Research on the Characteristics and Control Strategies of Typical Heavy Metal Pollution Around a Key Mining Area

某矿业股份有限公司于1994年开始开采铁矿，运行时间约30年，开采矿种为铁矿、锌矿、锡矿，采用露天开采的采矿方式，年开采铁矿(氧化矿)300万t，开采深度781 m至460 m. 为大型矿山，矿山未发生过尾矿库崩坝事故，所在地区多年平均降水量1 923 mm，年平均风速1.4 m/s，主导风向为东北风. 矿区最近的河流为山间小河，为某江支流，流量＜15 m³/s，位于矿区西部下游，不涉及农田灌溉. 根据《关于印发〈农用地土壤污染状况详查点位布设技术规定〉的通知》 《土壤重点污染源影响范围》，广东某矿业股份有限公司土壤重点污染源周边尾矿库、露天采场和选矿厂、运输道路、地表产流影像区范围分别为1.5，0.5，0.1，2.0 km. 某矿业股份有限公司尾矿库、露天采场、选矿厂及地表产流影响区域如图 1所示.

根据某矿业股份有限公司生产作业的内容和方式，产生的污染物主要来源于尾矿库、污水处理区、选矿区、露天采矿区、矿石堆场、采矿区、废石堆场等，特征污染物为石油烃、氟化物、汞、铅、镉、铜、锌、镍、砷、锰、六价铬，各区域特征污染物及污染源如表 1所示.

根据《建设用地土壤污染状况调查技术导则》 《建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则》 《建设用地土壤环境调查评估技术指南》 《2020年广东省重点监管企业和工业园区周边土壤监测工作计划》和现场踏勘要求，进一步结合点位布设总体规则，影响范围相互叠加的企业作为一个地块，整体布点^[8-10]. 根据某矿业股份有限公司污染影响范围，并依据优先选择农用地与公园绿地等对人体健康关系密切位置的原则，确定布设6个土壤采样点位. 其中BT-1布置在最近河流的下游河漫滩，监控地表水流影响区，ST-1监控露天采坑影响区，ST-2监控运输通道影响区，ST-3监控选厂影响区，ST-4和ST-5在地下水下游区域，监控地下水污染特征，如图 1所示. 其中BT为表层土壤采样点，ST为多层土壤采样点. 本次布点基本监控了影响区内没有农田区域，没有公园绿地. 通过现场手持GPS确认预设采样点坐标，观察确认坐标点所在位置符合土壤釆样的代表性要求，多点组合采样坐标以中心点为准. 在人为干扰较大的陡坡地、低洼积水地、住宅、道路、沟渠以及粪堆附近等处不宜设为采样点，应在周边30 m范围内另设采样点，对于有垅的农田，在垅间采样.

根据《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中所要求控制的污染物，结合各区域特征污染物及污染源，确定本次土壤污染监测项目为石油烃、氟化物、汞、铅、镉、铜、锌、镍、砷、锰、六价铬. 本研究主要探索土壤重金属污染情况，因此，本次场地污染监测重点考察重金属污染特征.

土壤样品的采集根据《土壤样品采集技术规定》规定，采样前制定采样计划，做好任务分工和采样记录. 主要包括采样前准备、采样点确认、样品采集和采样拍照等. 表层土采样深度0~20 cm，为单独取样. 先用铁铲三面切割一个大于取土量的20 cm高的土方立面，取适量土壤，尽可能做到取样量上下一致，不斜向切割.

混合样品采用区域内多点取土，采集方法包括对角线法、双对角线法、棋盘式法和蛇形法等. 采样点确定后，一般设定20 m×20 m采样区，在设定区域内，按混合采样法采集分点样品，分点取土法与单独取土法相同，采用聚乙烯盆与竹片等工具等量混合后合成一份混合样，采用四分法弃去多余土壤，采样量不少于2 000 g. 拍照记录土壤采样过程的采样工具、采集位置、土壤装样过程、样品瓶编号、盛放柱状样的岩芯箱、现场检测仪器使用、样品保存等关键信息，每个关键信息至少1张照片，以备质量监控.

