煤矸石场地重金属元素空间分布与迁移过程研究

戚赏 吕灯 杜丹 刘磊

摘要：以焦作矿区演马矿煤矸石堆放场地为靶区，分析煤矸石场地及其周边地区土壤环境中Pb、Cr、Cu、Zn、As、Cd等6种重金属元素的空间分布特征，研究表明煤矸石风化过程同时也是重金属元素富集的过程，其迁移主要靠大气扬尘扩散。以矸石山为中心，明显影响范围在长轴方向即矿区常年性盛行风方向达到1000m左右，短轴方向即大气降水、地表水等径流方向约400m左右；采用潜在生态危害指数法开展评价，表明研究区重金属Cr、Cu、Zn、As单因子潜在生态危害较轻，区域生态危害主要来自于重金属Cd，其次为Pb。

关键词：煤矸石；重金属元素；空间分布；迁移过程

矸石是煤矿开采过程中产生的主要固体废弃物，长期堆放在地表，对当地生态环境造成恶劣影响。河南是资源大省，能源结构以煤炭为主，煤炭开发过程中产生的煤矸石，约占全省工业固体废弃物的20%以上。本文以焦作煤矿区演马矿煤矸石堆放场地为研究靶区，通过调查煤矸石分布范围、堆放现状和综合利用情况，查明煤矸石场地重金属元素类型，研究重金属元素在大气、土壤、水体等介质中的迁移规律，揭示重金属元素影响生态环境的机理，为开展煤矸石场地重金属元素生态修复技术提供基础。

1.研究区概况

研究区所在的焦煤矿区演马矿位于焦东矿区山前倾斜平原，该矿迄今已开采50多年，累计排放煤矸石约400×104t，历史时期煤矸石最大堆存量曾达200×104t。矸石产出规模平均约占煤炭产量的15%左右。目前该矿现存煤矸石量约30×104t。煤矸石堆放于主井口西南300m地带，占地面积约10hm2，以露天形式堆放，堆放形态呈近似圆锥状，其周围多为农田或果园。

研究区处于区域水环境、土壤环境等敏感地带。受降水、风力和地下水径流等作用，矸石山场地及周边地区生态环境污染问题严重。加之相关产业生产过程中产生大量扬尘、废气等，从而造成对当地生态环境的二次污染与破坏。

2.煤矸石场地重金属元素空间分布特征

2.1焦作矿区煤矸石重金属含量特征

根据李旭华、郭慧霞[3]等人的研究，焦作煤矿区煤矸石普遍含有影响环境的有毒有害重金属元素，在所分析的Pb、As、Zn、Cu、Cr、Cd等6种指标中，Cd的检出率为50%（Cd的最低检测限为0.05mg/kg），其他元素的检出率为100%，其中Zn的含量为123.89mg/kg～291.11mg/kg，Mn的含量为35.83mg/kg～888mg/kg。焦作矿区煤矸石淋滤液中Cr的浓度很高，且在土壤中Cr的浓度亦很高，常常高出淋滤液中Cr的浓度数倍，说明煤矸石中重金属淋出具有长期性，矿区土壤对煤矸石重金属具有富集性和迁移性。（图1）。

2.2重金属元素空间分布特征

本次在研究区共采集43块土壤样品，其中表层土壤（0cm～15cm）36组，深层土壤（30cm～45cm）7组。所采样品显示，平面上，有7处重金属严重污染的地段，至少有4种重金属超过一级国标以上，属于重度污染的土壤。

垂向上，通过同一采点不同深度两组重金属样品分析，可以比较同一点位上重金属在不同深度土壤中含量的变化（表1）。

6种重金属元素在表层土壤中的含量分布均高于深层土壤，可见演马矿区重金属污染主要靠大气扬尘扩散，而深层土壤中重金属元素含量与表层土壤中重金属的含量也有一定的相关性（图2），显示了表层土壤重金属元素迁移对深层土壤的影响。

3.煤矸石场地重金属元素迁移过程

根据样品重金属含量，进一步分析总结重金属污染分布情况与迁移规律如下：

研究区Cd在矸石山周边分布大致呈同心椭圆状，以矸石山为中心向周边扩散，其含量随着距离矸石山的增大而降低，空间扩散半径的长轴方向为矿区常年性盛行风方向，明显影响范围在长轴方向达到1000m左右。

区内Pb含量中等，以矸石山为中心，向外Pb含量呈逐步降低的趋势，明显影响范围在长轴方向即矿区常年性盛行风方向达到1000m左右，短轴方向即大气降水、地表水等径流方向约400m左右。

研究区Zn含量中等。矸石山处Zn含量最高，以矸石山为中心，向外Zn含量呈逐步降低的趋势，明显影响范围在长轴方向即矿区常年性盛行风方向达到1000m左右，短轴方向即大气降水、地表水等径流方向约400m左右。

区内Cu含量较低，以矸石山为中心，向外逐渐降低，在常年性盛行风方向达到1000m左右，短轴方向即大气降水、地表水等径流方向约400m左右。

研究区Cr含量和As含量总体上较低，并非研究区主要污染源。

4.重金属污染生态危害评价

4.1评价方法

4.2研究区重金属潜在生态危害性评价

重金属对环境的威胁并非单纯的由其含量多少进行判断，必须结合其毒性系数计算出潜在生态威胁指数，尚能够真实地反映该重金属的污染程度。将检测样品中重金属的含量分别带入公式（1）～（3）中，可以计算得到采样点单个污染元素的污染程度（单因子指数）与总体污染程度（RI）。研究发现，调查区重金属Pb、Cr、Cu、Zn、As的单因子潜在生态危害系数为轻微生态危害，而该区域生态危害主要来自重金属Cd。

根据所有采集的土壤、矸石样品中重金属的含量，通过公式计算出每个样品的RI值，将RI值随距离矸石山的分布变化状况绘制成为折线图（图3）。

由图可以看出，RI值随着距离矸石山远近作有规律的变化，其值大小隨着距离矸石山的增大而降低，这与多数重金属在两条路线中含量的分布变化趋势是十分一致的。但这里RI值主要受到毒性值最大的Cd的影响，因此RI的大小，着重反映了Cd在两条路线上的分布情况。

5.结论

（1）研究区矸石长期露天堆放，经物理风化和化学风化作用，其中有毒有害重金属元素如Cd、As、Cr、Pb、Zn、Cu等不断离出与释放，构成煤矿地区重金属污染的主要来源。

（2）重金属离子的迁移主要受到区域盛行风力的作用，通过矸石扬尘进行扩散，次为地下水径流的影响。以演马煤矿矸石山为中心，重金属污染严重地段主要位于距离矸石山1000m左右的范围内。重金属污染的短轴方向位于矿区浅层地下水径流方向，重金属污染的严重地段主要位于距离矸石山400m左右的范围内。

（3）研究区重金属Cr、Cu、Zn、As单因子潜在生态危害较轻，区域生态危害主要来自于重金属Cd，其次为Pb。风化程度较高的矸石，潜在生态威胁贡献值（RI）超过600，即风化后的矸石其生态危害更为严重。

参考文献：

[1]张明亮，王海霞.煤矿区矸石山周边土壤重金属污染特征与规律[J].水土保持学报， 2007， 21（4）：190-192.

[2]杨建，陈家军，王心义.煤矸石堆周围土壤重金属污染空间分布及评价[J].农业环境科学学报， 2008， 22（03）：873-878.

[3]李旭华，王心义，杨建等.焦作矿区煤矸石山周围土壤和玉米作物重金属污染研究[J].环境保护科学， 2009， 35（2）：66-69.