大别山北麓某尾矿库土壤与地下水中重金属污染特征及相关性分析

王聿庆，胡桂林

(1.安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽 六安 237010；2.安徽公众检验研究院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

近年来，我国社会经济发展迅速,土壤和地下水开采力度加大，使得污染状况逐渐加重[1-2]。废水中各种有害物质经过迁移会污染周围水源地和生态系统，最终污染土壤和地下水环境[3]。土壤污染状况调查在国外开展较早，而国内在近几年才着手开展大规模土壤污染调查，时间相对较短，经验相对缺乏[4]。地下水是地球水环境体系中的重要组成部分，已形成较为成熟的地下水科学理论[5]。地下水的综合污染指数评价是传统的采样分析无法解决时所采用的一种直观的方法，可以为污染防治工作提供技术支撑[6-7]。重金属进入土壤后，难以被地下水及有机污染物降解，多数被固定在土壤耕作层中，严重影响地下水水质和农田土壤生态功能[8]。矿石开采可能会污染土壤和地下水水环境，同时形成的尾矿渣堆积成难以处理的尾矿库[9～11]。本论文基于对大别山北麓11处尾矿库的土壤与地下水进行监督性监测，来揭示尾矿库区土壤和地下水中重金属的污染状况，并通过多元统计分析方法识别两者之间的相互关系[12]，以期为该地区尾矿库系统的科学评估和有效治理提供科学依据。

1 研究区概况

本研究拟选定11处尾矿库区，位于大别山北部，淮河中游南岸，整体集中位于六安市西北侧(见图1中小三角形)。地势南高、北低，南部属低岗丘陵地区，北部为平原湖泊河流，拥有丰富矿产资源，属重点蓄洪区范围。本研究针对尾矿库区土壤和地下水环境污染进行调查监测，对了解该地区土壤和地下水污染现状及进一步做好水土污染的综合防治具有十分重要的指导意义[13-15]。

图1 采样点位置示意图

地块周边整体以农业用地为主，矿区构筑物主要处于城市建成区或拟建设用地,属典型城乡交错地带。其占地面积约3～79.29 hm2，pH6.94～8.19，浊度除尾矿库W-02之外均超《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)Ⅲ类标准，色度、TDS和总硬度仅个别库区存在超标现象(见表1)。

2 材料与方法

2.1 试验方案

布点是环境调查的重要环节，2020年10月-2021年2月在拟选定的11处尾矿库开展野外试验。土壤样品利用人工取样，地下水样品利用一次性贝勒管伸入监测水井中进行取样[16]。土壤样品的采集以调查地块为监测单元，11个尾矿库区均布设5个土壤监测点位(每个方位不低于1个)，在其地块范围红线外20 m范围内的裸露土壤布设，若20 m范围内无裸露土壤，取样点位可向外延伸，采样以0.2 m处的土壤为重点采样层。地下水样品的采集在地块周边进行地下水监测点的布设，其中尾矿库W-03布设2个地下水监测点位，尾矿库W-04和尾矿库W-08布设3个地下水监测点位，其他8个尾矿库均布设4个地下水监测点位。优先利用地块周边现存地下水监测井，无现有监测井则需新建地下水监测井[16-17]。综上，共布设土壤监测点55个，地下水监测点40个。

2.2 评价标准与方法

根据选定11处尾矿库的整体调查，对研究区域土壤和地下水中重金属污染状况分别采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法进行综合评价。

表1 试验期间尾矿库区地下水主要理化指标

3 结果与分析

土壤重金属主要分析Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg、Cr、Zn，其中Cr、Zn多数库区监测点位未检出；地下水重金属主要分析Cu、Mn、Ni、Zn、Pb。

3.1 尾矿库区土壤中重金属污染状况与评价

每个库区布设5个土壤监测点位，从表2中可以看出，不同片区土壤重金属含量存在显著差异性，其差异性主要表现在Ni、Cd两种元素上。在整个区域内，土壤样品中Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg浓度范围分别为15～40、6～53、6.9～34.6、0.02～0.18、3.69～18.3、0.01～0.03 mg/kg，平均值分别为33.8、40.2、24.08、0.12、11.62、0.02 mg/kg。将所有监测点位重金属含量与《土壤环境质量建设用地土壤风险管控标准(试行)》(GB36600-2018)中的第二类用地筛选值进行对比，结果显示，11处尾矿库区土壤监测点位监测结果均满足要求，不存在超标污染物。运用内梅罗污染指数法对所有采样点土壤中Cu、Ni、Pb、Cd、As、Hg污染进行综合评价，得出所有监测点位土壤的综合污染物指数PN(表2)均小于0.7，由内罗梅污染指数分级标准(表2)来看，在55个监测点位中清洁水平所占比例达100%，污染率为0%，同样说明选定的11处尾矿库区附近土壤未受到污染。

