周 曼，熊 邦，迟 茜，盖园春

(1.清华苏州环境创新研究院，江苏 苏州 215000； 2.上海纺织建筑设计研究院有限公司，上海 200060)

中国矿产资源丰富，有色金属矿采选业从20世纪开始发展，至今已有几十年的历史。早年企业由于粗放式生产，大量的尾矿长年处于无序管理状态，随意堆放，未采取任何风险防范措施。近年来，我国土壤污染问题日益突显，特别是重金属污染在我国矿产开发强度较大地区十分突出，历史遗留尾矿是造成土壤产生重金属污染的主要原因之一。尾矿中往往含有砷、铜、铅、镉等重金属，通过雨水淋滤等多种释放途径，污染物会进入土壤及周边水体，对区域生态系统和人体健康造成严重威胁[1-4]。

目前，已有研究大都以矿区土壤作为对象开展调查、评价及修复研究[5-6]，关于铜尾矿堆场的土壤风险评价相关研究较少。土壤重金属污染风险评价方法包括单项污染指数法[7]、内梅罗综合指数法[8]、基于GIS与地统计学的评价法[9]、潜在生态风险评价法[10]及人体健康评价法[11]等，各有其适用性与局限性。

本文以西南某区铜尾矿堆场的土壤作为研究对象，通过现场调查和数据分析，结合场地实际情况，选择单因子指数法和生态风险指数法从不同角度对尾矿堆场土壤重金属污染进行评价，旨在摸清铜尾矿堆场对地块土壤产生的污染影响，为后期实施修复治理工程提供科学的支撑。

1 样品采集与分析

1.1 研究区概况

研究区位于原铜矿生产企业东南侧，原企业生产能力为200 t/d，主要产品为铜精矿和钴精矿，后因经济问题倒闭，遗留大量铜尾矿(约5万t)露天堆放在农田之上。固体废物属性鉴定结果显示，该场地铜尾矿为Ⅱ类一般工业固体废物。

1.2 采样布点

尾矿堆场占地面积约5 200 m2，采用系统布点法，将区域划分为面积不大于40 m×40 m的若干地块，每个区域设置一个监测点位(共布设5个钻孔采样点S1-1、S1-2、S1-3、S1-4、S1-5)，并在场地周边设置了1个土壤对照点。根据土层结构和现场XRF快速检测结果，确定土壤采样深度为0～16 m。场地此次共采集土壤样品31个，具体监测点位布设如图1所示。

图1 尾矿堆场土壤调查布点示意Fig.1 Layout of soil investigation points in tailings yard

1.3 采集与分析方法

(1)样品采集。样品严格按《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)进行采集、保存和预处理。

(2)样品分析。指标分析采用现场快速分析判定与实验室分析2种形式结合，实验室样品监测分析均选用国家或行业标准方法。pH值的分析方法为《土壤 pH值的测定 电位法》(HJ 962—2018)；重金属铜的测试分析方法为《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)；重金属砷的测试分析方法为《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分土壤中总砷的测定》(GB/T 22105.2—2008)。

2 评价标准与方法

2.1 评价标准

土壤中重金属含量评价参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)。

2.2 土壤风险评价方法

(1)单因子指数法。土壤环境质量状况调查对污染状况的评价采用单因子指数法，其公式为：

(1)

式中，Pi为污染物i的污染指数；Ci为污染物实测值；Si为污染物评价标准值。

根据Pi值大小，可以确定该因子的污染程度，分级原则见表1。

表1 单项污染物指数分级原则Tab.1 Classification principle of single pollutant index

(2)潜在生态风险评价。潜在生态风险评价考虑了重金属毒性系数，将毒理学与环境效应结合起来，对重金属危害程度和潜在风险做出详细评价。其计算公式为：

(2)

表2 重金属潜在生态风险评价指标与分级Tab.2 Potential ecological risk assessment index and classification of heavy metals

3 结果与分析

现场调查采用现场XRF快速检测结果显示，土壤中主要是重金属砷和铜出现了不同程度的超标，而铅、镉、汞等重金属含量值很低，与标准中风险筛选值相差较远。因此，将砷和铜作为此次土壤调查的重点开展分析和评价。

3.1 pH值分析

土壤对照点样品pH值为6.2。30个场地土壤样品pH值为5.0～8.7，中值为5.72。场地土壤样品中pH值为4.5～5.5(酸性)的样品数量占样品总数的12.12%；pH值为6.5～7.5(中性)的样品数量占样品总数的15.15%；pH值大于7.5(碱性)的样品数量占样品总数的72.73%。因此，场地土壤主要呈碱性。

