陕南金属尾矿库区土壤重金属迁移规律及其环境效应研究

摘要

金属尾矿砂中残留大量重金属元素，通过地表径流和渗流、风沙扬尘等作用，尾砂中重金属元素很容易进入尾矿库周边的土壤环境中，从而造成重金属土壤环境污染。一方面，土壤重金属经过漫长的积累，通过植被吸收、生物富集、生物放大等作用对生物体造成严重的危害；另一方面，土壤重金属在复杂的物理、化学和生物因素的影响下，其在土壤中的空间分布、存在形态及危害性质也不断发生变化。所以，对土壤环境中重金属迁移途径及影响因素进行研究，既有土壤污染治理指导意义，也对矿山土壤污染防治工作具有重要的参考价值。该论文采用实地调查研究与模拟研究相结合的方法，分析陕南金属尾矿区重金属在土壤中迁移的规律及其环境效应。得到以下结论：
　　(1)土壤重金属空间分布、富集及分类结论
　　Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Co是研究区域内具有普遍性污染的元素，Ni、V、Ge、Mo、Ba元素的污染区域只集中在某一个或几个尾矿库周围的小部分区域。Cu、Zn、Pb、Cd四种元素在土壤中的富集作用达到显著污染水平，Ni、Mn、Ba元素富集作用最不明显，Ge、Mo元素富集具有明显的区域差异性。Zn、Pb、Cd、Ni四种元素的可交换态比例较大，RAC生态风险编码法等级为中度风险等级，其它元素的生态风险为低风险或无风险等级。对土壤重金属含量的因子分析与聚类分析结果基本一致，11种重金属可分为3类：具有普遍的、共同污染源的Cu-Zn-Pb-Cd-Co-V，有明显污染源差异的Ge-Ba-Mo，自然污染因素的Mn-Ni。
　　(2)距离对土壤重金属迁移的影响
　　从Hakanson潜在生态危害评价结果确定的重金属污染安全区界：距离尾矿库400-1000m的范围，重金属潜在生态危害为低等级，单元素生态危害也为低等级，故＞400m的范围是潜在生态风险的安全范围。重金属元素迁移受到距离的影响显著：Ba主要迁移范围0-200m；Ni、Co主要迁移范围0-400m，Cu、Zn、Pb、Cd、V、Mn主要迁移范围是0-600m，Ge、Mo主要迁移范围是0-800m。按照迁移距离大小分析，11种元素的迁移能力排序为Ge/Mo＞Cu/Zn/Cd/V/Pb/Mn＞Ni/Co＞Ba。
　　(3)高差对土壤重金属迁移的影响
　　以尾矿坝面为高差0基准，高差范围为80-0m的区域重金属含量总体低于0-(-80)m的区域。从Hakanson潜在生态风险评价结果确定的重金属污染安全区界：在高差80-20m的范围，重金属潜在生态风险为低等级，Cd单元素生态危害为中等等级，故在尾矿坝面以上＞20m范围，是潜在生态风险安全范围，但要重点防控Cd元素污染；在尾矿坝面以下0-(-80)m范围，土壤重金属潜在危害为中等等级以上，故安全界限尚不能确定。金属在土壤中的迁移受到高差影响十分显著：Cu、Cd、Zn、Pb、V主要迁移范围为0-20m、超过0-(-80)m，Ba元素迁移范围为0-(-40)m，Mn主要迁移范围为0-20m和0-(-40)m，Mo迁移范围为0-20m和0-(-60)m，Ni主要迁移范围为0-20m和0-(-20)m，Ge主要迁移范围为0-(-40)m，Co迁移范围超过0-(-80)m。按照迁移高差范围分析，11种元素的向上迁移能力：Cu/Zn/Cd/V/Pb/Mn/Ni/Co＞Ba/Ge/Mo，向下迁移能力：Cu/Zn/Cd/Pb/V/Co＞Mo＞Ba/Ge/Mn＞Ni。
　　(4)土地利用类型对重金属的迁移性影响
　　从土壤重金属元素含量分布分析，Zn、Cd、Ni、Mo、Ba、Cu、Pb、V、Co九种元素在草地土壤中的迁移累积作用比农用地、林地、撂荒地土壤明显。从Hakanson潜在生态危害指数RI看，草地土壤的等级为较高等级危害，其它3种土壤为中等，4种利用类型土壤中的Cd的单元素潜在生态危害等级均为较高等级，说明研究区域内Cd元素应是重点防控的污染元素。从金属元素化学形态分析，土地利用类型对11种元素的迁移影响作用差异性较大，如Cu元素迁移性和金属有效性在农用地最大，Zn元素在草地中最大；Pb元素在撂荒地中的迁移能力最强，在草地中的金属有效性最大；Cd元素在农用地、草地中的迁移性及金属有效性均较大；Ni、Co元素在草地迁移能力最强，金属有效性在4种土壤中相当。草地是多种金属元素迁移能力或金属有效性最强的土地利用类型
　　(5)尾砂填埋模拟研究
　　从迁移时间看，Cu、Zn、Pb、Cd发生明显迁移的时间分别是12、6、6、3个月，迁移能力顺序为Cd＞Pb/Zn＞Cu；从迁移距离看，水平方向Cu、Zn、Pb、Cd迁移能力符合Zn/Pb＞Cu/Cd，垂直方向迁移能力符合Cd＞Zn＞Cu＞Pb；从迁移速率分析，水平和垂直迁移能力均符合Cd＞Pb＞Zn＞Cu规律。从迁移方位分析，受到正南方向的汉江河的影响，SE、S、SW是迁移最为明显的3个方位；从迁移发生时间、迁移距离、速率等层面分析的迁移能力排序结果有较大差异。
　　(6)陕南金属尾矿区土壤重金属迁移数学模型
　　模拟实验的重金属迁移模型：Cu、Zn、Pb和Cd四种元素迁移量与距离R、深度H和迁移时间T的均达到极显著负相关水平，补充了实地调研中不能反映的“重金属迁移的先后顺序”和“迁移速率”规律，该模型反映尾砂重金属向土壤迁移的初始阶段，代表微观的、较理想化的重金属迁移预测模型；实地调研的重金属迁移模型：考虑土地利用类型因素的方案B比A方案更能客观、详尽的模拟土壤重金属的迁移趋势，B方案模型证实了土地利用类型对土壤重金属的迁移有着重要的影响，同时重金属含量与距离D、高差H、砂粒So、粘粒S2也呈现出明显相关性，该组模型反映了尾矿库区重金属在土壤中迁移的发展阶段，代表较为宏观的、客观实际的重金属迁移预测模型。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状与进展

