煤礦區(qū)土壤重金屬污染情況評價及其特點分析

高 彪

(山西省忻州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 忻州 034000)

目前，為支撐社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國每年需要從國外進口大量的煤炭資源，同時在國內(nèi)也進行了大面積煤礦資源的開采[1]。但與此同時，大面積的煤礦開采造成了嚴重的環(huán)境污染和地質(zhì)災(zāi)害等問題，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的不良影響[2]。因此，對于煤礦區(qū)的環(huán)境污染問題必須引起相關(guān)部門的高度重視。大量的實踐經(jīng)驗表明，煤礦區(qū)土壤中會出現(xiàn)嚴重的重金屬污染問題[3]。基于此，有必要對土壤中的重金屬污染情況進行深入分析和研究，這樣才能夠有針對性地開展治理工作。本文主要以某煤礦區(qū)為例，對不同區(qū)域土壤中包含的主要重金屬元素含量進行了檢測，并利用地質(zhì)累積指數(shù)法對各重金屬元素的污染程度進行了評價[4]。本研究對于掌握土壤重金屬污染特征具有一定的實際意義。

1 煤礦區(qū)基本情況概述

某地區(qū)煤礦資源的大量開采，給地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展作出了非常重要的貢獻，但與此同時煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)嚴重惡化，根據(jù)衛(wèi)星圖像資料發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)附近的很多植物出現(xiàn)了枯死問題。初步分析認為，導致出現(xiàn)這種問題的原因在于煤礦區(qū)域土壤中的重金屬含量明顯上升，改變了土壤的性質(zhì)，使得常見的植物無法正常生存。所以，以下主要對該煤礦區(qū)土壤中的重金屬污染情況進行分析與評價，掌握重金屬污染的特征，為后續(xù)開展煤礦區(qū)土壤治理工作奠定堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。

2 煤礦區(qū)土壤重金屬的取樣及測定方法

2.1 土壤取樣方法

在對土壤樣品進行采集時，應(yīng)該盡可能降低人為因素對采樣結(jié)果造成的影響，以確保最終獲得結(jié)果的精確性。為了分析煤礦上風區(qū)域和下風區(qū)域中重金屬元素的含量差異，在取樣時以礦井為中心沿著風向按照“S”形路線分別進行取樣，取樣深度為100 mm，每次取樣質(zhì)量為1 kg左右。獲得樣品后將其放入密封袋中封存，并做好相關(guān)的標記(需要注明采樣時間、地點等信息)。樣品在實驗室中進行風干、磨細、篩選后待用，每個樣品準備3個試樣，分別進行3次重復檢測，取平均值作為最終結(jié)果。

2.2 土壤重金屬含量測定方法

利用原子吸收光譜儀對土壤中的各種重金屬元素含量進行檢測，但在檢測前需要利用分解法對土壤進行消解處理。具體操作過程為：向坩堝中加入50 mL聚四氟乙烯，用水進行濕潤，往坩堝中加入10 mL鹽酸，將樣品放置在電熱板中進行烘干，此過程土壤會進行初步分解。在坩堝內(nèi)溶液只有3 mL左右時，將其從電熱板中取下，依次加入5 mL硝酸、5 mL氫氟酸、3 mL鹽酸，將樣品放置在電熱板中進行烘干分解，待樣品呈現(xiàn)黏稠狀時取下，添加硝酸至50 mL即可。嚴格按照上述步驟制得樣品后，就可以利用原子吸收光譜儀對重金屬元素含量進行檢測。

3 土壤重金屬污染情況評價

3.1 評價方法

煤礦中通常會包含有很多重金屬物質(zhì)，這些重金屬物質(zhì)會隨著粉塵逐漸遷移，并擴散到煤礦區(qū)周圍，經(jīng)過沉降最終滲透到土壤中對土壤造成重金屬污染。為了分析煤礦區(qū)土壤中重金屬的污染情況及其特征。利用地質(zhì)累積指數(shù)法對土壤重金屬污染情況進行評價分析。該方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于土壤中重金屬的污染情況研究，得到了很多專家和學者的一致認可。具體計算方法為：Igeo=log2Cn/(KBn)，式中，Igeo表示地質(zhì)累積指數(shù)；K表示常數(shù)，結(jié)合實際情況，該常數(shù)取值1.5；Bn和Cn分別表示測量元素在該地區(qū)的背景值和測量樣品中的實際含量大小，單位為mg/kg。

