湘南某铀矿山周边水体放射性金属及重金属污染特征

门倩　唐振平　刘江　刘珊　黄伟　王正庆　马如莉　陈亮

摘要：对湘南某铀矿山周边地表水进行取样，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对20个样本进行放射性金属和重金属元素分析。利用SPSS软件研究了样本中重金属以及放射性元素间的相关性，并采用内梅罗指数法对水质进行评价。结果表明，Ⅰ号水体（矿区附近的小溪）大部分重金属及放射性金属浓度远高于Ⅱ号水体（主干河流），矿区周边地表水中Tl、Ni元素超标。放射性元素U和重金属元素Pb、Ni、Tl、Cu、Co、Zn的含量在0.05水平或0.01水平上显著相关，表明其污染源可能相同。礦区水体污染主要来源于矿井水、碎矿废水、渣场淋浸产生的废水，该矿区水体水质整体评价处于优良水平。

关键词：放射性金属;重金属;铀矿;地表水

中图分类号：X824         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.009           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Distribution characteristics of radioactive metals and heavy metals in the surface water around a uranium-mine in southern Hunan

MEN Qiana，TANG Zhen-pinga，LIU Jianga，LIU Shana，HUANG Weia，WANG Zheng-qinga，MA Ru-lia，CHEN Lianga，b

（a.School of Resource Environment and Safety Engineering;

b.Post-Doctoral Research Station of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang 421001，Hunan，China）

Abstract： Through sampling the surface water that was from one uranium mine in southern Hunan， the radioactive metals and heavy metals of 20 water samples were analyzed by the method of inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS）. The correlation among the heavy metals and the radioactive metals were researched by the SPSS. Moreover， the method of Nemero index was selected to evaluate the water quality. The results indicated that the content of the most heavy metal and the radioactive metals of Water-Ⅰ （steams near the mine） was higher than that of Water-Ⅱ（the main river）， and the content of Tl， Ni in Water-Ⅰ exceed standard. The content of the radioactive metals of U and the heavy metal elements Pb， Ni， Tl， Cu， Co and Zn， was significantly related at 0.05 level or 0.01 level， which indicated that the source of this metals was possibly same. The main pollution sources of uranium mining were the waste water from mining， crushing rocks and waste rock yards. The uranium mine as a whole was at an excellent level.

Key words： radioactive metal; heavy metal; uranium mine; surface water

铀矿山的勘探、开采和水冶工作为中国核工业、核电以及国防事业作出了杰出的贡献[1]。铀矿开采及相关活动中重金属污染和放射性污染经常是相伴存在的[2]。重金属具有毒性、持久性、来源广泛和不能生物降解的特点[3-5];放射性污染具有穿透性、毒性，既可给人类的遗传带来影响，也会造成动植物的基因突变[6]，因此重金属污染以及放射性污染一直受到全世界的广泛关注[7-11]。

湘南某铀矿是中国天然铀生产的重要来源，为了更加深入地了解其周边地表水的污染状况，本试验对该铀矿山周边地表水中放射性元素U、Th以及相关重金属元素含量进行了测定，并利用SPSS 19.0软件分析了重金属及放射性元素间的相关性，采用内梅罗指数法对矿区水质进行了综合评价，以期对该矿区周边地表水的污染状况提供有效的科学数据支持。

1  材料与方法

1.1  矿区概况

湘南某铀矿位于湘赣两省重要水系源头，年降雨量为1 662 mm，最大年降雨量为2 112 mm，雨季集中在3—5月。矿区内地表水系为树枝状。Ⅱ号水体所处河流为主干河流。

1.2  样品采集

样品采集时间为2017年5月上旬，属于矿区河流丰水期，河流水量充沛。根据污染源分布以及矿区周边地势等具体情况布置了20个采样点，如图1所示。Ⅰ号水体为矿区附近的小溪，共5个采样点，由1号采样点流向5号采样点，1号与2号采样点之间有一污水处理厂，2号采样点距离尾矿库向南1 km，3号和4号采样点为放矿口，5号采样点位于渣场附近。Ⅱ号水体为受纳水体，共15个采样点，矿区污水在10号采样点后汇入受纳水体，13号采样点上游为一小型水电站。

1.3  样品检测

1.3.1  现场实测  对所采集水样的pH、溶氧量、电导率等进行野外现场实测，后将样品存放于经2%的HNO3浸泡24 h的聚乙烯瓶，并用1%的优级纯HNO3酸化，密封保存。

1.3.2  实验室检测  野外采集处理过后的水样带回实验室，摇匀后依次通过滤纸与0.22 μm的水系滤膜过滤，取5 mL过滤液备用。采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）检测过滤液放射性以及重金属元素的含量。

1.4  水质评价方法

内梅罗指数是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数[12-14]。这种评价方法既突出了污染物最大值，同时又考虑了多种污染物对环境质量的综合影响[15]，因此采用内梅罗指数法对矿区周边地表水放射性与重金属元素污染状况进行综合评价，评价公式：

Pi=■   （1）

P综合=■   （2）

式中，P综合为地表水综合污染指数;Pi、Pimax分别为污染物元素i的污染指数和最大污染指数;Pi为污染物元素i的平均值;Ci为污染物元素i的实测浓度;Si为污染物元素i浓度的标准值。

