高文文，白中科，2，余勤飞

(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035；3.天津工业大学管理学院，天津 300387)

煤矿工业场地土壤重金属污染评价

高文文1，白中科1，2，余勤飞3

(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035；3.天津工业大学管理学院，天津 300387)

为了监测、识别煤矿工业场地(潜在)重金属污染物及污染状况，运用单因子指数、内梅罗指数和潜在生态危害指数对安太堡煤矿工业场地集中区土壤表层(0～20 cm)中As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn六种重金属元素的污染状况进行了全面评价。通过研究发现：以山西省土壤环境背景值为评价标准时，土壤受到不同程度的污染，且Hg的各项指数、系数均较大，为主要的污染因子，故需加强监测与防控；但研究区内土壤中各重金属元素含量均小于土壤环境质量二级标准，即土壤中重金属未对矿区环境造成实际污染危害；从污染分布区域看，土壤重金属污染程度表现为洗煤厂>油库(污水处理厂)>炸药厂>储煤仓(维修中心)>矸石电厂>调度室>仓储用地(维修厂)，这与煤矿的生产活动、工艺流程及黄土高原区的土壤特性密切相关。

工业场地；煤矿；土壤；重金属污染；综合评价

矿产资源整合、资源枯竭(闭坑)和历史遗留产生了大量废弃的煤矿工业场地，使土地资源的安全再利用成为亟待解决的问题。《全国土壤污染状况调查公报》结果显示：采矿区作为调查的典型地块之一，在调查的70个矿区的1672个土壤点位中，超标点位占33.4%。因此，进行矿区土壤环境相关问题研究，对科学合理修复矿区受损生态系统，确保矿区生产安全、粮食安全、生态安全、人居安全意义重大，矿区土壤环境问题及其生态修复研究已成为我国目前环境污染领域的研究热点问题之一[1]。

煤矿工业场地是煤矿的重要组成部分，是进行煤矿洗选、加工、储运等生产活动的重要场所，主要以占用和污染两种方式损毁土地，是产生环境污染的主要来源之一。目前，我国工业场地土壤重金属污染评价方面的研究主要集中在冶炼厂[2-3]、焦化厂[4-7]、化工厂[8-11]、电镀污染场地[12]、石油开采场地[13-14]等遗留场地或废弃场地[15]，对于矿区尤其是煤矿区工业场地的研究少且不深入。在对矿区工业场地重金属污染的研究中，以金属矿为研究对象的多[16-18]，煤矿少[19-20]；以煤矿为研究对象的，多数是以排土场[21]、采掘场为例，而对工业场地的研究较少，且其研究多数关注于工业活动对周边土壤环境及人类健康的影响[22]，忽略了工业场地自身的污染。因此，对煤矿工业场地自身的土壤重金属污染进行评价很有必要。本文通过计算单因子指数、内梅罗指数和潜在生态危害指数对安太堡煤矿工业场地不同功能区的土壤重金属污染进行综合评价，为煤矿工业场地(潜在)重金属污染物及污染状况的监测和识别提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安太堡露天煤矿(以下称ATB矿)地处黄土高原东部，山西省朔州市区与平鲁区交界处。其地理坐标为东经112°45′58″～113°53′，北纬39°3′45″～39°58′29″。自1985年建设开始，至今已开采近30年，将来还要经历60余年的开采。矿区所在地属于温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，冬春干旱少雨，寒冷多风，夏秋降水集中，温暖湿润。全区水资源匮乏，水蚀、风蚀严重。土壤处于栗褐土与栗钙土的过渡带，呈中性偏碱性，吸附重金属的能力强。

ATB矿工业场地位于平朔矿区的南部，建成于1987年，面积约192.4hm2，包括煤矿洗选加工区、辅助生产设施、运输及仓储设施、公用工程设施、行政服务和生活服务设施等用地，是一个工业场地集中区。其中，辅助生产设施包括机修厂、污水处理系统、油库、炸药库等；公用工程设施包括供水、供热和供电系统；仓储运输设施包括材料库、设备库、煤仓、场地内运输轨道和道路等；行政服务与生活设施用地包括办公楼、招待所、生产调度、消防站等。工业场地主要污染迁移途径包括大气污染、水污染和固体废物污染，这些类型的污染物最终会沉降或吸附于土壤中，通过长期的累积和叠加效应造成土壤污染。

1.2 土壤样品采集及处理

根据分区布点原则及煤矿洗选工艺，土壤采样按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166-2004)进行。区内共布设12个样点，其中机修厂和洗煤厂排水沟污泥为两个特殊点位。每个样点由3～4个钻孔点混合而成(图1)。采用长120cm、直径5cm的劈裂式采集器进行采集。采取样点时采用GPS定位，每个样点均采取表土(0～20cm)进行检测。

