密云水库上游矿产资源开发对土壤环境的影响

石国峰，冯金国，邢雨鑫，丁 霞

（北京市地质工程设计研究院，北京 101500）

0 前言

（1）密云水库作为北京的“生命水”直接关系到首都社会、经济的可持续发展。作为密云水库主要的供水河流白河和潮河流域内的土壤环境状况对密云水库的影响至关重要。

本次工作主要对密云水库上游白河主要支流汤河、琉璃河流域和潮河流域内矿产资源开发对土壤环境影响现状调查，通过资料收集、实地调查、土壤样品采集和测试分析，经过对测试成果的分析评价，最终划分出工作区内土壤污染范围，并提出初步的治理对策建议。

1 工作区矿山地质环境现状

根据实地调查可知，其中琉璃河流域主要为金矿分布、汤河流域主要分布铁矿和金矿分布、潮河流域内主河流域主要为铁矿分布、支流牤牛河主要为金矿分布。

(1)土壤样品采样

本次共采取土样250件。样品主要围绕矿山及周边区域采取。

(2)土壤样品测试指标

土壤分析测试主要针对样品中的微量元素和重金属，主要测试指标为：pH值、全铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）、锌（Hg）。

(3)土壤重金属总量分布特征

工作区内土壤和沉积物中重金属含量分析如表1所示。工作区内土壤、沉积物中重金属以国家标准中土壤中重金属元素含量背景值作参比。

从表1可以看出，汤河流域内土壤中重金属元素只有铅（Pb）的平均含量高于2倍以上，铜（Cu）、锌（Zn）和铬（Cr））平均含量高于背景值1倍左右，镉（Cd）和砷（As）均低于背景值。

琉璃河流域内土壤中重金属元素只有铜和铬高出背景值1倍左右，其他元素含量的平均值均低于背景值。

潮河流域内土壤中重金属元素的平均含量只有铅（Pb）高于背景值2倍和铬高于背景值1倍左右，其他重金属元素的平均含量均低于背景值。

2 矿山土壤环境评价

2.1 评价方法选取

本次土壤污染评价方法采用单种元素的地累积指数污染评价和区域多元素的污染负荷指数评价等方法对工作区流域内的土壤进行评价。

表1 工作内土壤重金属含量分布

（1）重金属富集程度

富集因子是评价人类活动对土壤中重金属富集程度影响的参数，为了减少采样和制样过程中人为影响以及保证各指标间的可比性与等效性，以参比元素为参考标准，对测试样品中元素进行归一化处理。参比元素要求不易受所在环境与分析测试过程的影响，性质较稳定。常用的参比元素为钪（Sc），锰（Mn），钛（Ti），铁（Fe），铝（Al），钙（Ca）。富集因子的计算公式可表示为：

式中：EF——重金属在土壤中的富集系数；

cn( sample )，B(backgroundn)——某元素在测试区和参照区浓度（mg•kg-1）；

cref( sample )，Bref(b ackground )——参比元素在测试区和参照区浓度（mg•kg-1）。

根据富集因子大小，可以将元素的富集（污染）程度分为5个级别，污染级别越高受到人类活动的影响越大（见表2）。

（2）污染负荷指数法

污染负荷指数法已广泛的应用于矿区周边土壤和沉积物中的重金属污染评价。污染负荷指数法是Tomlinson 等人从重金属污染水平的分级研究中提出来的一种评价方法（表3）。该指数由研究区域所包含的多种重金属成分共同构成，能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度，以及重金属在时间、空间上的变化趋势，应用比较方便。

污染负荷指数法应先进行最高污染系数（CF）的计算：CFi=Ci/C0i，式中CFi为元素i的最高污染系数，Ci为元素i的实测值，C0i为元素i的评价标准，即背景值。某一点的污染负荷指数（PLI）为：其中，PLI 为某一点的污染负荷指数，n 为评价元素的个数。某一区域（流域）的污染负荷指数为：式中 PLIzone为区域（流域）污染负荷指数，n 为评价点的个数（采样点的个数）。

