in area of Xinjiang Zhundong surface coal mine,this paper studied the pollution status of heavy metals including as Hg、As、Cu、Ni、Cr、K、Pb、Zn(0~30cm) comprehensively and respectively,using methods of single factor index,comprehensive pollution and Nemero index.The pollution status of heavy metals in arable soils in this area was analyzed using this model considering spatial distribution of soil heavy metals,accumulation characteristics of heavy metal in crops,and comprehensive pollution analysis based on GIS.The results showed that the single factor index of heavy metals in soil indicates that in the three soil surface Ni、Cr、Zn are the slight pollution,evaluation of the remaining elements are clean;Hg in 0~10cm,10~20cm soil pollution largest span value,and the maximum reached heavy pollution.Nemerow comprehensive pollution index assessment that the Hg,As,K element layers belong to the severe pollution,other elements of a lesser degree of pollution,each pollution levels were similar.Comprehensive pollution evaluation noted 0~10cm,10~20cm soil contamination clean,20~30cm soil is light pollution.The study area is located in the heavy pollution areas Wucaiwan coalmine (research northwestern district),there are so many pollutants in this area is stacked further precipitation,while Jiangjunmiao coalmine (southeast of the study area) contamination to a lesser extent.This study local conditions to develop soil pollution control measures,have a very important practical significance.

coalmine;heavy mental pollution;Zhun dong surface mine;pollution index

2015-12-29

國家科技支撐計劃項目資助(編號:2014BAC15B01)

李曉航(1990-),女,新疆喀什人,碩士,從事干旱區(qū)資源與環(huán)境遙感應用研究。E-mail:lixiaohang_shine@163.com。

張飛。E-mail:zhangfei3s@163.com。

X53

A

1004-4051(2016)10-074-07

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