（环境科学专业论文）铜陵矿区土壤重金属污染现状评价与风险评估.pdf

c u r r e n te v a l u a t i o na n dr i s ka s s e s s m e n to nh e a v y m e t a lp o l l u t i o nt ot h es o i li nt o n g l i n gm i n i n gd i s t r i c t a b s t r a c t m e t a lm i n e r a lr e s o u r c e si nc h i n aa r er i c h t h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o nt ot h es o i l c a u s e db ym i n e r a ld e v e l o p m e n ti sl a r g ea n dw i d e t o n g l i n gc i t yo fa n h u ip r o v i n c e i so n eo ft h em a i nm i n i n gc i t i e si nc h i n a ，t h et a i l i n g s ，s l a ga n ds m e l t i n go ft h e p o l y m e t a l l i cd e p o s i t s ，s u c ha sc ua n da u ，h a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts o u r c eo ft h e h e a v ym e t a lp o l l u t i o nt ot h es o i l h e a v ym e t a lp o l l u t i o nt o t h es o i lh a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sc o n c e a l e d ，c u m u l a t i v e ，r e g i o n a l ，i r r e v e r s i b l ea n dl o n g - t e r m c h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hm a yh a r mt oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h t h i sa r t i c l ed od e t a i ls t u d yo nt h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o nt ot h es o i la n du s et h e n e m e r o wi n d e xa n dg e o a c c u m l a t i o ni n d e xt oe v a l u a t et h ec u r r e n tp o l l u t i o no nt w o m i n i n gd i s t r i c tw h i c ha r ez h a o s h a ng o l dm i n ei nt h el i o nm o u n t a i nr e g i o na n d x i n q i a om i n e r a lc o m p a n yi ns h u n a nt o w no ft o n g l i n gc o u n t y s e a r c h i n gc h i n e s e a n di n t e r n a t i o n a ld o c u m e n ta n dv i s i t i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n0 f f i c i a lw e b s i t e i no r dt ou n d e r s t a n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hd y n a m i ca n dt e c h n i c a lm e t h o d sa b o u tr i s k a s s e s s m e n tw h i c hi sn e wb u tp o p u l a r m a s t e rt h em o d e la