宿州煤矿区大气降尘重金属的污染评价及来源解析

韩亚芬，李 琦，黄淑玲

(宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000)

宿州煤矿区大气降尘重金属的污染评价及来源解析

韩亚芬，李 琦，黄淑玲

(宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000)

为认识宿州煤矿区大气降尘中重金属的污染现状及来源，利用富集因子指标评价尘样中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Mn和Fe的污染等级，并借助相关分析和主成分分析手段对降尘中重金属元素的来源进行了研究。结果表明：降尘中Cu、Pb、Zn、Cd和As的平均含量均高于安徽省土壤背景值，而Cr、Mn和Fe则低于土壤背景含量；Cd的元素富集因子为9.02，为显著污染水平，Cu和As的富集因子介于2～5，为中度污染，其余元素富集因子均小于2，为无污染至弱污染；降尘中的Cd和As元素具有同源性，与煤矿开采及煤炭资源利用等相关的人为活动密切相关，Cu、Pb和Zn的含量富集主要受到矿区大型运输车辆交通污染影响，而降尘中Cr、Mn和Fe则来源于地表土壤颗粒物。

煤矿区；大气降尘；重金属；富集因子；来源解析

作为地球表层地气系统物质交换的主要形式，大气降尘有着重要的环境指示意义[1,2]。由于降尘尘粒表面可吸附大量的重金属有害元素，同时还具有沉降速度快、影响范围广等特点，因而成为评判区域生态环境质量的一项重要指标[3,4]。已有研究表明，大气降尘能够以自然沉降的方式进入地表土壤、水体和生物等环境介质，进而通过生物地球化学过程威胁到人体健康和生态系统安全[5,6]。自然状态下的大气降尘主要来源于地面土壤颗粒物，随着工矿企业的快速发展，大量的粉尘污染物被排入到大气环境中，使得大气降尘呈现出显著的多源性特点[7]。

宿州煤矿区是两淮煤田的重要组成部分。近年来，该矿区煤炭开采规模的不断扩大导致矿区周边重金属污染问题日益凸显，目前有关该区大气降尘重金属污染及来源方面的研究尚未见报道。本文通过实地采样和测试分析，评估了宿州煤矿区大气降尘中重金属元素的污染现状，进而利用数理统计手段，对降尘中重金属元素的来源进行了初步分析，以期为矿区环境污染防治提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宿州市位于安徽省东北部(北纬33°18’～34°38’，东经116°09’～118°10’)，地貌以平原为主，占全区总土地面积的90%以上，地形呈西北向东南缓倾斜状。该市属华北暖温带半湿润季风气候区，主要特征为季风明显、四季分明。年平均降雨量890.1 mm，常年主导风向为NE，年平均风速1.7 m·s-1。宿州市煤炭资源较为丰富，储量约60亿t，是两淮煤田的重要组成部分。本研究区位于宿州市东南部，区内建有芦岭、朱仙庄和桃园等五座煤矿。其中，芦岭矿和朱仙庄矿分别于1969年和1983年投产，年煤炭生产能力均接近200万t，而桃园、祁南和祁东3座煤矿则为20世纪90年代后投产，年煤炭生产能力分别为150、300和200万t。

1.2 样品的采集与前处理

在研究区内设置23处采样点(图1)，于2015年3月上旬进行大气降尘样品采集。采样点选择距离煤矿厂区较近(1～3 km)且居住人口集中的村镇、职工宿舍区等。在各采样点处，采集25～50 g自然沉降于木门、窗台、屋檐等物(距地面高度约1.5～2.0 m)上的灰尘，使用兔毛刷将其清扫至干净的塑料薄板上，进而收集到自封袋中储存。

采集到的降尘样品及时送至安徽省煤矿勘探工程技术研究中心实验室。样品经低温烘干和研磨后，使用100目(150 μm)尼龙筛对其进行筛分处理，以去除树叶、木屑等大颗粒杂物。过筛后的尘样保存至聚乙烯样品袋中备用。