土壤样品采集好后，严格按照流转计划进行运输，并对样品做好适当的减震隔离，防止破损、混淆或沾污. 样品收集后，将土壤研磨并过2 mm的筛. 按照《合格评定化学分析方法确认和验证指南》 《环境监测分析方法标准制修订技术导则》等要求，具体分析方法按照GB 36600—2018执行，各指标方法如表 2所示，分析土壤样品中典型重金属的含量.

在样品检测前，对分析仪器进行定量校准. 检测时，每批不超过20个样品，分析测试1次标准曲线中间浓度点或土壤有证标准样品，确保校准曲线未发生显著变化. 在校准过程，测试项目的相对偏差在10%以内. 在分析过程，随机抽取不少于5%的样品进行平行样分析.

每批次样品必须做准确度监控. 对于有证标准样品，应在每批次样品中同步插入至少1个有证标准样品进行分析测试，插入样品应与待测样品污染物含量水平相当，基质尽量相近，有证标准样品分析测试合格率应达到100%.

通过单因子指数法、地累积指数法、多因子指数加和法、多因子指数算术平均法、均方根法、内梅罗指数法^[11-12]，对该矿业公司周边的土壤样品进行分析.

1) 单因子指数法

单因子指数是一种无量纲指数，该法为我国土壤重金属污染环境质量评价的常用方法，能够简单明了地对环境质量进行评价，具有很好的可比性，是其他环境质量指数和质量分级评价的基础.

式中：P_i为土壤污染物i的单因子污染指数；C_i为土壤污染物i的实测含量(mg/kg)；S_i为土壤污染物i的评价标准值(mg/kg).

2) 地累积指数法

由于土壤的形成受岩石作用影响显著，在评价重金属污染时，应考虑自然成岩作用引起的背景值影响^[13]，综合考虑人为污染因素和自然成岩作用对背景值的影响，直观评价重金属污染级别，具有较好的科学价值. 地累积指数(I_geo)计算公式如式(2)所示.

式中：I_geo为土壤污染物地累积指数；B_i为地壳中该元素的含量(mg/kg)；K为考虑各地岩石差异可能引起背景值的变动系数(一般取1.5).

3) 多因子指数加和法

多因子指数加和法是对单因子污染指数的加和，具有操作简单的优点，但易掩盖某单个污染物的问题，评价结果不具可比性.

式中：P′为参评各土壤污染物污染指数之和.

4) 多因子指数算数平均法

多因子指数算数平均法是对参评单因子污染指数的算数平均，优缺点与多因子指数加和法相同.

式中：P为参评各土壤污染物污染指数之和；n为参评污染物的数量.

5) 均方根法

均方根法是对参评单因子进行均方根计算.

式中：P_均方根为土壤中各参评污染物污染指数均方根.

6) 内梅罗指数法

内梅罗指数法兼顾最高单因子指数和平均单因子指数的影响，强调最高分指数的影响，但易掩盖污染物种类的影响.

式中：P_N为内梅罗指数；P_i均和P_i最大分别为单项污染指数平均值和最大值.