n dp a r a m e t e rv a l u e so ft h e r i s ka s s e s s m e n t ，a m e n ds o m ep a r a m e t e r sc o m b i n e dw i t hc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s t oa s s e s st h eh e a l t hr i s ka n de c o l o g i c a lr i s k i nt h i ss t u d y ，t h em o s ti m p o r t a n tp u r p o s ei so nt h eb a s i so fc u r r e n te v a l u a t i o n a n dr i s ka s s e s s m e n tt oi d e n t i f yp o l l u t a n t sa n dr i s kf a c t o r sw h i c hn e e db ea t t e n t t e d a n dc o n t r o l l e d t h e nc o n t r i b u t et oc o n t r o ls o i lp o l l u t i o na n dr i s km a n a g e m e n ti n t o n g l i n gm i n i n gd i s t r i c t i n t e g r a t e dt h ea s s e s s m e n tr e s u l t s ，t h e r i s kf a c t o r sa s f o l l o w s ：s e v e r ep o l l u t i o np o i n t ( r i s kp o i n t s ) ：m a i ns h a f to fz h a o s h a nm i n e ，t h ee a s t 2 群p o i n to fz h a o s h a nm i n e ，t h ew e s t1 _ f p o i n to fz h a o s h a nm i n e ，t h ee a s t1i p o i n to f x i n q i a om i n e ，a n dt h es o u t h e a s t2 拌p o i n to fx i n q i a om i n e ；s e r i o u sc o n t a m i n a t i o n s ： a sa n dc d ；t h ep o l l u t a n t sw h oh a v eh i g hh e a l t hr i s k s ：t h ec a n c e rr i s ka n d n o n - c a r c i n o g e n i cr i s k sf r o ma sa r eb o t hg r e a t ，c rh a st h eg r e a t e s tc a n c e rr i s k ；t h e p o l l u t a n t sw h oh a v eh i g he c o l o g i c a lr i s k s ：c d ，h g ，a n da sh a v eg r e a tp o t e n t i a l e c o l o g i c a lr i s k s ；t h e s et w om i n i n gh a v eh i g hc a n c e rr i s ka n de c o l o g i c a lr i s k ，i n w h i c hz h a o s h a ng o l dm i n i n ga r e ai sr e l a t i v e l yh i g h e r k e y w o r d s ：t o n g l i n g ；s o i lp o l l u t i o n ；h e a v ym e t a l ；c u r r e n t e v a l u a t i o n ；r i s k a s s e s s m e n t 表格清单 土壤质量分缴标准1 5 污染负荷指数与污染程度之间的关系1 6 地质累积指数的级别1 7 土壤环境质量标准值( m g k g ) 1 7 铜陵市土壤背景值1 8 研究区的内梅罗指数值2 l 研究区的地质累积指数值2 3 暴露模型参数取值2 7 r f d 和c s f 的取值2 9 