表2 不同尾矿库区土壤重金属含量差异 mg/kg

3.2 尾矿库区地下水中重金属污染状况与评价

地下水监测点位原则上在每个方向上不低于1个，同样由表3可知，不同片区的地下水重金属含量也存在显著差异性，其差异性最大的表现在Mn和Pb两种元素上。11个库区地下水中Cu、Mn、Ni、Zn、Pb浓度范围分别为0～11、0.16～2 480、0.08～9.68、5.18～44、0～47.1 μg/L，平均值分别为3.27、985.13、5.01、78.3、23.83 μg/L。根据《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)Ⅲ类标准，结果显示，Mn是出现超标个数最多的指标，11家尾矿库区仅有2家未发现超标，平均含量为985.13 μg/L，最高达到2 480 μg/L，超标倍数24.8倍；Pb次之，有4家企业发现超标，平均含量24.83 μg/L，最高达到47.1 μg/L，超标4.71倍；而Cu、Ni、Zn三种重金属未发现超标点位。

表3 不同尾矿库区地下水重金属含量差异 μg/L

这里同样运用内梅罗污染指数法对地下水监测点位土壤中Cu、Mn、Ni、Zn、Pb污染进行综合评价。由内罗梅污染指数分级标准(表2)来看，在40个监测点位中清洁、轻污染、污染、重污染和严重污染分别所占的比例为18%、27%、18%、0%、36%，污染率为81%。说明这11处尾矿库区场地附近土壤受到较为严重的重金属污染。由此可以发现，不同重金属元素在土壤与地下水系统中含量差异较大(表3)，这除了与元素自身理化性质有关，还会受到所在土壤环境和地下水流系统的影响。Majeed和Reis等提出重金属在土壤中的迁移能力与其在土壤中的形态有关，而与土壤中的总量没有直接关系。Barry等研究发现，进入土壤的重金属主要在土壤0～20cm表层积累，其纵向迁移趋势不明显。

3.3 多元统计分析

对于土壤和地下水中重金属，无论是原生环境还是受人为影响，元素都不会独立存在，必然有一定的相关性[18]。根据11处尾矿库区分析结果，采用Spearman相关系数，解析土壤和地下水重金属之间的相关性，并针对有相关关系的元素开展回归分析，结果见表4和图2。

表4 土壤与地下水重金属元素的相关性分析(n=11)

由表4结果发现，除个别地下水中Mn(D)与Ni(D)、Cd(T)与Ni(T)、Pb(D)与Cd(T)之间存在显著相关外，多数之间没有显著水平，其中Mn(D)与Ni(D)呈极显著的正相关关系(R2=-0.859,P=0.001)。针对上述存在显著关系的两个指标进行回归分析(图2)，可以看出Mn(D)与Ni(D)呈正的线性关系(y=0.373 3e0.002 5x，R2=0.868 8)，这说明他们之间的含量变化会随着彼此之间增大而增大。

图2 地下水中Mn与Ni之间的相互关系

4 结语

本研究是在场地调查的背景下，对选定的11处尾矿库区开展野外试验，并利用综合污染指数评价和多元统计分析方法，揭示土壤和地下水中重金属的污染特征及相关关系。具体得到如下四点结论：

(1)对大别山区某多处矿区开展场地环境调查显示，土壤中重金属含量符合《土壤环境质量建设用地土壤风险管控标准(试行)》(GB36600-2018)中的第二类用地筛选值标准，地下水中重金属发现Mn和Pb两种元素超过《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)Ⅲ类标准。

(2)采用综合污染指数评价发现：55个土壤监测点位中综合污染物指数(PN)均小于0.7，污染率0%；40个地下水监测点位中综合污染物指数(PN)小于0.7仅有2个库区，污染率82%，其中受到严重污染的尾矿库为W-02、W-04、W-06和W-11。说明尾矿库开采不仅会对地下水水量和水流场产生影响，同时会影响地下水水质，造成地下水中重金属积累，对矿区所处的生态系统造成严重危害。

(3)由多元统计分析结果可知，仅地下水中Mn与Ni之间呈现极显著的正相关关系(R2=-0.859,P=0.001)，其他大多数重金属之间未呈现显著性水平，且回归分析结果与之一致。