北京市金屬礦產開發對土壤重金屬含量影響分析

閆廣新，劉世海，丁 霞，韓娟娟，黃鵬輝

（1. 北京市地質工程設計研究院，北京 101500；2. 北京交通大學，北京 100044）

北京市金屬礦產開發對土壤重金屬含量影響分析

閆廣新1，劉世海2，丁 霞1，韓娟娟1，黃鵬輝1

（1. 北京市地質工程設計研究院，北京 101500；2. 北京交通大學，北京 100044）

通過對密云水庫上游潮白河流域進行土壤和沉積物采集，針對采集樣品中的微量元素和重金屬進行測試和分析，得出：湯河流域內土壤中鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和鉻（Cr）含量較高；琉璃河流域內土壤中銅（Cu）和鉻（Cr）含量較高；潮河流域內土壤中鉛（Pb）和鉻（Cr）含量較高。采用單元素的地累積指數評價和區域多元素的污染負荷指數評價方法，對土壤中重金屬含量的影響進行評價，得出：湯河流域中部土壤重金屬含量，琉璃河流域中、下游一帶的土壤重金屬含量、潮河支流牤牛河上游流域土壤重金屬含量均達到國標中劃定的中度污染時土壤的含量，其影響面積分別為20km2、14km2、24km2。通過土壤中重金屬元素之間的相關性分析，判斷重金屬的來自附近鐵礦、金礦集中開采所產生的“三廢”, 建議采用土壤修復技術進行治理。

土壤重金屬；土壤環境；分析評價；礦產資源開發

0 前言

北京市礦產資源豐富，金屬礦山大小80余處，主要分布在密云水庫上游潮白河流域內。礦產資源開發活動產生的廢石尾礦、選礦廢水、廢棄浮塵通過雨水淋濾、污染灌溉、大氣降塵會導致礦區周邊土壤環境改變(廖海軍，2007)，一方面影響土壤微生物、土壤動物和土壤表面的植物，進而影響生態系統的結構與功能；另一方面，礦山土壤重金屬污染，會通過糧食、蔬菜等人體食物鏈，造成人體健康風險。最典型的例子，如鎘污染造成的“疼痛病”和汞污染造成的“水俁病”。受污染土壤中重金屬多為致癌或致突變性的毒重金屬，如汞、鉛、鎘、砷、鉻等，土壤一旦遭受重金屬元素的污染很難去除，長期則會危害人群健康（黃興星等，2012）。

1 流域概況

潮白河流域屬暖溫帶半濕潤季風大陸性氣候區，主要特點是四季分明。流域屬燕山山脈，西北高，東南低，海拔高度介于 150 ～1730m 之間，山脈延伸方向多與構造線方向吻合，呈北北東、北東、或近東西向。流域內潮河與白河，受流域總地勢控制，干流以及主要支流如黑河、天河、湯河等均由西北流向東南，與山脈的走向垂直相交，潮河在古北口處拐向南，大小河流均匯入密云水庫。

流域地貌主要受流水的侵蝕和堆積作用影響，地貌類型屬山地地貌，根據絕對高度和相對高度可進一步劃分為中山、低山、丘陵、及流水堆積地貌。各地貌間界限分明，階梯明顯。流域土壤分為三大類：棕壤，分布在海拔 700～800m 以上中山區；褐土，分布最廣的土壤，主要分布在低山、丘陵區；潮土，分布于河谷一級階地及高漫灘上。

圖1 流域地質圖Fig.1 Basin geological map

流域內各時代地層除華北地臺上普遍缺失的震旦系、奧陶系上統、志留系、泥盆系、石炭系下統、白堊系上統（部分）及第三系古新統外，從太古界的古老變質巖系直至第四系都有沉積（圖1）。

流域內大地構造位置處于華北地臺中部內蒙古地軸東段和燕山地臺褶皺帶上，構造錯綜復雜，各斷裂構造間相互復合、交切構成復雜的斷裂構造格架。主要褶皺有：四海向斜、云蒙山背形。東西向構造主要有赤城—長哨營—古北口—承德斷裂及沙廠—墻子路斷裂；南北向構造主要有豐寧—懷柔—采育斷裂及黃花山—程各莊—上營斷裂；流域內處于最主要、最突出地位的北東、北西向構造則主要有涿縣—豐臺—懷柔—白馬關斷裂、沿河城—南口—琉璃廟斷裂、河防口—水峪斷裂 、四干頂—葡萄園斷裂、半城子斷裂帶以及四海向斜等。