研究区非致癌j x l 险h q 和致癌风险c r 3 1 重金属参比值和毒性响应系数3 4 风险等级3 5 潜在生态风险指数值e r 和r i 3 5 l 2 3 4 5 6 7 1 2 3 l 2 3 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 4 4 4 表表表表表表表表表表表表表 插图清单 图2 一1 铜陵市交通位置图1 0 图2 - 2 采样点分布图1 3 图2 - 3 c d 元素界定图18 图2 4 h g 元素界定图18 图2 5 a s 元素界定图1 9 图2 6 p d 元素界定图l9 图2 7 c r 元素界定图1 9 图2 - 8 c u 元素界定图2 0 图2 9 z n 元素界定图2 0 图2 1 0 n i 元素界定图2 0 图3 1 健康风险评估框架2 6 图3 2 u s p e a 暴露参数手册的框架2 8 图4 1 美国生态风险评价流程( u s e p a ，1 9 9 8 ) 3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金月垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证二忙而使 川过的材料。与我一同：1 2 f f 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：坛签字日期：印。年柏狮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王业太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被杏阅或借阅。本人 授权金巴工业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 缘 导师签名 签字日期： 鞠| 笋具 学位论文作者毕业后去向： 二r 作单位： 通讯地址： 地饥 签字日期：7 0 0 年争月乏厂日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师周晓铁院长和孙世群教授的悉心指导下完成的。周晓铁导 师敏锐的思维、广博的知识、平易近人和宽以待人的作风给我创造了一个进行 论文工作的宽松、自由的学术氛围；在两年半的研究生阶段，周导师给我创造 了非常好的学习实践平台，使我在参与课题研究和项目方案编制方面获得了丰 富的经验，这些宝贵的经历和经验让我在毕业找工作中的过程中具备了一定优 势，促使我比较顺利的找到了满意的工作。衷心感谢周导师一直以来对我无微 不至的关心和帮助以及细致耐心的教导和培养! 孙世群导师用渊博的学识，严 谨的治学态度，对于科学问题独到的认识深深地感染着我，使我对于科学研究 有了较以往更加正确和深刻的认识，产生了更加浓厚的兴趣，而且导师深入学 生群体，对待同学平易近人，感怀备至，使我在研究生阶段的学习和生活倍感 温暖，动力十足。两位导师的言传身教将会使我在以后的学习、工作和生活中 时刻充满信心和勇气。在论文完成之际，谨向两位导师表示我最衷心的感谢! 对于导师为我所做的一切我将永难忘怀，唯有更加刻苦努力、以取得优异的成 绩来答谢您们的关心、帮助和教诲。 在这篇论文的写作初期，得到了李如忠教授的悉心指导和帮助，在此表示 衷心的感谢。感谢安徽省环境科学研究院的王晓辉所长提供给我论文所需的数 据和资料，是他的大力支持和精诚帮助，使我顺利完成了论文的基础工作。 特别感谢何祥亮师兄，在我研究生阶段的学习、实习和论文的编制过程给 予的大力支持和热情帮助，弗且提出了很多宝贵的建议，使我获益良多。特别 感谢刘海泉、马雷同学以你们过硬的专业能力为我论文中的一个难点给予的大 力帮助，让我感动也让我敬佩! 感谢梁敏、梁熙、王烨、邹婷、孙铭、周坤等等同学无论在学习还是生活 上都给了我很大的帮助。 最后，我要衷心感谢我的父母和家人，正是他们默默无闻的奉献和大力的 支持与鼓励，才使我有信心和毅力顺利完成学业。 再次向所有帮助、关心和支持过我的老师和亲朋好友致谢，衷心祝愿您们 万事如意! 幸福快乐! 作者；王嘉 2 0 10 年4 月18 日 第一章绪论 土壤是自然地理要素之一，能够为人类提供食物等生产资料，是社会经济可 持续发展的基础。随着经济快速发展和人类活动加剧，各种人为源释放的污染 物进入土壤，土壤中有毒化学物质的积累不仅会使土壤的生物量减少，而且还 会引起生物种群的结构、功能甚至遗传多样性发生改变，从而可能会导致土壤生 态系统的退化。土壤污染会使污染物在植( 作) 物中积累，并通过食物链富集 到人体和动物体内，危害人畜健康，引发疾病和癌症，发病和死亡率增高。 