表2 富集因子分级表

表3 重金属污染负荷指数分级与污染程度之间的相互关系

（3）GIS评价

地理信息系统(GIS)是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统。

本项目利用GIS空间分析功能(如空间叠置分析和空间插值分析等)对工作区流域的环境质量中的土壤重金属污染进行评价。

2.2 矿山土壤环境评价

（1）土壤重金属富集程度

①汤河流域土壤富集程度

本区研究选取性质稳定的钪（Sc）元素作为参比元素，对汤河流域内土壤进行分析，结果如下图所示。由图1可以看出，53件样品中，其中13件样品中有重金属元素EF值超过1.达到轻微污染；4件样品中有重金属元素的EF值超过2，达到富集以上的富集程度。其中4号样品点中的铜（Cu）、铅（Pb）和镉（Cd）以及14号样品的铜（Cu）、铅（Pb）和镉（Cd）富集程度显著，锌（Zn）甚至达到了显著富集。大部分小于1的样品点，基本属于无富集，可以认为这种元素主要受母质岩风化侵蚀和土壤扬尘等自然源的控制，基本不受人为因素的影响或受人为影响很小。而富集程度较强的个别样品点主要受人为源的影响。

图1 汤河流域内土壤中各重金属元素富集因子图

图2 琉璃流域内土壤中各重金属元素富集因子图

汤河流域内土壤重金属的富集程度为：锌（Zn）＞铅（Pb）＞镉（Cd）＞铬（Cr）＞砷（As）。

②琉璃河流域土壤富集程度

如图2所示。53个样品主要富集程度为轻微污染，其中8号样品中重金属元素Cd、20号样品中重金属元素Cr以及30号样品中重金属元素Cr有所富集。通过富集因子对该区域内样品的分析结果得知，该区域内土壤中重金属元素的富集程度为：镉（Cd）＞铬（Cr）＞铜（Cu）＞铅（Pb）＞锌（Zn）＞砷（As）。

③潮河支流牤牛河流域内土壤富集程度

结果如图3所示。55个样品中有27个样品达到了中度富集以上的富集程度，其中个别样品点46、50、51和54号样品的铅（Pb）元素达到了显著富集。其他达到中度富集程度的元素主要为镉（Cd）和锌（Zn）。通过富集因子对该区域内样品的分析结果得知，该区域内土壤中重金属元素的富集程度为：铅（Pb）＞镉（Cd）＞锌（Zn）＞铬（Cr）＞铜（Cu）＞砷（As）。

图3 牤牛河流域内土壤中各重金属元素富集因子图

表4 潮白河流域土壤重金属含量分布

（2）污染负荷指数法分析

本研究土壤的评价标准采用国家土壤背景值，工作区的重金属污染负荷指数法的评价结果表明，潮河、白河支流流域内污染程度较轻，只有个别区域污染较重（表4）。

（3）GIS评价

根据分析成果，采用GIS软件空间分析功能可知，①汤河口流域土壤重金属为中度污染区主要为金矿开采区，面积约为20km²；②琉璃河流域土壤重金属为中度污染区主要位于汤河口马圈子、西湾子、狼虎哨铁矿开采区，其中中度污染面积约为14km²；③潮河流域土壤重金属为中度污染区主要位于密云不老屯镇东坨古、寨子沟和上甸子金矿集中开采区，其中中度污染约为24km²。GIS软件评价结果如图4～图6。

3 结论

根据评价结果可知工作区流域内整体重金属污染较轻，但在金属矿山附近的样品中重金属元素铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）和锌（Zn）等有不同程度的富集，影响局部区域内的水土环境。采用GIS软件空间分析功能可知，其中①汤河口流域土壤重金属为中度污染区主要为金矿开采区，面积约为20km²；②琉璃河流域土壤重金属为中度污染区主要位于汤河口马圈子、西湾子、狼虎哨铁矿开采区，其中中度污染面积约为14km²；③潮河流域土壤重金属为中度污染区主要位于密云不老屯镇东坨古、寨子沟和上甸子金矿集中开采区，其中中度污染面积约为24km²。

图4 汤河口流域土壤重金属污染指数评价图

图5 琉璃河流域土壤重金属污染指数评价图

图6 潮河流域土壤重金属污染指数评价图

4 土壤环境治理对策

重金属在土壤中不被微生物降解，且迁移性差，污染特点具有长期性、潜伏性、累积性和不可逆性。一旦土壤中重金属含量超过环境容量，要清除污染则相当困难，所以在对工作区内的水土环境影响调查评价的同时重点加强对工作区中的水土环境影响防控和对策研究。

