單因子法及綜合污染指數法在礦山土壤重金屬污染評價中的應用

陳 錦，郭 錦

（湖南省地質礦產勘查開發局四一六隊，湖南 長沙 412003）

礦產資源的開發和利用過程中會帶來很多地質環境問題，特別是金礦開采區，礦坑廢水、選礦廢水及廢石堆淋濾水的無序排放，對周邊土壤造成重金屬污染。

1 研究區概況

官莊金礦區位于醴陵市官莊鎮境內，官莊水庫上游，地理坐標：東經113°31′27.03″，北緯27°53′10.21″。官莊金礦區地貌屬侵蝕剝蝕低山區，含金礦脈主要分布于冷家溪群第二巖組第二巖性段第一亞段地層中，共分布有6個金礦，礦山面積9.3425Km2。

2 采樣方法與評價

2.1 采樣方法及分布范圍

根據礦區土壤的分布情況，分別針對廢石堆下方溝谷內農田、廢石堆下方林地及尾礦庫周邊土壤進行了樣品采集工作，共采集土壤樣品21組，采用以地塊為單位，多點采取混合樣，采樣深度0cm～20cm。

2.2 測定方法

由湖南省地質工程勘察院檢測中心，執行標準為區域生態地球化學評價樣品分析指南及國家相關標準，內檢樣及外檢樣分析測試均按國家標準設定。分別對土壤pH值、Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni重金屬元素進行測定，而Cu、Pb、Zn、Cd、Cr的測定采用HF-HClO4—HNO3消化，原子吸收分光光度法；Hg、As的測定，采用硫酸—高錳酸鉀消解法對土壤進行消解，冷原子吸收法。

2.3 評價方法

采用單因子法進行評價可以看出單個重金屬元素與評價標準之間的差距，方法簡單，結果直觀，但是只能反映土壤中單個元素的污染程度，不能反應所有重金屬元素的綜合污染狀況；綜合指數法考慮多種重金屬元素的綜合污染作用；本研究采用單因子污染指數法和綜合污染指數法來評價土壤污染狀況，用多種方法有助于更全面的把握礦山土壤重金屬污染狀態。

單因子污染指數的計算公式：

式中，Pi為土壤中的污染物i的污染指數，Ci為土壤中污染物的i的實測濃度，Si為土壤中污染物的i的評價標準。

綜合污染指數法：本次采用加權疊加綜合指數法對土壤重金屬污染狀況進行綜合評價。

式中，Pe為評價指標的綜合指數；wi為某項評價指數的權系數；Pi為某項評價指標的分指數；PT為評價指標的分指數和。

2.4 背景值的確定

由于缺乏區域內背景值資料，本次工作按照《區域生態地球化學評價指南》的要求來確定區內土壤的背景值，其計算方法如下：

式中，xi為區域土壤中元素在i樣品中的實測值，為區域土壤中的元素所有統計樣品實測值的算術平均值，代表該元素的土壤環境背景值，S為標準差，n為統計樣品數。

式中，xi區域土壤中該元素在i樣品中的實測值，GM為樣品實測值的幾何平均值，D為幾何標準差，n為統計樣品數。

剔除異常值后，對近似正態分布的元素，用算術平均值表示元素含量集中的趨勢，代表土壤元素背景值。對近似對數正態分布的元素，用幾何均值GM表示元素含量集中的趨勢，代表該元素土壤背景值。

根據以上方法確定元素背景值的方法，剔除了各元素的異常值后，計算出區內土壤重金屬元素背景值，結果如表1。

表1 區域土壤重金屬元素背景值（mg/kg）

3 結果與分析

3.1 官莊金礦區土壤重金屬含量單因子法分析結果

采用單因子法，對官莊金礦區土壤中Pb、Zn、As、Hg、Cu、Cr重金屬元素分別進行評價，得出每個土壤樣品中這八種重金屬的污染累積指數，并進行分級統計，見表2。

表2 土壤中重金屬元素單因子法評價結果

由表2可知，區內Cr、Ni、Cd、Hg元素污染較輕，主要為輕度污染，無中～重污染樣品；As元素污染最重，其中重污染樣品達28.57%、中污染樣品為19.05%、輕污染樣19.05%；Cu元素污染主要為較輕，重污染樣品占4.76%；Pb元素整體較輕，局部較重，中污染樣品占9.52%、重污染樣品4.76%；Zn元素整體較輕，中污染樣品4.76%，無重污染樣品。

為了比較各元素污染程度的嚴重度，將單因子評價結果進行排序，采用的方法為：按照單因子累積指數評價法平均污染指數從大到小依次排序，得出各元素污染嚴重程度排序結果，區內污染嚴重度排序為：As＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞Cr＞Ni＞Hg。

3.2 官莊金礦區土壤重金屬含量綜合指數法分析結果

采用綜合指數法計算了區內表層土壤重金屬綜合污染指數，得出了區內土壤樣品綜合污染狀況結果見表3。

表3 土壤中重金屬元素綜合指數法評價結果

利用AcrGIS軟件將土壤綜合評價結果分等級顯示，從圖2及表3可知，區內礦山21組土壤樣品受到不同程度污染，無清潔樣品、尚清潔樣品達14.29%，輕污染樣品占52.38%，中度污染樣品占4.76%，重污染樣品占28.57%。

4 結語

采用不同的評價方法，單因子法和綜合指數法對醴陵市官莊金礦區土壤的綜合污染狀況進行了評價，而采取單因子法，只能看出區域內單個元素的超標狀況，無法對區域土壤污染狀況進行綜合評價；而在單因子法評價的基礎上，采用加權疊加綜合指數法計算了區內表層土壤重金屬綜合污染指數，得出了區內土壤綜合污染狀況，評價結果較為可信，和區域污染狀況基本吻合。

區內土壤重金屬污染與選礦廢水及尾礦庫淋濾水無序排放相關，距離尾礦庫較近的樣品污染程度明顯高于較遠的樣品。尾礦庫下方及受廢水廢液長期浸潤地帶重金屬元素富集度高，基本沿污染源呈點狀分布，區內污染元素嚴重程度排序為：As＞Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞Cr＞Ni＞Hg。說明區內礦山土壤綜合污染污等級以輕污染為主，局部為重污染，最大綜合污染指數超出嚴重污染等級界限17倍。

綜上所述，醴陵市官莊金礦區應加強廢石堆及尾礦的綜合利用，建立完善的廢水排放系統，對尾礦庫及廢石堆淋濾水進行處理后排放，并設立土壤監測點，定期進行監測，進一步加強礦區生態環境保護工作。