土壤造成人类危害最典型的例子是在日本发生的骨痛病，这种骨痛病是由于当 地居民长期食用被镉污染的大米所致。 矿产资源是人类生活和经济发展的重要基础之一，但矿产资源的开发引发 了比较严峻的环境问题。采矿活动排放的有害物质尤其是重金属引起的土壤、 水体污染甚至生态破坏，诸如土地退化、农作物减产和品质下降等，直接或间 接的危及到人体健康，已经引起了研究者和管理者的关注心3 制。 1 1 矿区土壤重金属污染的研究概况 1 1 1 矿区土壤重金属污染的现状 在矿山开采和冶炼过程中，由于采矿废水和选矿废液的直接排放，废石和 尾矿等固体废弃物的堆放和淋滤，使矿区土壤中富集大量的重金属。在墨西哥 一座矿山约2 0 0 年的开发中，有1 0 0 k m 2 土地的严重污染，受污染土壤表层中 z n ，a s 和p b 的含量分别高达5 0 0 0m g k g ，6 6 0 0m g k g 和2 7 0 0 m g k g ，而且周 边土壤所种植的蔬菜中c d 和p b 含量分别超出正常水平的2 0 倍和5 0 倍哺。位 于美国蒙大拿洲西部的一座河盆地，由于l0 0 多年的采矿活动，污染土壤中重 金属含量比正常岩石高出几百、甚至上千倍1 。 我国金属矿产资源丰富，矿山废弃物的排放和堆存不仅破坏和占用了大量 宝贵的土地资源，而且所造成的土壤污染量大面广，是我国矿区污染土壤治理 不可忽视的问题。我国每年由采矿产生的各类固体废物直接破坏和侵占的土地 面积多达14 0 万一2 0 0 万公顷，并以2 0 0 0 0 公顷年的速度增加，而且每年的增 长速度还在加快，2 0 0 0 年的增加速度达到3 4 0 0 0 公顷年。因受上游矿山开采 的影响，在广西刁江沿岸存在严重的a s 、p b 、c d 、z n 复合污染，研究发现污 染区与洪水淹没区高度一致；并且周边农田也受到了严重的a s 、p b 、c d 、z n 复 合污染 刖。在对福建尤溪铅锌矿、连城锰矿、连城铅锌矿矿区进行调查后，研 究者发现，所研究的重金属矿区土壤中m n ，z n ，p b ，c d 的含量都高出对照土 壤的几倍甚至几十倍，综合污染指数平均值分别高于重度污染临界标准的 1 6 5 4 ，1 0 6 3 和5 3 5 7 倍，达到重度污染阳1 。在对充州矿业集团鲍店矿区土壤重 金属c u 、c d 、p b 、z n 的污染综合评价中，运用单因子指数法的结果表明，该 矿区土壤中四种元素的平均含量都高于土壤背景值，土壤已受到c d 的重污染， 土壤z n 为警戒级，运用综合污染指数法的结果表明综合污染指数顺序为顺序 为c d z n c u p b 1 引。 1 1 2 矿区土壤重金属污染的来源 土壤中的重金属，在自然情况下，主要来源于成土母岩和残落的生物物质。 但是近代以来，工农业的快速发展，人类活动加剧了土壤重金属的污染，污染 程度越来越重，范围越来越广“。在矿产资源的开发过程中产生的重金属污染 问题尤为严重。 首先，采矿作业过程就是将矿物破碎、并从井下搬运到地面的过程，这就 改变了矿物质的化学形态和存在形式，这是重金属污染环境的关键所在。物质 破碎时，一部分重金属通过井下通风系统随污风排至地表，然后通过大气进入 人体呼吸系统，或沉降到土壤和水体中；部分通过坑道废水进入地水或地面水 环境。矿物质在井下或地面搬运过程中，也因洒落、扬尘进入附近的水体或土 壤中，对环境造成危害n 刳。 然后，矿石开采出来之后要进行选矿。选矿产生的尾矿通常呈泥浆状，尾 矿一般存放在尾矿库，小部分尾矿作为充填材料又回填到井下，绝大部分长期 堆存尾矿库。选矿废水以及尾矿沉淀后的废液经简单处理后循环使用或用于周 边农田灌溉，部分废液经尾矿坝泄水孑l 直接外排至周边水体。尾矿库中的重金 属通过外排的废液或者通过扬尘进入周边环境，从而对周边环境产生重金属污 染和危害。同时，选矿必须加入大量的选矿药剂，如捕收剂、抑制剂、萃取剂， 这些药剂多为重金属的络合剂或整合剂，它们络合c u 、z n 、h g 、p b 、m n 、c d 等有害重金属，形成复合污染，改变重金属的迁移过程，加大重金属迁移距离。 因此，在矿产资源开采过程中，选矿废水和尾矿库的重金属是矿山环境污染的 重要来源引。 总结矿区土壤重金属污染来源具体有以下几点 ( 1 ) 固体废物 矿山尾矿、矿渣是采矿区土壤重金属污染的主要来源。这些废弃的固体经 过长期的自然氧化、雨水淋滤等物理、化学和生物作用，使大量有毒有害的重 金属元素释放出来进入到土壤和水体中，给采矿区及其周围环境带来严重的污 染。 ( 2 ) 酸性矿山废水( a m d ) 矿山的开采和冶炼产生的各种废渣的堆放会溶出含重金属离子的矿山酸性 废水，并被排水和降雨带入河流、湖泊、直接进人土壤和渗入地下。