利用化學方法對土壤中各重金屬元素的含量進行測定，并代入上式進行計算，可以得到對應(yīng)元素的地質(zhì)累積指數(shù)。根據(jù)指數(shù)大小可以將其劃分成為不同等級，共有7個等級，等級越高表示該元素對土壤的污染程度越高。如圖1所示為基于地質(zhì)累積指數(shù)法的土壤重金屬污染等級評價標準。

圖1 土壤重金屬污染等級評價標準

3.2 評價結(jié)果

利用上文所述的土壤重金屬含量研究方法，可以獲得煤礦區(qū)土壤中各種重金屬的含量，在利用地質(zhì)累積指數(shù)法對金屬的污染程度進行評價，結(jié)果如表1所示。表1中主要列出了土壤中含量最高的5種重金屬元素的檢測結(jié)果，以及這些元素在該地區(qū)的背景值。由表1中數(shù)據(jù)可知，鎘和鎳兩種重金屬元素的含量超過了土壤背景值，超過的比例分別為1 287%和13%，表明鎘元素對土壤已經(jīng)造成了嚴重的污染，而鎳元素對土壤造成的污染程度相對較輕。銅、鉻、錳三種重金屬元素的含量比土壤背景值低，表明煤礦區(qū)這三種元素沒有對土壤造成污染。

表1 土壤重金屬污染情況評價結(jié)果

利用地質(zhì)累積指數(shù)法進一步對土壤中這5種重金屬元素的污染情況進行評價，結(jié)果見表1。可以看出，銅、鎘、鉻、錳、鎳5種重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)分別為-1.15、3.19、-1.14、-1.32、-0.48，對應(yīng)的污染級別分別為0、4、0、0、0。對照圖1中的評價結(jié)果可知，鎘元素對應(yīng)的污染等級為強污染，而其他4種重金屬元素對應(yīng)的污染等級為無污染。基于以上分析可以看出，本地區(qū)煤礦在長期的開采和運輸過程中，土壤中已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的鎘重金屬元素污染問題，鎳重金屬元素雖然有一定程度的污染，但污染程度非常小，幾乎可以忽略不計，銅、鉻、錳三種重金屬元素沒有對土壤造成污染。

4 土壤重金屬污染特征研究

為了對煤礦區(qū)不同位置的土壤重金屬污染特征進行研究，詳細統(tǒng)計了煤礦上風區(qū)域和下風區(qū)域重金屬元素在土壤中的含量情況，結(jié)果如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)可知，煤礦中上風區(qū)域和下風區(qū)域重金屬元素的含量存在很大差異。不管是何種重金屬元素，下風區(qū)域的含量較上風區(qū)域均要高，銅、鎘、鉻、錳、鎳5種重金屬元素下風區(qū)域和上風區(qū)域的含量差值分別為3.86、0.54、4.22、9、2.36 mg/kg，差距程度分別為30.71%、52.94%、10.46%、2.59%、7.81%。從以上結(jié)論可以看出，不同重金屬元素在遷徙的過程中，其遷徙速度存在一定程度的差異，導致這些重金屬元素在礦區(qū)上風區(qū)域和下風區(qū)域的分布存在差異。

表2 煤礦不同區(qū)域土壤重金屬分布特征結(jié)果

5 結(jié)論

煤礦資源雖然為我國國民經(jīng)濟發(fā)展作出了非常重要的貢獻，但是在煤礦開采過程也會造成嚴重的環(huán)境污染問題，其中土壤重金屬元素污染就是非常典型的現(xiàn)象。本文主要對某煤礦區(qū)附近土壤中各類重金屬元素進行了檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其存在嚴重的鎘重金屬元素污染問題，下風區(qū)域重金屬元素含量明顯比下風區(qū)域重金屬元素含量要高很多。本文研究結(jié)果為煤礦區(qū)土壤重金屬元素治理工作提供了很好的理論和實踐依據(jù)。