王聿慶，胡桂林

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

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,土壤和地下水開(kāi)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(guò)遷移會(huì)污染周?chē)吹睾蜕鷳B(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(guó)外開(kāi)展較早，而國(guó)內(nèi)在近幾年才著手開(kāi)展大規(guī)模土壤污染調(diào)查，時(shí)間相對(duì)較短，經(jīng)驗(yàn)相對(duì)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(píng)價(jià)是傳統(tǒng)的采樣分析無(wú)法解決時(shí)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(jìn)入土壤后，難以被地下水及有機(jī)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(kāi)采可能會(huì)污染土壤和地下水水環(huán)境，同時(shí)形成的尾礦渣堆積成難以處理的尾礦庫(kù)[9～11]。本論文基于對(duì)大別山北麓11處尾礦庫(kù)的土壤與地下水進(jìn)行監(jiān)督性監(jiān)測(cè)，來(lái)揭示尾礦庫(kù)區(qū)土壤和地下水中重金屬的污染狀況，并通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析方法識(shí)別兩者之間的相互關(guān)系[12]，以期為該地區(qū)尾礦庫(kù)系統(tǒng)的科學(xué)評(píng)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(kù)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(jiàn)圖1中小三角形)。地勢(shì)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(diǎn)蓄洪區(qū)范圍。本研究針對(duì)尾礦庫(kù)區(qū)土壤和地下水環(huán)境污染進(jìn)行調(diào)查監(jiān)測(cè)，對(duì)了解該地區(qū)土壤和地下水污染現(xiàn)狀及進(jìn)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(diǎn)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(cuò)地帶。其占地面積約3～79.29 hm2，pH6.94～8.19，濁度除尾礦庫(kù)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(gè)別庫(kù)區(qū)存在超標(biāo)現(xiàn)象(見(jiàn)表1)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)方案

布點(diǎn)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(kù)開(kāi)展野外試驗(yàn)。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(cè)水井中進(jìn)行取樣[16]。土壤樣品的采集以調(diào)查地塊為監(jiān)測(cè)單元，11個(gè)尾礦庫(kù)區(qū)均布設(shè)5個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(每個(gè)方位不低于1個(gè))，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(wú)裸露土壤，取樣點(diǎn)位可向外延伸，采樣以0.2 m處的土壤為重點(diǎn)采樣層。地下水樣品的采集在地塊周邊進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，其中尾礦庫(kù)W-03布設(shè)2個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，尾礦庫(kù)W-04和尾礦庫(kù)W-08布設(shè)3個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，其他8個(gè)尾礦庫(kù)均布設(shè)4個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。優(yōu)先利用地塊周邊現(xiàn)存地下水監(jiān)測(cè)井，無(wú)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)井則需新建地下水監(jiān)測(cè)井[16-17]。綜上，共布設(shè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)55個(gè)，地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)40個(gè)。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)選定11處尾礦庫(kù)的整體調(diào)查，對(duì)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(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表1 試驗(yàn)期間尾礦庫(kù)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(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位未檢出；地下水重金屬主要分析Cu、Mn、Ni、Zn、Pb。

3.1 尾礦庫(kù)區(qū)土壤中重金屬污染狀況與評(píng)價(jià)

每個(gè)庫(kù)區(qū)布設(shè)5個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(gè)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(cè)點(diǎn)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(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB36600-2018)中的第二類用地篩選值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，11處尾礦庫(kù)區(qū)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)結(jié)果均滿足要求，不存在超標(biāo)污染物。運(yùn)用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)所有采樣點(diǎn)土壤中Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)來(lái)看，在55個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中清潔水平所占比例達(dá)100%，污染率為0%，同樣說(shuō)明選定的11處尾礦庫(kù)區(qū)附近土壤未受到污染。

表2 不同尾礦庫(kù)區(qū)土壤重金屬含量差異 mg/kg

3.2 尾礦庫(kù)區(qū)地下水中重金屬污染狀況與評(píng)價(jià)

地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位原則上在每個(gè)方向上不低于1個(gè)，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(gè)庫(kù)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(gè)數(shù)最多的指標(biāo)，11家尾礦庫(kù)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(dá)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(dá)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(diǎn)位。

表3 不同尾礦庫(kù)區(qū)地下水重金屬含量差異 μg/L

這里同樣運(yùn)用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤中Cu、Mn、Ni、Zn、Pb污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由內(nèi)羅梅污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)來(lái)看，在40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shuō)明這11處尾礦庫(kù)區(qū)場(chǎng)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(huì)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(méi)有直接關(guān)系。Barry等研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)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(shì)不明顯。

3.3 多元統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于土壤和地下水中重金屬，無(wú)論是原生環(huán)境還是受人為影響，元素都不會(huì)獨(dú)立存在，必然有一定的相關(guān)性[18]。根據(jù)11處尾礦庫(kù)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(duì)有相關(guān)關(guān)系的元素開(kāi)展回歸分析，結(jié)果見(jiàn)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(gè)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(méi)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(duì)上述存在顯著關(guān)系的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)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(shuō)明他們之間的含量變化會(huì)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(yǔ)

本研究是在場(chǎng)地調(diào)查的背景下，對(duì)選定的11處尾礦庫(kù)區(qū)開(kāi)展野外試驗(yàn)，并利用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)和多元統(tǒng)計(jì)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(diǎn)結(jié)論：

(1)對(duì)大別山區(qū)某多處礦區(qū)開(kāi)展場(chǎng)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(xiǎn)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(guò)《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(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)：55個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中綜合污染物指數(shù)(PN)均小于0.7，污染率0%；40個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中綜合污染物指數(shù)(PN)小于0.7僅有2個(gè)庫(kù)區(qū)，污染率82%，其中受到嚴(yán)重污染的尾礦庫(kù)為W-02、W-04、W-06和W-11。說(shuō)明尾礦庫(kù)開(kāi)采不僅會(huì)對(duì)地下水水量和水流場(chǎng)產(chǎn)生影響，同時(shí)會(huì)影響地下水水質(zhì)，造成地下水中重金屬積累，對(duì)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(jì)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。