矿山酸性 废水的重金属污染范围一般在矿山的周围或河流的下游，且重金属污染程度在 河流的不同河段有所不同，如同一污染源的河流下段，由于水体自净化能力的 恢复和金属元素迁移能力的减弱，重金属污染的程度逐渐降低。此外，应用工 2 矿业污水如被a m d 污染的水体来灌溉农田，土壤重金属污染的危险性非常大。 ( 3 ) 大气沉降中重金属污染物 大气中重金属主要来源于矿山开采和冶炼、汽车尾气排放、汽车轮胎磨损 产生的大量含有重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿烟囱、废物 堆和公路、铁路的周边，并在风的输送下向外扩散。最终通过自然沉降和雨淋 沉降作用，使大气中的大多数重金属进入土壤圈。 总之，土壤中重金属污染物的来源途径主要有以上三种，而同一区域内的 土壤重金属污染可能源自某单一途径，也可能是多途径的。矿区的土壤重金属 污染高于一般地区，地表高于地下，污染时间越长重金属积累就越多论1 。 1 1 3 矿区土壤重金属污染的特点与危害 土壤重金属污染具有隐蔽性、累积性、地域性、不可逆性和长期性等特点， 对植( 作) 物和地下水等多方面产生严重影响，并且通过食物链的传递和积累 效应危害人类健康，影响社会经济的可持续发展。 ( 1 ) 污染农作物 有些重金属如铜、锌、锰、铝等，在浓度较低时，对各种酶系产生催化作 用进而促进植物的生长，这时它们是农作物生长的微量营养元素；然而当浓度 过高时反会破坏植物正常的生长代谢功能，使植物的发育受到抑制并影响对其 它元素的吸收和代谢。还有些重金属元素如镉、铅、镍、汞等，常常会使植物 生长受到毒害，造成植物死亡n3 。对辽宁省铁岭柴河某矿区的农产品质量的调 查研究表明，其研究区土壤中的c d ，p b ，z n 元素含量分别是当地背景值的1 1 、 4 5 、3 倍，远远超过了当地背景值水平；研究矿区的玉米籽实中p b 、c d 含量分 别是国家食品卫生标准的1 6 2 1 倍、5 5 9 7 倍，p b 元素严重超标3 1 。 根据资料报道，19 9 2 年全国有不少地区在生产“镉米”，且数量惊人，每 年生产的“镉米 多达数亿公斤。仅沈阳某一污灌区，其被污染的耕地就达2 5 0 0 多公顷，导致该区内土壤生产的粮食遭受严重的镉污染；在江西省某县受到污染 的耕地高达4 4 ，形成了一片6 7 0 公顷的“镉米”区。在2 0 0 0 年全国2 2 亿吨 粮食调查中，结果发现粮食中重金属铅、福、汞、砷超标率达10 。广东省针 对9 个商品粮基地调查检测了l o 种农产品，结果发现这些农产品有5 种重金属 超标，并且超标率均高达6 7 2 以上4 1 。 ( 2 ) 污染恶化水体环境 当土壤受到污染后，重金属浓度较高的污染表土又会通过径流和雨水冲刷 作用进入地表水和地下水，使水文环境受到恶化，并可能通过身体接触、食物 链等多种途径威胁人类的健康安全。如堆放的尾矿、废渣以及产生的酸性废水 等，在地表径流和雨水的携带下污染地表水体或下渗污染地下水体，使得人、 畜通过饮水和饮食可引起中毒1 。 ( 3 ) 大气环境遭受次生污染 遭受污染的土壤，其表土中含重金属浓度较高，而表土又比较容易在风力 的作用下成为扬尘进入到大气环境中，导致大气污染、生态退化等次生生态环 境问题，并且通过呼吸作用进入人体，对人类健康造成很大危害1 。 1 2 土壤环境风险评价的研究概况 1 2 1 土壤环境风险评价的概念与分类 环境风险是由自发的自然原因和人类活动引起的、通过环境介质传播的、 能对人类社会及自然坏境产生破坏、损害及至毁灭性作用等不幸事件发生的概 率及其后果“。环境风险广泛存在于人类的各种活动中，其性质和表现方式复杂 多样，从不同角度可作不同分类引。如按风险源分类，可以分为化学风险、物理风 险以及自然灾害引发的风险；按承受风险的对象分类，可以分为人群风险、设施 风险和生态风险等。 环境风险评价，广义上，是指对人类的各种社会经济活动所引发或面临的 危害( 包括自然灾害) 对人体健康、社会经济、生态系统等所造成的可能损失进 行评估，并据此进行管理和决策的过程狭义上，环境风险评价常指对有毒有害 物质( 包括化学品和放射性物质) 危害人体健康和生态系统的影响程度进行概 率估计，并提出减小环境风险的方案和对策 土壤环境风险评价是环境风险评价中的一个重要分支，国际上环境风险评 价起步晚，方法、理论均不成熟，专门讨论土壤环境风险的则更少。近年来， 许多国家将土壤环境风险评价纳入环境风险评价的范畴，土壤环境风险评价已 成为建设项目、区域开发和政策制定的环境评价的重要组成部分。目前应用最 广泛的是事故风险评价。