1.3 样品测试与数据处理

称取4.0 g的尘样，经过30 t压片机压片成型后，利用X荧光光谱仪(型号Explorer 9000SDD，美国伊诺斯公司)测定样品中Cu、Pb、Zn、Cr、As、Mn和Fe元素的含量；而对于样品中的Cd含量，采用四酸(HNO3-HCl-HClO4-HF)消解和石墨炉原子吸收法(TAS-990FG，普析通用，北京)测定。在样品测试过程中，每测试5个样品后采用国家标准样品(GBW07307)校准一次，标样测试值和参考值间的相对标准偏差(RSD)均小于10%。测试数据结果的统计和分析采用Excel 2010和SPSS 13.0软件。

2 结果与分析

2.1 宿州煤矿区大气降尘中重金属的含量特征

依据测试结果，将宿州煤矿区大气降尘中8种重金属元素的含量统计特征值列于表1。由表1可知，降尘中各元素含量高低依次为Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd。其中，Cu、Pb、Zn、Cd和As的含量平均值分别为60.22、38.61、100.61、0.77和17.00 mg·kg-1，均高出安徽省土壤元素含量背景值，分别为背景含量的2.95、1.45、1.62、7.90和1.89倍；而Cr、Mn和Fe的含量分别为47.13、375.87 mg·kg-1和2.84 g·kg-1，均低于背景值。

从大气降尘中各元素含量的分布情况来看，其空间变异系数依次为Pb>Zn>Cu>Cd>As>Fe>Mn>Cr。Mn和Fe的变异系数均小于0.1，为弱变异水平，说明这两种元素在宿州煤矿区附近大气降尘中的空间分布差异较小；而其余6种元素的变异系数均处于0.1～0.3之间，属于中等变异水平，说明其含量的空间分布可能与人类活动密切相关。

2.2 富集因子评价

作为评估人类活动对自然环境扰动程度的重要指标，富集因子(enrichment factors,EF)是衡量元素污染程度与污染来源的有效手段[8]。该法首先选择地球化学性质较为稳定的元素作为参比元素[9]，并将样品中污染元素含量实测值及其背景值分别与参比元素进行对比，进而判断表生环境介质中元素的人为影响状况。其计算公式如下：

(1)

图2为宿州煤矿区大气降尘重金属富集因子计算结果。由图2可知，Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As和Mn元素的富集因子可分为3类：第一类为Pb、Zn、Cr和Mn4种元素，其富集因子普遍低于2.0，为无污染至弱污染水平，而其中又以Cr和Mn元素的EF值最低(Cr为0.78，Mn为0.80，二者均非常接近于1.0)，表明大气降尘中这两种元素的富集状况与区域背景土壤相似；第二类以Cu和As元素为代表，它们的富集因子分别为3.38和2.16，处于中度污染水平；而第三类元素为Cd，其富集因子高达9.02，说明该元素已受到显著的污染。

2.3 元素相关性分析

重金属含量的相关分析可以有效地揭示不同元素间的来源或迁移途径的一致性。本文对所选重金属元素含量间的Pearson相关系数进行了计算和检验，结果见表3。由表3可知，Pb和Zn的相关系数最高，达0.869，且其富集因子数值较为相似，分别为1.67和1.87(见图2)，表现出较好的一致性，而它们同时都与Cu呈现显著相关，暗示着这3种元素同源的可能性较高；Cd和As的相关性为极显著，相关系数为0.692，说明它们可能具有着相似的污染来源；Cr、Mn和Fe的元素含量呈现显著的相关性，且它们的含量平均值均低于安徽省安徽省土壤背景值，表明这3种元素具有相似的环境地球化学特性。

