淮南采煤沉陷区水体与沉积物重金属污染研究进展

张永鹏 马舒乐 丁天元

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

重金属的种类繁多，主要包括铅、镉、汞、铬、铜、锌以及类金属砷等[1]。重金属的来源非常广，且难以去除[2]。自然界重金属富集后会破坏生态系统，对生物造成严重伤害，通过直接接触或者食物链传递会对人体健康造成很大威胁[3]。因此，对可能造成重金属污染的地区进行研究，探究重金属环境风险是必要措施。

淮南市煤炭资源丰富，但长期的煤炭开采使地下空洞，地表塌陷，因淮南处在高潜水位的特点，所以地表沉陷的区域出现大面积的积水，从而形成了采煤塌陷区[4]。采煤沉陷区出现后，为帮助治理沉陷区问题，大量研究人员对沉陷区环境因子做了分析，陈孝杨等[5]对采煤沉陷区底泥和周边土壤中营养盐向上覆水传递特征进行分析；郑刘根等[6]对采煤沉陷区底泥与水体之间的营养盐分布及移动特征进行探索；范廷玉等[7]探讨了积水与复垦对采煤沉陷区土壤重金属污染风险的影响。本文综述了近15a来淮南各大煤矿沉陷区环境中重金属污染的研究，重点阐明淮南煤矿塌陷区沉积物与水体的重金属污染状况，分析了沉陷区重金属的主要来源，阐明沉陷区重金属的时空分布特征，并对沉陷区重金属污染的潜在生态风险进行总结，本研究有助于客观掌握淮南采煤沉陷区重金属污染水平和生态风险，为解决塌陷区重金属问题提供可靠依据。

1 淮南采煤沉陷区水体重金属污染现状

淮南地区因煤炭开采造成地质稳定性及渗透性破坏，出现大量采煤沉陷区，地质结构中以及大量废弃煤矸石堆积都潜藏大量重金属元素，随着地表径流，地下渗透的影响，造成沉陷区水体重金属污染。

1.1 沉陷区水体重金属含量水平

通过对已有的研究结果进行分析，见表1，淮南采煤沉陷区重金属Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb、Hg、Ni、Fe的平均浓度区间分别为0.96～499μg·L-1、9.5～1057.68μg·L-1、2.53～441.1μg·L-1、0.03～87.5μg·L-1、2.67～13.56μg·L-1、0.35～264.2μg·L-1、0.000019～0.16μg·L-1、3.5～112.5μg·L-1、184.47～881.41μg·L-1。Zn的最大平均浓度是在2019年的迪沟塌陷区，Cu的最大平均浓度是在2013年的张集塌陷区，Cd、Cr、Ni、Fe、Pb的最大平均浓度均是在2013年谢桥塌陷区[8,16]。淮南沉陷区水体平均重金属含量大小顺序依次是Fe>Zn>Cr>As>Cu>Ni>Pb>Cd。在现有的研究中，王丹等[8]在2013年对谢桥塌陷区的调查中发现，Pb和Cd的含量超出Ⅴ类地表水标准1.5倍，Ni超出饮用水健康标准2.1倍；2013年张集塌陷区中Pb和Cd的含量超出Ⅴ类地表水环境质量标准分别为2.4倍和7.6倍，Ni超出生活饮用水卫生标准2.05倍，塌陷区Pb和Cd出现严重污染。2013年杨茗[9]对谢桥塌陷区的研究中同样是Pb和Cd存在严重污染，且还发现Cr出现超标现象。陈从磊等[16]对淮南迪沟采煤沉陷区水体质量进行分析，结果显示，Zn超出Ⅲ类地表水标准，整体水质并未污染，重金属Cu、Zn、Pb和As出现一定程度的富集现象。在对顾桥和潘集的采煤沉陷区的调查中，并未发现重金属超标现象。

表1 淮南沉陷水体重金属浓度比较(平均值)

1.2 沉陷区水体重金属的时空变化特征

淮南塌陷区重金属研究结果见表1，从时间上看，2013年谢桥和张集的沉陷区重金属Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni含量总体明显高于2016年潘一矿和顾桥沉陷区[8,12,13]。说明随着对采煤沉陷区综合治理措施的实施，塌陷区水生生态环境得到明显改善。而2013年重金属含量高可能是初期煤矸石填埋导致。塌陷区水体重金属含量会随季节的改变而产生明显的波动，陈军等[12]对潘一采煤塌陷区水体重金属季节性变化进行研究，结果发现，Cr、Cd、Cu在四季中的春季重金属含量最高，Pb、Zn、Fe在四季中的冬季重金属含量最高，重金属Pb、Zn、Fe、Cu、Cd、Cr的含量均在夏季最低，可能原因是夏季雨量充沛，对塌陷区重金属有稀释作用。张维翔等[14]对淮南采煤沉陷区水体进行综合分析，结果显示，淮南地区采煤沉陷区水体中重金属Cd、Cr、Ni、Pb平均含量冬季高于夏季，与沉陷水体的研究结果类似，重金属Zn的平均含量夏季高于冬季，可能是因为在采煤沉陷区水下养鱼，综合利用过程中投放养殖饲料造成。