但随着土壤污染的加剧和污染土壤修复技术的发展， 在对污染土壤进行修复前，也需要对其危害性即健康风险评价和生态风险评价 进行全面评价。然后依据其对环境和人体的危害的轻重缓急，对污染土壤采用 不同的方法和手段进行修复和治理，这样可以对污染土壤实施科学管理，防治 污染导致的各种健康影响和不良生态效应的扩散 。 土壤环境风险评价可分为生态风险评价和健康风险评价两大类。 ( 1 ) 健康风险评价是以风险度作为评价指标，把环境污染与人体健康联系 起来，定量描述污染物对人体产生健康危害的风险，为风险管理提供科学依据， 特别是给政策的制定者提供决策支持信息污染物进入土壤后，会经呼吸、饮 水、直接摄入、皮肤接触以及摄入食物等暴露途径引起风险，其中食物链传递风 险一直是污染土壤健康风险评估中关注的重点内容。 ( 2 ) 生态风险评价的主要对象是环境介质、生物种群和生态系统，通过科 学的、可靠的对人类活动产生的生态效应评估而达到保护和科学管理生态系统 4 的目的。它是建立在生态学、生态毒理学、数学和计算机等学科最新研究成果 基础上的一门综合性分支学科，其中生态毒理学在生态风险评价中十分重要。 1 2 2 土壤环境风险评价的国内外研究进展 环境风险评价兴起于2 0 世纪7 0 年代，主要是在发达的工业国家，特别是美 国的研究尤为突出。早在3 0 年代就开始有了对职业暴露的流行病学资料和动 物实验的剂量一反应关系的报道，也就是健康风险评价的初级形式u 引，到6 0 年 代，毒理学家丌发了一些定量的方法进行低浓度暴露条件下的健康风险评价引 7 0 年代到8 0 年代，风险评价研究处于高峰期，评价体系基本形成事故风 险评价最具代表性的评价体系是美国核管会1 9 7 5 年完成的核电厂概率风险 评价实施指南，亦即著名的w a s h 14 0 0 报告该报告系统地建立了概率风险 评价方法1 。健康风险评价以美国国家科学院和美国环保局的成果最为丰富 其中具有里程碑意义的文件是1 9 8 3 年美国国家科学院出版的红皮书联邦政 府的风险评价：管理程序，提出风险评价“四步法，即危害鉴别、剂量一效应 关系评价、暴露评价和风险表征n 引这成为环境风险评价的指导性文件，目前已 被荷兰、法国、日本、中国等许多国家和国际组织所采用随后，美国国家环保 局根据红皮书制定并颁布了一系列技术性文件、准则和指南，但大多是人体健 康风险评价方面的。例如，1 9 8 6 年发布了致癌风险评价指南、致畸风险评 价指南、化学混合物的健康风险评价指南、发育毒物的健康风险评价指南、 暴露风险评价指南和超级基金场地健康评价手册，1 9 8 8 年颁布的内 吸毒物的健康评价指南、男女生殖性能风险评价指南等心0 2 “2 乙2 3 t 2 4 2 6 1 。 9 0 年代以后，风险评价处于不断发展和完善阶段，美国对8 0 年代出台的一 系列评价技术指南进行了修订和补充，同时又出台了一些新的指南和手册例 如，1 9 9 2 年版的暴露评价指南取代了1 9 8 6 年的版本；1 9 9 8 年新出台了神 经毒物风险评价指南。在美国，评价环境中化学物质对人体健康的影响主要是 依据u s e p a 已经建立的综合风险信息系统( i n t e g r a t e dr i s ki n f o r m a t i o ns y s t e m ) ， 对某一化学物质该系统给出对人体健康影响的定性描述和定量评价。生态风险 评价也逐渐成为新的研究热点，u s e p a 在1 9 9 2 年生态风险评价框架的基础上， 正式出台了生态风险评价指南；欧洲委员会( e c ) 制定了风险评估的技术 导则文档( t g d ) ，其中t g dp a r ti i 和t g dp a r t1 1 1 分别是针对生态风险评估 和q s a r 的技术导则| 2 6 2 7 1 ；荷兰公共健康与环境研究所( r i v m ) 建立了一系列 的生态毒理学评价方法和模型以及基于生态毒理学评价的有害风险浓度 ( s r c 。或e c o t o x s c c ) 2 8 , 2 9 , 驯；经济合作与发展组织( o e c d ) 和国际标准化 组织( i s o ) 在污染土壤生态毒理学测试方法的标准化方面开展了许多研究，已 经出版了2 0 多种的标准化方法 。英国环境署( e a ) 、加拿大环境部( c c m e ) 和澳大利亚国家环保委员会( n e p c ) 等都对污染土壤的生态风险评估制定了一 系列技术和方法的规范2 3 3 3 4 1 。 我国的风险评价研究起步于2 0 世纪9 0 年代，且主要以介绍和应用国外的 研究成果为主，目前，还没有一套适合中国的有关风险评价程序和方法的技术性 文件。