2.4 主成分分析

为进一步验证相关性分析结果，本文利用SPSS 13.0对上述8种重金属元素含量进行主成分分析，得出主成分因子旋转载荷矩阵，如表4所示。由表4可知，所提取的3个主成分因子贡献率依次为39.06%、20.03%和17.11%，三者的特征值均大于1，能够解释的累积信息量占数据总量的76.20%。同时，各主成分因子中元素载荷值的分布情况与相关性分析结论基本一致。其中，第一主成分中以Cd和As的载荷值为最高，说明该因子主要反应出这两种元素的污染来源信息；第二主成分中Cu、Pb和Zn具有较高的正载荷，表明三者在大气降尘中的富集程度主要受控于第二主成分因子；而Cr、Mn和Fe在第三主成分中较高的载荷值则说明它们在降尘中的含量水平及来源与该主成分因子密切相关。

2.5 大气降尘重金属来源解析

结合重金属元素相关性分析和主成分分析结果可发现，宿州煤矿区大气降尘中Cd和As的相关性为极显著，且同属第一主成分因子，可能具有相同的来源特征。一般认为，As是燃煤活动的典型示踪元素，而Cd在煤炭开采、煤矸石淋溶及自燃等过程中也会被大量释放，因此推断第一主成分因子主要代表与煤矿开采及煤炭资源利用等相关的人为活动影响。Cu、Pb和Zn是第二主成分的构成元素，其在表生环境介质中的富集通常是由矿业开采、机械加工、冶炼等工业活动以及交通污染等所致[11]，考虑到研究区内并无大型机械、冶炼工厂运营，而煤炭资源开采的同时多伴随着大量的交通运输活动，可以推断第二主成分中的3种元素主要来自于大型运输车辆导致的交通污染。降尘中Cr、Mn和Fe的元素含量与安徽省土壤背景值比较接近，三者具有显著的相关性，且同属第三主成分，因此可认为它们来源于地表土壤颗粒物。

3 结 论

宿州煤矿区大气降尘中重金属元素含量依次为Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>As>Cd。与安徽省土壤背景值相比，除Cr、Mn和Fe外，其余元素含量均高出背景值。而富集因子评价结果显示：降尘中Cd元素为显著污染，Cu和As处于中等污染水平，而Pb、Zn、Cr和Mn则介于无污染至弱污染。

基于相关性分析和主成分提取的元素来源解析发现：宿州煤矿区大气降尘中Cd和As的污染与煤矿开采及煤炭资源利用等相关人为活动密切相关，Cu、Pb和Zn在降尘中的富集主要受煤矿区大型运输车辆交通污染影响，Cr、Mn和Fe元素则来源于地表土壤颗粒物。

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[责任编辑：刘守义 英文编辑：刘彦哲]

Pollution Assessment and Source Analysis of Heavy Metals in Atmospheric Deposition in Suzhou Coal Mine Area

HAN Ya-fen,LI Qi,HUANG Shu-ling

(School of Environment and Surveying Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

To recognize the pollution situation and sources of heavy metals in atmospheric deposition in Suzhou coal mine area,the contamination levels of eight elements(Cu,Pb,Zn,Cr,Cd,As,Mn and Fe)were assessed by the index of Enrichment Factor(EF),and then the sources of these elements were revealed based on the methods of correlation analysis and principal component analysis.The results showed that:the average concentrations of Cu,Pb,Zn,Cd and As were higher than the soil background of Anhui province,while Cr,Mn and Fe were reverse;Cd belonged to significant pollution level with the highest EF value of 9.02,Cu and As was intermediately polluted,and the other elements were between no pollution and weak pollution;Cd and As mainly came from the human activities related to coal exploitation and consumption,Cu,Pb and Zn were obviously influenced by transportation of larger vehicles,and Cr,Mn and Fe were from the surface soil particulates.

coal mine area;atmospheric deposition;heavy metal;enrichment factor;source analysis

安徽省高等学校省级自然科学基金重点项目(KJ2014A251)；宿州学院校级科研平台(安徽省煤矿勘探工程技术研究中心)基金项目(2013YKF05)；宿州学院教授(博士)科研启动基金项目(2013JB01)

韩亚芬(1984-)，女，山西文水人，工学硕士，讲师，主要从事环境污染与评估方面研究。

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A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.06.009

来稿日期：2015-10-05