根据地表水综合污染指数将矿区周边地表水水质分为5个等级：P综合<0.80，优良;0.80≤P综合<2.50，良好;2.50≤P综合<4.25，较好;4.25≤P综合<7.20，较差;P综合≥7.20，极差。

2  结果与分析

2.1  放射性金属与重金属元素含量

由表1可知，矿区周边地表水的pH为6.30～8.80，溶氧量为5.37～8.67 mg/L，符合地表水Ⅰ类水质标准;Ⅰ号、Ⅱ号水体电导率分别为430～822 mS/cm、44～80 mS/cm，Ⅰ号水体的电导率远高于Ⅱ号水体，这可能是由于Ⅰ号水体位于矿区附近，重金属以及放射性元素含量相对较高所致。由各金属元素含量可知，除2号采样点的Tl含量外，Ⅰ號水体各采样点Tl、Ni含量均高于标准值，其汇入Ⅱ号水体后均未超过标准值。

2.2  放射性金属与重金属元素的相关性分析

研究重金属元素间的相关性可以推测重金属来源是否相同[18]，用SPSS软件对污染物受纳水体中的重金属元素进行Pearson双变量相关性分析，结果见表2。放射性金属元素U和重金属Ni、Tl、Zn、Pb、Cu、Co的含量在0.01或0.05水平上显著相关，表明其污染来源可能相同。

2.3  水体中放射性金属与重金属元素的分布

根据图2至图4的元素点分布状况可知：矿区周边地表水重金属及放射性金属元素含量总体上随着水流方向递减。

2.3.1  U元素点分布  由图2可知，U元素含量均未超过标准值，在Ⅰ号水体中的2号采样点达到峰值，这是由于2号采样点位于尾矿库附近，该矿区的矿井水、碎矿废水等都在该采样点处汇入;3号和4号采样点U元素含量随水流方向逐渐递减，因此3号和4号采样点U元素含量逐渐降低;5号采样点处于渣场附近，渣石受雨水淋浸、渗透、溶解作用，产生含有U元素的废水，因此，该采样点的U元素含量明显升高。Ⅰ号水体自10号采样点后汇入Ⅱ号水体，由于Ⅱ号受纳水体河流流量充沛，稀释能力较强，因此受纳水体并未遭受明显污染，但在13号采样点出现极值，这是因为该采样点上游是一个小型水电站的出水口，因为水坝的阻隔和约束，受纳水体流速减缓，泥沙和污染物等在此处沉淀、富集，溶解相与悬浮相和底泥相之间的吸附-解吸、悬浮相与底泥相之间的沉降-再悬浮使得此处U元素含量增加[19]。

2.3.2  Tl、Ni元素点分布  Tl和Ni元素含量的分布极其相似，Ⅰ号水体明显高于Ⅱ号水体。Tl元素最高点浓度为0.335 μg/L，但在2号采样点骤降，这是由于2号采样点的水体经过了上游废水处理系统的再处理，因此在该点处浓度降低;而在3号采样点再次回升，这是由于被封死的放矿口与外界物质交换较少，污染物浓度聚集导致;5号采样点也有小幅度的升高，表明渣场淋浸产生的废水对该铀矿区周边地表水的影响也不容忽视。Ni元素随着水流方向持续递减，最高浓度位于1号采样点，这可能是由于废水处理系统对U、Tl等元素污染的处理效果较为明显，而对其他重金属元素的处理效果相对有限造成的，其在Ⅱ号水体均未超标，在11号采样点处浓度升高，这是由于Ⅰ号水体从该采样点汇入导致。

综上所述，由矿山开采而产生的矿山废水的污染元素主要有U、Ni、Tl等。该矿区的污染主要来源于废水处理厂的排放、碎矿废水以及渣场淋浸产生的废水等。

2.4  矿区周边地表水环境综合评价

由表3可以看出，Ⅰ、Ⅱ号水体水质评价分别处于良好、优良水平。1号采样点各金属单因子污染指数值并不高，但综合污染指数值较大，这说明该铀矿周边地表水污染不仅仅来自矿山开采活动产生的废水，同时农田灌溉以及其他生产活动排放的废水对其也产生了一定的影响。但该铀矿区的水体水质评价整体良好，表明其并没有遭受明显污染。

3  结论与建议

对湘南某铀矿周边地表水的污染研究表明，矿山活动开采产生的污染物元素主要有重金属元素Ni和Tl等，污染物来源主要有矿井水、碎矿废水以及渣场淋浸产生的废水等。采样区Ⅱ号水体的水质优于Ⅰ号水體，随着采样点距离污染源越远，污染物浓度越低，这是由于Ⅱ号水体在采样期间正处于丰水期，河流流量充沛，稀释能力较强，因此受纳水体并未遭受明显污染，但枯水期污染情况还有待考察。为了有效地保护矿山生态环境，企业建立了污水处理系统，该系统对Tl元素处理效果显著，对其他重金属元素处理效果相对有限。因此企业除了需监测常规污染物U元素外，对其他重金属元素含量也应该进行全面的监测和控制，以确保矿区周边居民的用水安全。

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