地积累指数法在金尾矿库重金属污染评价中的应用

李 龙

(中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，西安 710003)

尾矿库是贮存金属和非金属矿山尾矿或废渣的场所，是矿产资源利用过程中的一个重要工业设施[1]。研究区位于陕西省，该金矿尾矿库1992年建成投入运行，设计库容为200×104m3，为三级尾矿库，服役期满后，于2012年9月底开始实施闭库，目前已闭库。尾矿库的服务年限和库容量达到一定时，将会是重大危险源和环境污染源，重金属因其持续性和毒性，显得尤为危险。金矿尾矿渣中主要污染物有铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镍(Ni)、铬(Cr)、镉(Cd)、汞(Hg)和砷(As)等重金属，这些重金属能从土壤迁移到其它生态系统组成部分中，如地下水、植物等，并通过饮用水和食物链影响人类健康。重金属污染评价方法种类较为繁多，从地质环境角度来看，应用于重金属污染评价的方法主要有单因子指数法、地积累指数法、内梅罗指数法等[2-4]。地积累指数不仅反映了元素的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动的重要参数[5-7]。因此，本文采用地积累指数法对尾矿渣中重金属铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镍(Ni)、铬(Cr)、镉(Cd)、汞(Hg)和砷(As)的含量进行评价，以期为尾矿库的土地复垦提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区背景

研究区为陕西省某金矿尾矿库，南北长约800多米，东西最长处约200余米。该矿区主要出露地层有太古界太华群中-高级变质岩系和新生界第四系黄土，区内岩浆活动较为发育，具有期次多、岩性复杂等特点。按时代可分为太古代、元古代、加里东-华力西期、印支期、燕山早期等。研究区域平均海拔1200 m，属于暖温带南缘季风性湿润气候，年平均气温11.5℃，年均日照2045 h，年均无霜期195 d，年均降雨量 764.11 mm，年均蒸发量1033.4 mm。库区排水系统基本完备，底端坝面以石块加固。尾矿库区周围森林茂密，主要有柏、松苦木、槭及竹亚等科。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与处理

使用GPS卫星定位仪进行定位布点采样。尾矿库正面示意图如图1，尾矿库从北向南呈梯田状分布，北宽南窄，坡度约16°，尾矿库共分为六层，我们将南部最高层称为第一层，向下依次分层，北部最低层称为第六层。依据规范采用对角线布点法进行布点，围绕每个采样点布设中心点1个及四周4个分点，采样深度20 cm，共取5个分点的矿渣样品，组成一个约1 kg干重的矿渣混合样品，然后用无菌的聚乙烯袋将采集的样品装好，并贴上标注有采样序号和日期的标签。将采集好的矿渣样品运回实验室，并置于通风、避光、阴凉、干燥的地方，在室温条件下将矿渣样品自然风干，剔除碎石块和植物根茎。风干样品粗磨后用玛瑙研钵细磨，过100目尼龙筛，装瓶贴签，用于分析土壤重金属含量。

图1 尾矿库正面示意图

1.2.2 样品分析

尾矿渣的重金属测定：按照国标上测定重金属的方法先对土壤样品进行消解，然后将经过消解后的土样，利用火焰原子吸收分光光度法、氢化物发生-原子荧光法、电感耦合等离子体发射光谱法测定尾矿渣中重金属铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镍(Ni)、铬(Cr)、镉(Cd)、汞(Hg)和砷(As)的含量[8]。

1.2.3 评价方法

地积累指数法(Igeo)是由德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller在1969年提出的一种研究水环境中重金属污染的一个定量指标[9]。利用地积累指数法评价尾矿渣中重金属污染状况及程度较为科学和直观。因为该方法不但考虑了人为污染因素和环境地球化学对背景值的影响，还考虑了由于自然成岩作用可能引起的背景值的变动的影响。地积累指数法常被用来分析重金属污染的评价，一共分为7级，见表1，计算的公式为：

式中： Cn为样品中元素n的浓度，BEn为土壤环境质量标准中二级标准值，常量1.5是转换系数(为消除各地岩石差异可能引起背景值的变动)。

2 结果与分析

2.1 尾矿库重金属污染地积累指数评价

根据计算，该尾矿库8种重金属元素的地积累指数及其分级情况见表2。可以看出用陕西省土壤重金属背景值和国家背景值计算的结果有所不同，这主要是因为各种元素陕西省背景值和国家背景值差异所致。8种重金属元素的陕西省背景值和国家背景值见表3。