流域內主要分為山區水文地質和平原區水文地質兩種類型。山區地下水主要賦存于巖層裂隙、巖溶裂隙和孔隙中，其富水性不僅與含水層巖性有關，同時受地形地貌和地質構造所控制。平原區含水層巖性由砂卵、礫石、砂組成，蘊藏著較豐富的地下水。水文地質條件主要受河流沖積扇控制，具有明顯的規律性。

圖2 流域內化探異常分布圖Fig.2 Abnormal distribution of the basin geochemical

流域內化探異常多分布于礦區或礦化點及下游水系沉積物中，某些異?？赡懿⒎窃惓?，有可能是采礦、選礦產生的尾砂、廢棄物經雨水淋濾或選礦廢水、地表徑流沖刷使得某些元素向下游遷移，并富集在水系沉積物中，長期不斷富集，有可能引起土壤或沉積物中重金屬和微量元素超標，使土壤遭受污染，某些異常的強弱可能反映沉積物污染程度（圖2）。

流域前幾年持續干旱，許多支流已經干涸，礦山廢水直接匯入地表水的較少，大部分直接滲入附近地下，對地表水影響很小。近幾年禁止用有毒有害化學藥劑選礦，混汞、氰化物堆侵法選礦被嚴格禁止，許多礦山被關閉，如小梁金礦、西坨古金礦，故礦山廢水的排放量大大減少。盡管如此，仍有許多閉坑、廢棄的金礦選礦點未采取任何防污治污措施，含有大量有毒有害化學藥劑的尾砂隨意堆放，一旦降雨量增加，雨水集中，這些未經處理的尾礦中的有毒有害物質就會被水流挾帶到下游河床甚至密云水庫。由此可見，其潛在的污染可能性是存在的。

2 礦產資源開發對土壤重金屬含量影響分析

通過對金屬礦山附近潮白河流域內各支流及其匯入潮白河入口處，匯合后潮白河的上、中、下游各段，河流匯入密云水庫的入口處，分別進行土壤取樣和測試分析。主要針對土壤樣品中的微量元素和重金屬。

土壤和沉積物中重金屬總量的研究可以揭示區域(流域)的重金屬含量狀況，潮河、白河流域內土壤和沉積物中重金屬含量分析如表1所示。通過工作區背景值和國標土壤背景值的比較，排除高背景值導致的重金屬污染。以國家標準中土壤中重金屬元素含量背景值作參比，研究區內土壤、沉積物中重金屬含量，可以用于分析重金屬的污染程度。

從表1可以看出，湯河流域內土壤中重金屬元素只有鉛（Pb）的平均含量高于2倍以上，銅（Cu）、鋅（Zn）和鉻（Cr）平均含量高于背景值1倍左右，鎘（Cd）和砷（As）均低于背景值（圖3）。

圖3 湯河流域土壤重金屬含量分布（單位：mg/kg）Fig.3 Tang He River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution(Units: mg/kg)

表1 潮白河流域土壤重金屬含量分布（單位：mg/kg）Tab.1 Chaobai River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution (Units: mg/kg)

琉璃河流域內土壤中重金屬元素只有銅和鉻高出背景值1倍左右，其他元素含量的平均值均低于背景值（圖4）。

潮河流域內土壤中重金屬元素的平均含量只有鉛（Pb）高于背景值2倍和鉻高于背景值1倍左右，其他重金屬元素的平均含量均低于背景值（圖5）。

研究土壤中重金屬元素之間的相關性可以推測重金屬可能的來源，若重金屬含量有顯著的相關性，說明可能存在相同的來源，否則來源不同，目前在研究環境影響方面得到了廣泛地應用，闡明識別了共同潛在過程的變量之間的相關性。

圖4 琉璃河流域土壤重金屬含量分布（單位：mg/kg）Fig.4 Liu Li He River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution(Units: mg/kg)

圖5 潮河流域土壤重金屬含量分布（單位：mg/kg）Fig.5 Chao He River Basin Soil Heavy Metal Content Distribution (Units: mg/kg)

根據測試初步成果，進行相關性分析如下：湯河流域Cu與Cr、Zn呈現顯著正相關性（＜0.05水平），Pb與Zn、Cd呈現極顯著正相關性（＜0.1水平），說明重金屬元素可能有相同的污染源，而As與其他元素相關性較弱，說明可能與其他重金屬污染源不同。琉璃河流域Cu與Pb、Zn、Cd、Cr均呈現極顯著正相關性（＜0.1水平），說明重金屬元素有相同的污染源，而As僅與Pb、Zn元素呈現顯著正相關性（＜0.05水平），說明可能與其他重金屬污染源不同。潮河流域Cu與Zn、Cd呈現極顯著正相關性（＜0.1水平），Pb與Cd、As呈現極顯著正相關性（＜0.1水平），說明重金屬元素有相同的污染源，As與Cu、Cr元素呈現顯著負相關性，說明可能有相同的人為或自然污染源。