调查结果显示，在选取的6个区域中，所涉及的重金属污染物检出率为83%，六价铬未检出，根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)^[14-16]，涉及超出筛选值的重金属有砷、铅、锌、铜、镉，如表 3所示. 每个采样点均有单项污染物超出筛选值，其中在采矿区西部，超出筛选值的重金属为砷、铅、锌，但均未超出管控值，表明在选矿区周边的污染主要由铁矿伴生的砷、铅、锌等引起，但未对周边造成显著污染，其中砷超出土壤环境质量三级标准，对土壤造成一定的污染，不宜于农作物种植和其他植物正常生长，建议该地块不宜用作农用地. 在选矿厂周边，砷、铜、锌、镉重金属超出筛选值，与采矿区西部比，铜和镉的含量升高，但是铅的含量降低，砷、锌、镉超出土壤环境质量三级标准，同样表明选矿厂南部周边土壤受到污染，不宜于农作物和其他植物生长. 在运输通道周边，砷、铜、锌、镉超出筛选值，且砷、锌、镉超出土壤环境质量三级标准，污染程度和类型与前述位点类似，这可能是由于含重金属废料在运输过程的洒落，长期以往造成区域的环境污染^[17]. 进一步对矿区下游地下水中重金属进行监测，在两个监测地下水位点中，一个地下水位点中砷、锌、镉超出筛选值，而在另一个地下水位点，只有铜略超过筛选值. 在河流下游河漫滩，砷、铅、锌、铜、镉的检测结果均超出筛选值，表明该矿区周边表面水体受影响较大，但在管控值范围之内，无需进行额外修复. 可能原因是该矿业生产和堆存过程中，受雨水淋滤影响较大，从而造成重金属的迁移扩散，对下游水体造成污染.

表 4为单因子指数法、地累积指数法、多因子指数加和法、多因子指数算术平均法、均方根法、内梅罗指数法分析计算的重金属污染情况. 首先通过单因子法描述各位点单一重金属的污染情况，采坑区西部位点受砷污染严重，其他重金属均未存在明显污染影响，在选矿区南部位点，砷、铜、锌、镉污染明显，且与运输通道周边污染情况类似，受污染影响程度最高的重金属为砷，经污染负荷指数分析，砷污染为中度污染，其他为轻度污染，但是在选矿区及地下水位点，锌污染为重度污染^[18]，这主要是由该铁矿伴生锌所决定. 对地下水两个位点重金属污染情况进行分析，离采矿区最近的地下水位点ST-4，受砷、锌污染较为明显，而在离选矿场最近的地下水位点ST-5，仅有铜污染，且污染程度为较轻度污染^[18]. 在河流下游河漫滩，所涉及的几种重金属均存在一定程度污染，结果表明，矿区周边土壤重金属对周边表面水体造成一定污染. 由于各分析方法得到结果具有明显差异，单因子指数仅能对单个重金属污染的情况进行分析，有些区域受自然背景值影响较大，易对评价结果造成干扰. 场地累积指数法考虑环境地球化学背景因素影响，直观评价重金属污染级别，结果如表 4所示. 在调查的区域中，采矿区周边影响较大的是砷和铅，而在选矿区、地下水和运输通道等，受污染影响程度较为明显的是砷、锌和镉，这可能主要因为在选矿和运输过程，这几种重金属易扩散，从而易对周边造成污染风险^[19]. 地表水下流河漫滩是评价污染扩散程度最直观的位点，从该点可看出，该矿业公司对周边造成污染风险最大的是砷、镉、铜、铅. 今后，该矿区周边污染监控应重点考察上述4种重金属污染风险.

由于该矿冶公司的污染不局限于单一重金属，而是多种重金属复合污染，因此，在评价该场地污染风险时，应综合考虑各重金属的复合污染风险. 多因子指数加和法是在单因子指数的基础上，对各单因子污染指数进行简单加和，综合评判比较各位点的污染风险. 从表 4看出，选矿区的多因子加和指数最高达10.83，表明选矿过程最易造成环境污染风险，其次为运输通道和河流下游河漫滩. 运输过程的撒落是造成污染风险高的主要原因. 在选矿区，超筛选值污染物多因子加和指数反而较低，说明在选矿周边未造成明显的污染迁移扩散风险，而在下游河漫滩，表面水体冲洗含重金属废料和污染场地后，汇集于河漫滩，从而形成污染累积，同样在下游地下水较近区域，多因子加和指数相对较高，结果表明，沿水流迁移是该矿业公司场地污染扩散的主要方式之一.