表2 8种重金属元素按陕西省及国家背景值计算地积累指数及其分级情况

表3 8种重金属元素的陕西省土壤背景值和国家土壤背景值 单位：mg/kg

从应用陕西省土壤重金属背景值计算的地积累指数结果来看，该尾矿库的矿渣中Pb达到了极严重污染，Cu达到了中度-强度污染，Hg达到了中度污染，Cd达到了轻度-中度污染，其他重金属元素的含量均低于陕西省土壤重金属含量背景值。应用国家背景值进行判断时，Cu达到了中度污染，Hg达到了轻度-中度污染，在对其他重金属元素的污染程度进行判断时，判断结果与应用陕西省背景值进行判断的结果基本一致。因此，可以看出尾矿库的主要污染重金属元素为铅(Pb)、铜(Cu)、汞(Hg)和镉(Cd)。

2.2 尾矿库重金属元素地积累指数分级频率分布

污染频率是描述污染特征的一种统计分析方法，表示特定区域内，污染因子出现的概率，用以推测该区域受到污染程度的大小，污染频率为百分数，所以污染频率之和为100%。从8种重金属元素的地积累指数分级频率计算的结果来看(表4)，Zn、Ni和As三种元素的无污染频率达到了100%，这说明尾矿渣中这三种元素的含量均低于陕西省和国家背景值；其次是Cr，陕西省背景值下无污染频率达到了90.9%，国家背景值下无污染频率达到了81.8%。Cd的轻污染-中度污染频率最高，Cu的中度污染频率最高，Pb的污染频率主要集中在强污染以上，Hg的污染频率分布比较复杂，主要原因是Hg含量陕西省土壤背景值与国家背景值差异比较大，Hg在强污染以下均有分布，污染频率主要集中在轻度污染到强度污染，这与地积累指数的整体评价结果一致。

表4 尾矿库8种重金属地积累指数分级频率分布

2.3 尾矿库6个层次重金属元素地积累指数比较研究

尾矿库6个层次8种重金属地积累指数及其分级情况见表5。尾矿库的矿渣中Pb污染最为严重，除第三层和第五层外，其他层矿渣中的Pb都处于极严重污染程度。对于第一层，Cu污染程度也比较高，达到了中度污染-强度污染程度，另外Cr和Cd也有轻微污染；第二层与第一层的污染程度基本一致，只是Hg污染达到了中度以上程度；第三层的Pb污染程度为强污染-极严重污染，Cu、Cd和Hg污染程度也达到了一定级别；第四层、第五层和第六层的污染情况类似，除受到Pb污染比较严重外，还受到Cu、Cd和Hg的污染。

表5 尾矿库6个层次8种重金属地积累指数及其分级情况

3 分析与讨论

土壤环境质量评价方法的选择对土壤污染的评价结果至关重要，不同的评价方法可能反映出不同的评价结果，而地积累指数法不仅考虑了自然地质过程造成的背景值的影响，而且也充分注意了人为活动对重金属污染的影响，因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。由于陕西省的土壤背景值略小于国家土壤背景值，所以应用陕西省土壤背景值计算的地积累指数判断出的矿渣污染程度略大于应用国家土壤背景值计算判断出的结果，尾矿库矿渣的铅(Pb)污染极严重，另外铜(Cu)、汞(Hg)和镉(Cd)也有不同程度的污染，锌(Zn)、镍(Ni)和砷(As)三种元素的无污染频率达到了100%。由于尾矿库6个层次的矿渣堆积时间有所不同，各个层次汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)三种重金属的地积累指数有所不同。

4 结论

(1)尾矿库矿渣的铅(Pb)污染极严重，另外铜(Cu)、汞(Hg)和镉(Cd)也有不同程度的污染，锌(Zn)、镍(Ni)和砷(As)三种元素的无污染频率达到了100%，铬(Cr)的无污染频率也达到了80%以上。铅(Pb)的污染频率主要集中在强污染以上，镉(Cd)和铜(Cu)的中度污染频率较高。

(2)尾矿库6个层次8种重金属地积累指数略有不同，第二层和第六层的汞(Hg)污染达到了中度以上级别，第二层的镉(Cd)污染达到了中度级别，第三层和第五层的铅(Pb)污染程度低于其它层，但是都达到了强污染程度，其他元素的地积累指数在各层基本保持一致。

(3)通过地积累指数法对尾矿库的重金属污染情况进行分析，结果表明该尾矿库的重金属污染物主要是铅(Pb)、镉(Cd)、铜(Cu)、汞(Hg)，锌(Zn)、镍(Ni)、铬(Cr)、和砷(As)四种污染物不会对当地环境构成污染。