3.2 重金属污染分析

(1)重金属元素含量分析。对照点土壤样品砷含量为71.33 mg/kg，场地土壤采样点砷检出含量为58～2 630 mg/kg，平均含量为462.00 mg/kg。与农用地土壤标准中风险筛选值比，平均含量超标倍数为15.82，超标率高达100%；与标准中风险管控值比，平均含量超标倍数为3.09，超标率为73.33%。与场地土壤背景值比，平均含量超标倍数为6.33，超标率为86.67%。

对照点土壤样品铜含量为77.57 mg/kg，场地所有土壤采样点铜检出含量为62.3～3 520 mg/kg，平均含量为612.63 mg/kg。与农用地土壤标准中风险筛选值比，平均含量超标倍数为6.54，超标率高达90%。与场地土壤背景值比，平均含量超标倍数为7.92，超标率为90.00%。

(2)土壤污染分布。根据采样检测数据分别对场地区域按照2～5 m、5～8 m、8～12 m、12～16 m，4个不同厚度土层对砷和铜的污染情况进行插值分析，得到场地土壤污染分布，如图2、图3所示。

图2 场地土壤砷污染分布情况Fig.2 Distribution of arsenic pollution in site soil

图3 场地土壤铜污染分布情况Fig.3 Distribution of copper pollution in soil

场地土壤砷、铜污染垂直分布情况如图4、图5所示。由图2—图5可知，土壤砷、铜含量整体趋势呈现随深度增加砷、铜含量下降的趋势，场地表层至基岩层之间的土壤样品砷、铜含量几乎全部超出农用地土壤环境质量标准风险筛选值。

图4 场地土壤砷污染垂直分布Fig.4 Vertical distribution of arsenic pollution in site soil

图5 场地土壤铜污染垂直分布Fig.5 Vertical distribution of copper pollution in site soil

3.3 重金属的污染指数评价

场地土壤重金属砷、铜单因子指数评价概率见表3。

由表3可知，重金属砷的单因子指数以大于5为主，占全部采样点位的66.67%，说明目标场地土壤砷污染严重，整体呈现砷重度污染。铜的单因子指数主要分布在大于2的分级，说明场地土壤存在大范围的铜中重度污染，部分区域铜轻度污染。

表3 场地土壤重金属单因子指数评价概率Tab.3 Evaluation probability of single factor index of heavy metals in site soil

3.4 重金属潜在生态风险评价

依据单因子潜在生态危害系数计算公式，结合重金属元素的毒性相应系数计算目标场地土壤重金属的Ei值，并进行描述性统计(表4)。由表4可知，土壤点位中砷的Ei值以160≤Ei<320(很强)、≥320(极强)为主，所占比例分别为43.33%、23.34%，部分点位Ei值分布于40≤Ei<80(中等)、80≤Ei<160(强)，占比分别为20.00%和13.33%。大多数点位的铜生态风险值处于Ei<40(轻微)、80≤Ei<160(强)，占比分别为33.33%和36.67%。

表4 场地土壤重金属潜在生态风险评价概率Tab.4 Potential ecological risk assessment probability of heavy metals in site soil

综上可知，场地土壤大部分区域砷潜在生态风险为极强和很强，部分区域砷潜在生态风险为中等和强；大部分区域土壤存在铜的轻微和强级生态风险；部分区域土壤铜的生态风险为很强、中等级别。

4 结论

(1)堆存尾矿属于为Ⅱ类一般工业固体废物，场地土壤受到尾矿污染影响，均出现了不同程度的污染，主要污染因子为重金属砷和铜，建议尽快开展风险管控措施。

(2)场地土壤样品中砷含量均超过了农用地土壤环境治理标准风险筛选值，最大检出含量为2 630 mg/kg，平均含量超标倍数为15.82，与农用地土壤标准中风险管控值比，平均含量超标倍数为3.09，超标率为73.33%；铜最大检出含量为3 520 mg/kg，平均含量为612.63 mg/kg，与农用地土壤标准中风险筛选值比，平均含量超标倍数为6.54，超标率高达90%。土壤污染最大深度达16.4 m。

(3)场地土壤砷污染严重，整体呈现砷重度污染，潜在生态风险主要为极强和很强；土壤存在大范围的铜重度污染，部分区域土壤呈现铜轻度污染，潜在生态风险主要为强级。