辽宁省铁法矿区土壤重金属污染特征及环境风险评价研究

论文摘要

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭在我国能源消费结构中所占比例高达70%以上,大规模的煤炭开采和利用在为我国的经济发展提供能源保障的同时,也对矿区环境造成了严重破坏。在煤炭的开采、加工和利用过程中,煤中的重金属元素会发生迁移和转化,污染矿区的大气、水体和土壤,进而影响矿区人们的身体健康,成为煤矿区面临的严峻环境问题之一。本文以我国东北地区最大的动力煤生产基地——辽宁省铁法矿区为研究对象,通过对煤矿区的实际调查以及土壤样品的采集、处理和测试,综合利用分析化学、地球化学和环境化学的理论与方法对矿区土壤重金属含量、分布特征、组合特征和来源进行分析,并利用富集因子法和模糊综合评价法对其污染现状进行评价,在此基础上利用潜在生态风险指数法和健康风险评价模型进行环境风险评价,所得的主要结论如下:1.矿区土壤重金属含量及分布特征。矿区土壤中Cd、Cr、As含量普遍超标,污染相对严重。各种重金属元素变异系数均在0.410.77之间,属于强变异,表明人类活动对该矿区土壤中重金属含量产生了较大的影响。Co和Th随着矿井区开采时间的增长,含量逐渐增加;Se则随着矿区开采时间增长而略有下降;As和Cd在各个矿井区的分布差异不大,相对比较稳定,只有大明矿土壤中As含量明显高于其他矿井区;Cu和Zn在各个矿井区的分布呈现出一定的相似性。垂直剖面上,Cu、As、Se、Cr、Zn含量表聚化现象较明显,Th、Cd、Co表聚化现象不显著。2.矿区土壤重金属组合特征和来源判断。综合利用相关分析、聚类分析和主成分分析三种方法对矿区土壤重金属组合特征和来源进行分析和判断,得出以下结论: Th、Cd、Co这三种重金属元素主要来自于成土母质,受煤矿开采的影响较小;Zn、Cu主要受采煤和交通两方面影响;Se、Cr、Cd、As的含量同时受成土母质和煤矿开采两方面的控制。3.矿区土壤重金属污染现状的评价。首先利用富集因子法对矿区土壤重金属污染程度进行评价,发现各个矿井区中Cd均有一定程度的污染,Th、As、Se、Cr污染的范围也比较大。整体富集程度大致为大明矿>大隆矿>小南矿>小明矿>大兴矿>小青矿,即开采时间越长的矿区,重金属累积情况也越严重。然后利用模糊综合评价法对各矿井区和煤矿区的整体环境质量进行综合评价,发现Cd、Cr、As三种元素是铁法矿区主要的环境影响因子。大明矿土壤属于轻污染,大隆矿和小明矿属于尚清洁,小南矿、小青矿和大兴矿均属于清洁。总体说来,铁法矿区土壤重金属污染不严重,环境质量基本属于清洁。4.矿区土壤生态风险评价。Cd的生态风险较为突出,属于强生态风险等级,其他的元素均属于轻微生态风险等级,各元素潜在生态风险系数大致顺序为:Cd>Cr >As>Cu >Zn。各矿井区比较而言,大明矿、小明矿、大隆矿和小南矿潜在生态风险要略大于小青矿和大兴矿,新开采的矿井区潜在生态风险略小一些。各矿井区均属于轻微生态风险等级,元素Cd在各矿井区均属于强生态风险。5.矿区土壤健康风险评价。矿区土壤中Cd含量高于辽宁省背景值和国家一级标准值,但是Cd并没有造成很高的年均风险值,对人体健康威胁不大。开采时间越长的矿区,个人年均风险值越大,致癌重金属产生的年均风险值较大,三种致癌重金属风险大小依次为Cr6+>As>Cd,因此应将Cr作为首要的环境管理控制指标。成人年均风险值处于Ⅰ、II两个等级,同一矿区儿童年均风险值要比成人年均风险值高出两个等级,表明土壤中重金属元素对成人身体影响不大。儿童受土壤重金属的影响更应该引起有关管理部门和社会的重视。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.3 研究内容与方法
• 1.4 技术路线
• 1.5 论文组织结构
• 第二章 研究区概况及测试方法
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 研究区自然概况
• 2.1.2 地质概况
• 2.1.3 煤矿开发概况及主要的环境问题
• 2.2 样品的采集和处理
• 2.2.1 采样点的布置
• 2.2.2 样品的采集
• 2.2.3 土壤样品的预处理
• 2.2.4 土壤样品中重金属总量分析消解
• 2.3 重金属元素的测定
• 2.3.1 重金属总量的测定
• 2.3.2 六价铬的测定
• 第三章 矿区土壤重金属污染特征及来源判断
• 3.1 矿区土壤重金属含量及分布特征
• 3.1.1 矿区土壤重金属含量统计特征
• 3.1.2 各矿井区土壤重金属含量分布特征
• 3.1.3 矿区土壤重金属垂直分布特征
• 3.2 矿区土壤重金属组合特征和来源判断
• 3.2.1 土壤重金属元素相关分析
• 3.2.2 土壤重金属元素聚类分析
• 3.2.3 土壤重金属元素的主成分分析
• 第四章 矿区土壤重金属污染现状评价
• 4.1 矿区土壤重金属污染程度评价
• 4.2 土壤重金属污染综合评价
• 4.2.1 评价方法的选择
• 4.2.2 矿区环境质量的模糊综合评价
• 第五章 矿区土壤重金属环境风险评价
• 5.1 土壤重金属污染物的危害性
• 5.2 矿区土壤生态风险评价
• 5.3 矿区土壤健康风险评价
• 5.3.1 土壤重金属健康风险评价模型
• 5.3.2 风险评价标准分级
• 5.3.3 结果与分析
• 5.3.4 结论
• 第六章 结论与讨论
• 6.1 结论
• 6.2 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 附：本人硕士阶段发表的论文和参加的基金项目