根據土壤中重金屬元素富集程度和土壤染污程度對潮白河土壤污染現狀進行評價，其中土壤污染評價采用單種元素的地累積指數污染評價和區域多元素的污染負荷指數評價等方法（滕彥國等， 2002；徐爭啟等， 2004；徐燕等， 2008；王顯煒等，2009），同時結合地理信息系統(GIS) 強大的空間分析功能(如空間疊置分析和空間插值分析等) （陽文銳等， 2007；劉衍君等，2009）。其中分析成果可知，湯河流域土壤重金屬污染程度主要為中度污染，污染面積約為20km2，主要為金礦開采區；琉璃河流域土壤重金屬污染程度主要為中度污染，污染面積約為14km2，主要位于琉璃河中、下游流域鐵礦開采區；潮河流域土壤重金屬污染程度主要為中度污染；污染面積約為24km2，主要位于潮河支流牤牛河上游流域金礦集中開采區（圖6）。

圖6 潮白河流域土壤重金屬污染指數評價圖Fig.6 Chaobai River Basin Soil Heavy Metal Pollution Index Assessment

3 結論

分析密云水庫上游潮白河流域內礦山周邊土壤和沉積物中重金屬含量，得出：湯河流域內土壤中鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和鉻（Cr）含量較高；琉璃河流域內土壤中銅（Cu）和鉻（Cr）含量較高；潮河流域內土壤中鉛（Pb）和鉻（Cr）含量較高。單元素的地累積指數和區域多元素的污染負荷指數評價得出：湯河流域中部、琉璃河流域中下游一帶、潮河支流牤牛河上游流域土壤重金屬含量均達到國標中劃定的中度污染程度，其影響面積分別為20km2、14km2、24km2。土壤中重金屬元素之間的相關性分析得出重金屬來自附近鐵礦、金礦集中開采所產生的“三廢”，通過雨水淋濾、污染灌溉、大氣降塵使得礦山周邊土壤中的重金屬含量增加；重金屬在土壤中不被微生物降解，隨著時間的推移不斷累積，最終達到污染的程度。建議結合北京生態涵養區的特征，選取一些超積累植物，對湯河流域、琉璃河流域、潮河流域土壤重金屬含量達到中度污染程度的地區開展植物修復技術的應用研究。

滕彥國，庹先國，2002. 應用地質累積指數評價攀枝花地區土壤重金屬污染[J]. 重慶環境科學，24(4)：25-27，31.

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廖海軍，2007. 北京市密云水庫上游土壤重金屬污染調查評價[J]. 城市地質，2(3)：31-34.

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Inf l uence of Metal Mineral resources Development to Soil Heavy Metal Content in the Upperstream Watershed of Miyun Reservoir, Beijing

YAN Guangxin1, LIU Shihai2, DING Xia1, HAN Juanjuan1, HUANG Penghui1

(1. Beijing Geological Engineering Design Institute, Beijing 101500; 2.Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Through testing and analyzing heavy metals in soil, from the upper reaches of Miyun Reservoir in Chaobai River basin, it has got the conclusions： the lead (Pb), copper (Cu), zinc (Zn), chromium (Cr) contents are higher than those in the Tanghe River basin; the copper (Cu), chromium (Cr) contents are higher than those in Liuli River basin; the lead (Pb) and chromium (Cr) contents are higher than those in the Chaohe River basin. According to the single-element accumulation index and regional multi-element pollution load index methods to evaluate the effect of heavy metal content in the soil, it concludes that： heavy metal concentrations in soil around the middle area of Tanghe River basin, middle and lower reaches of Liuli River basin, upper reaches of Mangniu River basin which belong to Chaohe River basin, reached moderate pollution degree stated in the national standard, which inf l uence areas are 20km2, 14km2 and 24km2 respectively. By analyzing the correlation of the heavy metal elements in soil, it infers that the heavy metals are originated from "three wastes" produced by the nearby iron mines and gold mines. It should adopt the soil - remediation techniques.

Soil heavy metals; soil environment; Analysis and evaluation; Mineral Resources development

X825

A

1007-1903（2017）01-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.011

潮白河流域礦產資源開發水土環境影響調查評價（12120114032501）

閆廣新（1968- ），男，高工，主要從事水文地質、環境地質研究工作。E-mail：yanguangxin101@sina.com