煤矸石堆周围土壤重金属空间分布特征与评价

许绪成，许继影，叶传红，阚立波，刘 洋

（宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 237000）

在矿业城市中，不可忽略由于采矿带来的煤矸石堆对周围土壤造成的重金属污染影响.随着人民生活质量的逐步提高，重金属污染越来越受到人们的重视.煤矸石通过多种方式对周围产生影响，在风化、淋滤作用下,可以产生大量粉尘、酸性水和携带有重金属的离子水,污染大气、土壤和水源[1],重金属等有害元素再通过植物吸收富集，被人食用，进入生物体内的重金属元素由于具有持久性、毒性和生物富集作用，对生物和人类健康均会造成严重的危害[2].其中煤矸石对土壤造成重金属污染主要有两种途径:一是经风蚀后的矸石扬尘悬浮于大气中,随风降落于矸石堆周围土壤;二是矸石受大气降水的冲刷和淋溶作用而使重金属随地表径流进入土壤[3].煤矸石作为我国主要的固体废弃物数量巨大且污染性也不容小觑.

目前对矿区周围煤矸石堆的研究不在少数，但是受到地域条件和当地实际情况的影响，各处煤矸石堆对其周边造成的影响都有所不同，所以为了能给周围居民一个健康的生活环境，我们对宿州桃园矿区域进行重金属空间分布特征研究是十分有必要的.

淮北矿业集团公司桃园煤矿是国家“八五”期间重点建设的大型矿井，经过扩能改造，生产能力达到了150万吨.在煤矿开采的过程中产生大量煤矸石，煤矸石的堆放和不合理运用给当地造成了严重的重金属污染.由此进行煤矸石堆周围水平方向和垂直方向重金属空间分布特征分析，分析重金属污染规律，对当地农作物生产、保护居民身体健康具有重要的意义.

1 样品采集与测试

1.1 样品采集

采样点位于宿州市墉桥区北杨寨乡桃园镇桃园煤矿煤矸石堆积点附近，采样区域多为耕作区，西北向为居民区，在图1中的区域16点位处存在一处砖厂.原定取样21个点位，每个点位的距离（图1中的网格距离）设定在200-300m间.由于个别点位填埋煤矸石与碎砖屑，取样器无法取样，所以本次共取样19个点位，为保证数据的准确性，每个点位以三角取样法取样，每个采样点以不同深度进行采样（0-0.2m、0.2-0.4m），研究其地区在平面以及垂直纵深的重金属分布特征.具体采样点情况见图1.

图1 样品采样点分布示意图

1.2 样品制备与测试

取样后样品在安徽省煤矿勘探工程技术研究中心室内进行自然风干，剔除明显的杂余物质.再用研钵研成粉末状，过200目筛，装入样品袋中供测试.

样品采用HCl-HNO3-HF-HClO3全分解法[4]检测土壤中重金属含量:称取0.5g样品放入聚四氟乙烯坩埚内,用少许蒸馏水润湿,加入10mL盐酸和10mL硝酸,在电热板上加热,控温200℃;再向坩埚内加10mL氢氟酸和10mL高氯酸,在电热板上以200℃加热;溶解完毕冷却后,将坩埚内消解液转移到100mL容量瓶中,定容后送ICP-MS测试，测试在安徽省煤矿勘探工程技术研究中心内完成，仪器为Skyray Instrument ICP-2000，每测试3个样品后利用仪器自带标样进行校准.实验检测 Pb、Ni、Cd、Mn、Cr、Cu、Zn 等 8 种重金属元素.

表1 宿州市桃园矿区土壤样品重金属含量(mg·kg-1)

2 结果与分析

原定取样21个点位，本次取样19个点位，区域16与区域19样品数据缺失.Cr元素的检出率为100%，Mn元素的检出率为97.3%，Pb、Ni、Fe元素的检出率为94.7%，Cu元素的检出率为73.7%，Zn元素的检出率为50%.由于Zn元素检出率过低，导致aicgis10.2中克里金分布的可信度降低，所以Zn元素的重金属分布图被略去.具体测试结果如表1所示.

2.1 土壤背景值

研究区宿州市桃园矿区周围耕地多为沙土和淤土，在所检测的所有元素中除了Fe这类受自然因素影响，人为因素影响较小的元素之外，其余所有元素的平均值均大于安徽土壤重金属背景值.其中Pb元素的平均含量为背景值的5倍，Ni元素的平均含量为背景值的3倍，Cd元素的平均含量约为背景值的100倍，Zn元素的平均含量约为背景值的2倍.研究区的重金属背景值处于一个高水平.