土样经风干后过0.25mm的尼龙网筛。结合研究区生产工艺流程中添加的试剂成分等多种因素，选择As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn六种重金属元素进行测定。As和Hg用原子荧光光法[23]测定。Cd和Pb用石墨炉原子吸收分光光度法[24]测定。Cr用火焰原子吸收分光光度法[25]测定，Zn用火焰原子吸收分光光度法[26]测定。采用数理统计方法进行数据处理后，采样点土壤pH及污染元素检测结果见表1。

图1 研究区土壤采样点分布图

1.3 评价标准与评价方法

1.3.1 评价标准

根据本文研究对象，分别以国家环境保护总局修订的《土壤环境质量标准(征求意见稿)》(GB15618-2008)中的一级标准即山西省土壤环境背景值(Primary standard，PS)[27]和二级标准即筛选值(Secondary standard，SS)为评价标准进行研究(表2)。

表1 研究区土壤采样点污染元素检测结果表

注：1～12分别代表机修厂土壤、污水处理厂土壤、储煤仓附近土壤、维修厂土壤、仓储用地土壤、维修中心附近土壤、调度室、洗煤厂附近土壤、洗煤厂排水沟污泥、油库土壤、炸药厂附近土壤、矸石电厂土壤。

表2 土壤环境质量评价标准/(mg·kg-1)

1.3.2 评价方法

目前，土壤环境质量评价在环境科学中正处于普遍应用和迅速发展的时期。土壤重金属污染评价的方法不止一种，但由于各评价方法都有一定的优点和缺点，故本文结合多种方法从不同角度对安太堡煤矿工业场地的土壤重金属污染进行综合评价分析，从而达到全面评价的目的。

单因子指数法计算过程简便，直观反映土壤中每一种重金属的污染情况，但不能反映土壤综合污染情况。内梅罗指数法恰好与之互补。潜在生态危害指数法考虑了各元素的潜在生态危害系数及各重金属元素的毒性效应，其评价结果可反映重金属污染的潜在生态危害，是土壤环境质量评价的根本目的。

1.3.2.1 单因子指数法

单因子污染指数计算公式，见式(1)。

(1)

式中：Pi为单因子污染指数；Ci为污染物的测定值；Si为污染物的评价标准。单因子污染指数等级划分标准见表3。

1.3.2.2 内梅罗指数法

内梅罗指数法计算公式，见式(2)。

(2)

式中：PN为内梅罗指数即土壤中重金属元素的综合污染指数；Ci、Si同上；i为重金属的种类；n为参与评价的重金属种类总数。综合污染指数等级划分标准见表3。

1.3.2.3 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数的计算式，见式(3)～(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

2 结果与分析

2.1 单因子指数法评价结果及分析

以土壤环境背景值为评价标准时，Zn、Pb、Cd、Cr、As的平均单因子指数评价结果均为轻微污染。Hg的平均单因子指数评价结果为轻度污染。特殊点位1和9样品中Hg的单因子指数评价结果均为重度污染。当以二级标准为评价标准时，研究区内土壤重金属元素的单因子污染指数均小于1，土壤处于清洁状态，等级为I级(表4)。

2.2 内梅罗指数法评价结果及分析

当以土壤环境背景值为评价标准时，土壤的综合污染指数均大于1，即均受到不同程度的污染。其中，轻度污染的点位比例为40%，中度污染的点位比例为50%，重度污染的点位比例为10%。重度污染的点位为8号点位，位于洗煤厂附近，最大值为Hg元素单因子污染指数。特殊点位1和9的综合污染指数评价结果均为重度污染，最大值均为Hg元素。由此可见，相对于土壤背景值研究区内部分点位的Hg元素含量较高，这与单因子指数法评价结果一致。当以二级标准为评价标准时，研究区各点位土壤的综合污染指数均小于0.7，土壤属于清洁状态，为I级(表5)。

表3 土壤重金属污染评价分级标准

表4 ATB矿工业场地土壤重金属单因子污染指数评价结果

表5 ATB矿工业场地土壤重金属综合污染指数评价结果

2.3 潜在生态危害指数法评价结果及分析

以山西省土壤环境背景值为评价标准时，土壤重金属的总污染参数平均为8.95，平均污染程度为中度污染，另外特殊点位1的土壤重金属总污染程度很高，点位9的土壤重金属总污染程度较高。各重金属元素的总潜在生态危害指数平均为163.29，平均潜在生态危害程度较高，另外特殊点位1和9的潜在生态危害程度均很高。Hg的潜在生态危害系数远远大于其它元素，对RI的贡献率非常高，说明土壤中Hg的污染程度相对较高，应受到重视。以二级标准为评价标准时，各重金属元素的总污染程度很低，均小于5；潜在生态危害程度也很低，均远小于65。平均潜在生态危害指数的最大值12.55，最小值9.84，平均值11.54，各项结果均表明潜在生态危害很低(表6，表7)。