1.3研究内容

1.4研究方法及技术路线

2 研究区域概况

2.1实地研究区域概况

2.2模拟实验研究概况

3尾矿库周边土壤重金属污染特征分析

3.1尾矿库周边土壤中重金属空间分布特征

3.2区域重金属富集特征研究

3.3土壤重金属化学形态分布特征及生态危害性

3.4基于多元统计分析的尾矿区土壤重金属来源研究

3.5小结

4距离对土壤重金属的迁移影响

4.1重金属在不同区域内的含量分布及潜在生态风险安全区界确定

4.2距离变化对土壤重金属元素迁移的影响

4.3小结

5高差对土壤重金属迁移的影响

5.1不同高差区域重金属含量分布及潜在生态风险安全区界确定

5.2高差对土壤中金属元素迁移的影响

5.3小结

6土地利用类型对土壤重金属迁移的影响

6.1不同利用类型土壤中重金属的分布特征及潜在生态风险评价

6.2从形态分布分析土地利用类型对重金属迁移的影响

6.3小结

7尾砂重金属在土壤中的迁移模拟实验

7.1模拟实验研究方法及内容

7.2Cu元素在土壤中的迁移规律模拟研究

7.3 Zn元素在土壤中的迁移规律模拟研究

7.4Pb元素在土壤中的迁移规律模拟研究

7.5 Cd元素在土壤中的迁移规律模拟研究

7.6Zn、Cu、Pb、Cd四种元素在土壤中迁移累积规律对比分析

8 陕南金属尾矿库土壤重金属迁移预测模型

8.1土壤重金属迁移发展阶段的预测模型的建立、分析与检验

8.2重金属迁移初始阶段的预测模型的建立、分析与检验

8.3关于实地调研与模拟实验关系的几点讨论

9结论与展望

9.1结论

9.2创新点

9.3展望

致谢

参考文献

附录