2.2 重金属分析结果

在Explorer 9000 SDD仪器中各元素的检出率不一，其中Cr元素的检出率最高为100%，Mn元素的检出率次之为97.3%，Pb、Ni、Fe元素的检出率为 94.7%，Cu 元素的检出率为73.7%，Zn元素的检出率为50%.Pb元素的检出范围为18.62-439.2，平均值为 138.22，方差为 102.46；Ni元素的检出范围为11.3-334.6，平均值为3.95，方差为86.14；Fe元素的检出范围为7282.4-37841.3，平均值为7282，方差为7477.99；Mn元素的检出范围为17.1-905，平均值为477.99，方差为192.75；Cr元素的检出范围为36-94.4，平均值为63.49，方差为15.5；Cu元素的检出范围为1.1-116.7，平均值为 29.62，方差为 31.13；Zn元素的检出范围为12.52-492.64，平均值为102.69，方差为123.03.

表2 土壤重金属元素背景值

图2 各元素含量在各点的含量分布

图3 煤矸石堆周围土壤重金属含量

通过利用arcgis10.2的空间插值，我们得到了各个元素含量在采样点范围内的分布情况.其中Cd元素在0-0.2m范围内在西北角靠近煤矸石堆以及东北角砖厂附近的含量最高，土壤在浅层范围内其受到煤矸石堆和砖厂烧制砖块的直接影响，其区域内的Cd元素含量尤其高.而在0.2-0.4m范围内的土壤则靠近西南部分的含量高，其地区为居民住宅区和煤厂地址，或与煤矸石填地利用、煤的堆放及煤场加工淋滤液渗透有关.Cr元素没有超过安徽土壤重金属背景值，但是其含量分布在arcgis10.2显示与砖厂的位置有直接关联，0-0.4m深度从东北角砖厂取出的土壤样品Cr含量均高，0-0.2m深度土壤在西南角也表现出含量异常，或与砖厂烧制砖块一整个流程对土壤造成的影响有关.Cu含量在浅层0-0.2m范围内含量受砖厂和煤矸石堆的直接影响，0.2-0.4m范围内则东北角与西南角的含量高，推测受到垃圾填埋、煤矸石填地利用的影响，不排除0-0.2m的浅层土壤受到过居民的翻动和更新.Fe含量比较正常，其在自然界中赋存并不过多地受到人类活动的影响.其含量最高的地方位于东北一角，砖厂所在地，在采样过程中明显能够感觉到砖厂附近的土壤受到砖块碎渣的覆盖，所以砖厂对于Fe含量产生了一定的影响.Mn含量分布大致与Fe相同，但在0.2-0.4m范围内东北角也有异常，推测此处应为煤渣、煤矸石的一处填埋地.Ni含量在0-0.2m与0.2-0.4m范围的分布不同，0-0.2m深度Ni元素主要在西南角表现异常，或与煤矸石填地利用、煤的堆放及煤场加工淋滤液渗透有关，而0.2-0.4m深度则东北角的Ni含量高，根据此前推测此处应为煤矸石或碎屑砖的填埋地.

2.3 重金属环境质量评价

内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一.该方法先求出各因子的分指数(超标倍数)，然后求出个分指数的平均值，取最大分指数和平均值计算，是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数，见下式[5]：

其中Ci为元素的实际值，Li为元素的容差值.参考土壤环境质量标准GB 15618－1995，参考《绿色食品产地环境质量现状评价纲要》(1994),结合桃园矿区农田地为旱地，PH在6.5-7.5之间，由内梅罗综合污染指数法污染等级划分标准可划分研究区的污染指数值:

表3 土壤综合污染程度分级标准

表4 土壤重金属评价结果

依据评价结果，桃园矿区取样点Pg均大于3.0，为重污染区域，且超过警戒水平40-110余倍不等，其原因应是煤矸石堆放淋滤、煤矸石填充耕作地、砖厂烧制堆放砖块及碎屑的不当处理、垃圾填埋，除此之外，不排除当地由于土地的翻动而造成的重金属对表层土壤的影响.

3 结论

通过对宿州境内桃园煤矿区域进行重金属空间分布特征的研究，再结合当地居民实际生产生活，得出以下结论：

(1)煤矸石周围检测有 Pb、Ni、Cd、Mn、Cr、Cu、Zn 等 8 种重金属元素，Cr元素的检出率为100%，Mn元素检出率为97.3%，Pb、Ni、Fe元素检出率为 94.7%，Cu元素的检出率为73.7%，Zn元素的检出率为50%.8种元素除Fe、Cr外均超标，Cd超标尤其严重，与周边煤矸石堆和废弃砖厂有关联.

(2)由aicgis10.2空间插值发现0-0.2m与0.2-0.4m的重金属分布情况并不成正相关，推测煤矸石与附近砖厂碎屑砖的填埋有关联，两者造成了严重超标的重金属污染.

(3)地面表层平面范围内某些重金属并没有和煤矸石堆的距离产生正相关，可能与当地居民耕作，翻新表层土壤有关联.

(4)根据《绿色食品产地环境质量现状评价纲要》研究区域为重污染区域，且超过警戒水平40-110余倍不等，其原因应是煤矸石堆放淋滤、煤矸石填充耕作地、砖厂烧制堆放砖块及碎屑的不当处理、垃圾填埋有关.