4.1 常用治理对策

（1）切断污染源

区域内主要调查对象为矿业开发对水土环境的影响，主要针对矿山开采和矿山冶炼排放产生的重金属造成的污染进行严格治理，特别是废渣和污泥中重金属的回收、综合利用以及防止对土壤环境的二次污染。完全切断土壤环境的重金属污染源需要从矿山开采和冶炼技术水平等全面提高，现阶段较难实现。

（2）改良土壤、提高土壤的环境容量

土壤环境具有一定的缓冲和强大的自然净化能力，对于重金属轻度污染的土壤可以采取增施绿肥、厩肥、堆肥、腐质酸类有机肥，以提高土壤有机肥的含量，增加对重金属的吸附络合螯合作用，或砂掺粘，以改良砂性土壤，在非石灰性土壤中增施碳酸钙，提高pH值，使更多的溶解态重金属变为沉淀态。提高土壤的环境容量。

（3）客土或换土

被重金属严重污染的土壤，可采用客土或换土的方法进行处理。采用客土法是在污染严重的土壤上盖上非污染土壤; 换土法是部分或全部挖出污染土壤而换上非污染土壤，这是彻底清除土壤重金属污染的最有效手段，但对换出的污染土壤必须进行专门集中堆放或深埋处理，防止二次污染。

（4）利用植物修复去除重金属污染

植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某些污染物质的理论为基础，利用植物及其共存的微生物体系，清除环境中污染物的一门环境污染治理技术。植物对污染点的修复有3种方式: 植物固定、植物挥发和植物吸收。

而植物修复土壤重金属污染具有如下优点: ①绿色净化，清洁空气；②经济有效，费用经济；③在原地去除污染物污染；④产生的富金属植物残体，可再循环利用；⑤美化环境。如今，植物修复作为一种高效生物修复途径已被科学界和政府部门认识和选用。

4.2 治理措施

根据实地调查、样品测试和分析评价成果可知，密云水库上游白河主要支流汤河、琉璃河流域和潮河流域内矿山及周边土壤环境中重金属污染较轻，仅局部金属矿山重金属为中度污染，且分布面积较小。工作区作为密云水库上游汇水区域和北京市重要的生态涵养区，对其区内土壤重金属治理对策主要采取客土或换土和利用植物修复去除重金属污染的方法进行。

客土或换土主要对区内土壤重金属严重污染区域。根据调查可知，区内土壤中重金属严重污染区域主要为以往个人私自炼金场所和炼金遗留的金矿尾砂堆放处。这些地方分布较散，虽然每个点的面积不大一般为100～500m2，但其污染严重，所以采用换土方法将其彻底清除，并将换出的污染土壤进行专门集中堆放。

利用植物修复去除重金属污染的方法主要考虑针对那些土壤重金属污染中度至轻微影响的区域，结合北京生态涵养区的特征，选取一些超积累植物。植物的选择根据污染土壤特性、污染的程度、当地的农业生产习惯、气候条件、经济技术水平及预期达到的修复目标综合考虑。一般常用植物有芥菜、香根草、苍耳、紫穗槐对Pb具有超富集，狗牙根、菜蕨、香附子对Mn具有超富集，菰、菖蒲、球果蔊菜对Cd具有超富集等。现北京常用的去除重金属污染植物为紫花苜蓿主要用于尾矿库。

[1]北京市矿山地质环境现状调查评估及治理对策研究[R].北京：北京市地质工程设计研究院,2014.

[2]北京市平谷区王都庄-中桥重要水源地周边金属矿区水土环境风险调查评价[R].北京：北京市地质工程设计研究院,2014.

[3]Pb同位素示踪技术在矿山重金属污染监测中的应用研究项目报告[R].北京：北京市地质工程设计研究院，2013.

[4]密云水库上游矿山地质环境重点影响区评估及监测方法研究[R].北京：北京市地质工程设计研究院，2010.

[5]北京市重要水源地综合地质环境调查报告[R].北京：北京市地质研究所，2003.

[6]北京市矿山地质环境调查与评估[R].北京：北京市环境监测总站，2005.

[7]郭笑笑 刘丛强等.土壤重金属污染评价方法[J].生态学杂志，2011.

[8]曹 斌,何松洁,夏建新.重金属污染现状分析及其对策研究[J].中央民族大学学报(自然科学版),2009.

[9]郑喜坤，鲁安怀等.土壤中重金属污染现状与防治方法[J].土壤环境，2002.

[10]廖香俊 著.环境地球化学评价与环境治理研究[M].地质出版社,2010.