由于各位点超筛选值指标数不一，在计算多因子指数加和时，超标数会对评价结果造成明显影响，通过多因子指数算术平均值、均方根值和内梅罗指数对各位点污染情况进行评价，这3种方法具有类似的优缺点. 选矿区周边和地表水下游河漫滩的污染指数最高，达到中度污染，其他区域污染程度为轻污染，这与前述结果类似，表明选矿及选矿后重金属的扩散是该矿业公司污染的主要形式，应加强对下游河流径流的监控，同时，在运输和选矿时，加强运输和选矿过程粉尘扬撒造成的环境污染防控.

通过布点采样，分析某矿业股份有限公司采矿场、选矿场、运输通道等周边土壤典型重金属污染物，其中汞、镍、锰和六价铬检出未超过筛选值，不存在污染风险. 而砷、镉、锌、铜、铅为该矿业股份有限公司需重点关注的重金属污染，在不同采样位点出现超出筛选值现象. 污染指数分析表明，该地块污染风险主要聚焦于砷、镉、锌、铜、铅，其中砷和镉为中度污染，这主要是由该矿业公司矿场类型决定，砷和镉作为伴生矿物，开采过程易随之暴露于环境，从而形成污染，需重点监控. 在所研究的几个位点中，以选矿厂和运输通道周边的污染风险最为严重，这主要是过去生产过程含重金属污染物未得到有效管控，开采的矿物暴露于环境，易被风化和雨水淋滤，从而污染周边土壤和水体，同时也易随表面水体扩散迁移，存在一定的污染风险. 由于运输过程没有对矿物进行有效装载，易撒落于运输通道，长期累积后，对运输通道周边水土造成污染，导致重金属含量超出筛选值，尤其是锌、镉、砷等重金属，易被风化和淋滤浸出，从而对周边土壤造成污染. 采矿区周边重金属砷、铅、锌含量超出筛选值，表明该地块受到一定程度污染，但与运输通道和选矿场相比，污染程度相对较轻，尚无需进行管控. 这可能是由于选矿场和运输通道涉及污染的矿物后，粒径变小，从而易造成锌、镉、砷等污染物的淋滤浸出. 下游地表水和地下水体都受到不同程度的污染，存在一定的生态风险，这主要是由于前述雨水淋滤，加速重金属污染物的浸出，从而易通过地表水径流和地下水迁移，引起重金属污染物的迁移和扩散. 因此，在今后的生产过程，建议加强对涉重金属生产和运输过程的管控，避免含重金属废物洒落排出. 在重金属排放区域，避免裸露堆存，以防止雨水淋滤造成地表水和地下水污染. 同时，在选矿场和采矿场下游，加强地下水和地表水中砷、镉、锌、铜、铅的监测和预警，防止对下游造成环境污染.

由于该矿业股份有限公司地块存在污染风险，如砷、镉、锌超出土壤环境质量三级标准，不宜种植农作物，建议该区域土地利用主要以工业用地为主^[20]. 该区域土壤重金属污染整体上无需修复，且修复会显著增加成本，建议该区域的土壤环境管理以监管和预防为主，在有条件的区域，通过种植重金属富集植物，进行生态修复，同时有效阻滞重金属的迁移扩散.

通过对某矿业股份有限公司周边土壤重金属污染现状调查分析，得到以下主要结论：

1) 该矿业企业周边土壤存在不同程度的重金属污染，主要重金属污染物为砷、镉、锌、铜、铅；

2) 该场地区域重金属污染存在迁移扩散的风险，易对下游地下水和地表水造成污染，应加强下游地表水和地下水重金属污染的监控；

3) 选矿场生产和运输撒落是该矿业企业对周边环境造成污染风险的主要来源，建议加强对生产和运输过程涉重金属环节的重点管理，防止涉重金属污染物释放到环境；

4) 该区域土地利用应以工业利用为主，有条件的区域加强生态修复，同时对该场地应加强详细调查和污染风险监控.