表6 各点位的总污染程度、潜在生态危害系数、指数

表7 土壤重金属总污染程度、潜在生态危害系数、指数统计结果

2.4 三种评价方法的结果比较

土壤环境质量评价的两个主要方面分别为污染程度和污染分布。基于以上三种评价方法，ATB矿工业场地土壤重金属污染结果对比如下所示。

1)运用不同方法所得的评价结果显示Hg的各项指数、系数较其它元素均较大，洗煤厂土壤中Hg的单因子指数最大，而特殊点位Hg的单因子指数远大于洗煤厂。采用不同评价标准所得结果有所不同，而当采用山西省土壤背景值为评价标准时土壤重金属污染最严重，这与樊文华[30]、秦俊梅[31]等的研究结果一致。

当以土壤环境二级标准为评价标准时，研究区内土壤中各重金属含量均小于筛选值，运用不同方法计算所得的评价结果均显示土壤清洁无污染，等级为I级。由此可知研究区内土壤重金属尚未发生实际污染危害，无需与整治值进行进一步比较。

2)从区域分布上看，不同的评价方法反映出的土壤重金属污染结果基本一致。综合污染程度表现为洗煤厂>油库>污水处理厂>炸药厂>维修中心>储煤仓>矸石电厂>调度室>仓储用地>维修厂。潜在生态危害指数法结果表现为洗煤厂>污水处理厂>油库>炸药厂>储煤仓>维修中心>矸石电厂>调度室>维修厂>仓储用地。其中，油库与污水处理厂、储煤仓与维修中心、仓储用地与维修厂的污染程度相当，故内梅罗指数法与潜在生态危害指数法评价所得的污染分布基本一致。特殊点位1号和9号即机修厂和洗煤厂内排水沟的表层污泥中聚集了较多的重金属，这与煤矿的生产活动和工艺流程密切相关。

3 结 论

1)以环境背景值为评价标准时，土壤受到不同程度的污染，且Hg的各项指数、系数均较大，需加强监测与防控。但研究区内土壤中各重金属元素含量均小于土壤环境质量二级标准，即土壤重金属未对矿区环境造成实际污染危害。

2)从污染分布区域看，土壤重金属污染程度表现为洗煤厂>油库(污水处理厂)>炸药厂>储煤仓(维修中心)>矸石电厂>调度室>仓储用地(维修厂)，这与煤矿的生产活动、工艺流程以及黄土高原区的土壤特性密切相关。

随着工业活动的加强，煤矿工业场地土壤中的重金属会逐渐积累，导致其污染日益严重。因此，未来研究煤矿工业场地土壤中重金属的来源及其在土壤中的迁移和转化规律是必然趋势，从而以“节源开流”的手段双向控制土壤中重金属。

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Evaluation of soil heavy metal pollution in coal mine industrial site

GAO Wen-wen1，BAI Zhong-ke1，2，YU Qin-fei3

(1.School of Land Science and Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation，Ministry of Land and Resources，Beijing 100035，China；3.School of Management，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Taking Antaibao coal mine industrial site as an example，this paper studied the pollution status and potential ecological risk of heavy metals including AS，Cd，Cr，Hg，Pb，Zn in the soil surface (0 ～ 20cm) comprehensively and respectively，using methods of single factor index，Nemero index and potential ecological risk index.The primary and secondary soil environmental quality standards (GB15618-2008) were taken as the evaluation standard.It is found that the soil is subject to different degrees of pollution when environmental background value is taken as the evaluation standard.The larger index and coefficient of Hg makes it the primary pollution which needs fortified monitoring and control.However，the content of heavy metals in soil is less than what stated in the secondary soil environmental quality standard，namely that the heavy metals didn’t cause actual harm to the mining environment.From the perspective of pollution distribution，the degree of soil heavy metal pollution follows the order of coal preparation plant>oil depot(sewage treatment plant)>explosive factory>coal storage bunker(maintenance center)>gangue fired power plant>dispatching room>storage land(maintenance workshop)，which is closely related to the production activities，the technological processes of the coal mine and the soil property of Loess Plateau area.

industrial site；coal mine；soil；heavy metal pollution；comprehensive evaluation

2015-04-15

国家“十二五”科技支撑计划项目资助(编号：2012BAC10B04)；2012年山西省科技重大专项资助(编号：20121101007)

高文文(1991-)，女，硕士研究生，主要从事土地整治与生态恢复研究。E-mail：Gaoww_cugb1991@163.com。

白中科(1963-)，男，山西运城人，教授，博士生导师，主要从事土地整治与生态恢复和环境影响评价方面的研究工作。E-mail：baizhongke@cugb.edu.cn。

TD167；X53

A

1004-4051(2015)08-0059-06