淮南地区采煤沉陷区水体重金属空间分布特征明显，综合研究结果，整体上均无水体污染，但相互比较之下，迪沟采煤沉陷区水体重金属污染较高，顾桥次之，潘集最低[11,12,16]。陈军等[10]发现，潘一矿水体西部比东部的重金属含量高，其污染可能来自于上游的污水流入和西部煤矸石的堆积。杨茗等[9]发现，谢桥采煤沉陷区水体重金属含量整体上东南地区大于西北地区。张维翔等[14]发现，空间分布波动比较大的重金属是Cr、Ni、Zn。Cd、Pb在空间分布波动较小。

1.3 沉陷区水体重金属的生态风险

采煤沉陷区重金属污染程度的大小可以通过各种污染物评价方法来体现。沉陷区水体总体无污染现象。欧金萍等[11]运用重金属污染指数法发现，顾桥采煤沉陷区水体并不存在重金属污染。陈军等[10]对潘一矿采煤沉陷区水体采用重金属污染评价法进行分析，结果发现，4个季度中水体都没有重金属污染，重金属污染程度冬季最高，夏季最低。安士凯等[17]采用健康风险评价模型评价淮南沉陷水体整体污染水平，结果显示，沉陷水体整体风险值较低，重金属健康风险值从小到大顺序为Cr、Cd、Pb、Zn、Ni，健康风险值还与水量有关，淮南水质出现丰水期低于枯水期的现象。裴文明等[18]采用韦伯-费希纳定律建立评价体系对潘集水体进行预警，发现水体存在水质恶化的趋势。

2 淮南采煤沉陷区沉积物重金属污染现状

采煤沉陷积水区的沉积物与沉陷前的地质结构有关，沉陷区大部分为农田，塌陷塘沉积物重金属特征大部分取决于当时的农业环境，沉积物中污染物质会向水体进行迁移，是水体潜在污染源，进行采煤沉陷积水区沉积物重金属污染分析，对解决水质隐患有关键作用[19]。

2.1 沉陷区沉积物重金属含量水平及时空分布特征

近年来对沉陷区沉积物重金属的研究一直在进行，综合表2可知，淮南地区沉陷区沉积物的重金属污染并不乐观，各塌陷区中Cd污染最严重，As、Cu、Cr、Hg、Pb、Zn等重金属出现轻度污染，部分地区Cr、As、Sb污染较为严重。欧金萍等[11]对顾桥采煤沉陷积水区沉积物重金属含量进行了测定并分析，发现重金属Cd含量超标最严重，超出中国沉积物背景值12.38倍，重金属Sb污染程度次之，超出中国沉积物背景值2.37倍，剩下超出淮南土壤环境背景值的重金属还有As、Cr、Cu、Mn、Ni。雒建伟等[20]对潘一采煤沉陷区底泥重金属进行分层研究，结果发现，重金属表层浓度高于中层和底层，Cd、Zn、Hg分别超出淮南水体沉积物背景值的倍数为6倍、5倍、4倍。刘旭等[15]发现，潘集塌陷区重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As超出淮南土壤环境背景值，Cd和As污染较为严重。陈城等[21]对迪沟沉陷区沉积物的研究中发现，沉积物中Cu、As、Cd、Pb的含量均值超出背景值。范廷玉等[7]在对张集沉积物的研究中发现，重金属Cu、Zn、Pb、Cd出现不同程度的污染。刘思魁等[22]对顾桥沉陷区的重金属Hg进行针对性研究，结果发现，Hg的含量超出淮南土壤环境背景值，Hg的含量与沉积物中有机质有密切联系，且Hg的空间分布不规律。比较王丹和欧金萍对顾桥的研究，结果与沉陷区水体类似，2016年重金属含量明显低于2013年，说明对塌陷区的综合治理对沉积物重金属有很不错的效果[8,11]。

表2 淮南沉陷区沉积物重金属浓度比较(平均值)

2.2 沉陷区沉积物重金属的潜在生态风险

淮南沉陷区沉积物中多种重金属浓度偏高，潜在生态风险也会伴随着到来，欧金萍等[11]采用地累积指数进行对顾桥沉积物重金属的污染风险进行研究，结果发现，沉积物中Cd污染程度严重，Cr污染程度次之，重金属总体污染程度从大到小排序为Cd、Cr、Sb、Cu、As、Ni、Mn、Zn，重金属Cd、Cr向水体迁移的风险比较大。陈城等[21]对迪沟沉陷区沉积物采用地累积指数法进行评价发现重金属As、Cu、Cd、Pb存在污染，Cd和As在潜在风险较高。范廷玉等[7]采用地累积指数法对沉陷区沉积物重金属污染进行评价，结果发现，采煤沉陷区底泥Cd、Pb、Cu、Zn存在风险，Cd风险值最高。

3 总结

沉陷区水体和沉积物中重金属含量在近年来的综合治理下有明显下降，沉陷区水体水质良好，但重金属Cd和Cr有富集现象，沉陷区沉积物受到不同程度的重金属污染，各塌陷区中Cd污染最严重，部分地区Cr、As、Sb污染较为严重，As、Cu、Cr、Hg、Pb、Zn等重金属出现轻度污染。

沉陷区水体重金属含量随季节变化明显，夏季含量最低，原因是夏季雨量充沛，对重金属有稀释作用。水体重金属空间分布与地理环境相关，主要受到煤矸石堆积、地表径流、农田施肥，汽车尾气的影响。

沉陷区水体重金属基本不存在健康风险，沉陷区沉积物中重金属Cd和Cr潜在生态风险比较高，重金属Cd、Cr、Sb、Cu、As、Ni、Mn、Zn都有不同程度的污染。