到目前为止，国内对于环境污染潜在风险的研究大多涉及在我国城市水、 大气环境风险，水域生态风险等领域的分析和评价毛魁3 l 圳。然而需要关注的是 对于城市土壤污染风险评估理论和方法的研究目前还开展的较少，特别是矿业 开发过程中可能存在土壤潜在污染可能带来的生态环境风险、人群健康风险以 及评估与风险管理方面的研究还相对薄弱。 目前，污染土壤风险评估在我国取得的进展主要体现在评估方法、评估基 准、具体评估工作等方面。例如，在健康风险评价方面，胡二邦等较详细介绍 了健康风险评估的技术与方法引；李志博和骆永明等对污染土壤的健康风险评 估的环境质量指导值与标准进行了较详细的研究【3 9 】：为保护在工业企业中工作 或在工业企业附近生活的人群以及工业企业界区内的土壤和地下水，对工业企 业生产活动造成的土壤污染危害进行风险评估，国家环保总局制定了工业企业 土壤环境质量风险评价基准叫。王拮等研究了健康风险评价中中国人皮肤 暴露面积的估算。常静等对上海地表灰尘重金属污染进行了健康风险评价研 究2 j 。段小丽等对人体暴露参数的国内外研究概况进行了综述1 4 引。在生态风 险评价方面，章海波和骆永明等对污染土壤的生态风险评估的环境质量指导值 与标准进行了较详细的研究们：王军等针对上海崇明岛蔬菜地土壤重金属含量 做了生态风险预警评估h 剐。运用h a r k a n s o n 生态风险指数法分别对长春市和沈 阳丁香地区土壤重金属污染的潜在生态风险进行的评估h6 4 7 1 ：还有运用生态风 险分析方法对矿区农田土壤及水稻重金属污染进行现状评价。除此之外，国 内更多的研究体现在污染土壤的生态毒理方面，不仅探讨了单一污染物对土壤 生物的生态毒理效应8 1 ，而且实验研究了重金属一有机污染物复合污染土壤的 尘念毒理效应9 5 。 1 2 3 土壤环境风险评价的步骤 环境风险评价方法包括源项分析、剂量一效应分析、暴露评价及风险表征 4 个步骤。 ( 1 ) 源项分析 风险评价的第一步是源项分析，即找出风险的来源，同时确定评价的等级、 范围、时间和评价对象等。土壤风险评价的源项分析是考虑所有理论上土壤污 染可能性，在明确潜在的暴露点基础上，确定污染源污染方式、污染物的环境 迁移转化的内在性质和对不同物质的毒性及对空气、地下水污染可能的潜在威 胁。 故障树分析法是最常用的一种风险识别方法，既适用于定性分析，又适用于 6 定量分析，具有应用范围广和简明形象的特点，体现了以系统工程方法研究风险 问题的系统性、准确性和预测性运用故障树分析法进行环境风险评价最典型 的事例是美国核管会于19 7 5 年完成的对核电站及其系统的安全研究，即著名的 w a s h 1 4 0 0 报告。 ( 2 ) 危害判定 危害判定是根据污染物的生物学和化学资料，判定某种特定污染物是否会 对人体健康或生态系统产生危害，并确定危害的后果如判定某种污染物对人体 的危害是致癌效应还是非致癌效应等( 非致癌化学污染物指能引起除癌症和基 因突变以外的效应的物质，其毒性终点表现为各器官系统的效应，有些有害物 质既可引起癌症和基因突变，又可产生其他有害效应，如a s 矛1 3 c d ) 。 通常采 用的评估方法是：确定其理化性质和接触途径与接触方式；结构活性关系；代谢与 药代动力学实验；短期动物实验；长期动物实验；人类流行病学研究等。此阶段的 主要研究方法包括上述各种实验研究和环境监测其发展主要依赖于环境医 学、环境毒理学、生态毒理学、药物动力学，以及环境监测技术的发展目前， 美国和欧盟等已经建立了相关信息数据库，并在不断地进行充实和完善。 ( 3 ) 剂量效应评价 剂量反应评价是对有害因子暴露水平与暴露人群或生态系统中的种群、群 落等出现不良效应发生率间的关系进行定量估算的过程它主要研究毒效应与 剂量之间的定量关系，是进行风险评价的定量依据。 目前，对于生态风险评价而言，由于生态系统的复杂性，目前公认的研究成果 还很少。而关于人体健康风险评价的剂量反应关系研究较多，剂量反应关系是 在各种调查和实验资料的基础上估算出来的人类流行病学调查资料是首选， 其次是与人类接近的敏感动物的实验资料阳。一般认为生物体对非致癌性物质 的反应有剂量阈值，低于阈值则认为不会产生不利于健康的影响哺2 l ；对于致癌性 物质，一般认为没有剂量闽值，只要有微量存在，即会对人体产生不利影响哺3 f 。识 别为致癌污染物的要计算该污染物的致癌毒性因子( 致癌斜率c s f ) ，被识别为 非致癌污染物的要计算该污染物的非致癌毒性因子( 参考剂量r m ) 。目前世界 上已具有几组权威性的化学物质毒理数据库来确定目标污染物的毒性因子。 ( 4 ) 暴露评价 暴露评价重点研究人体( 或其他生物) 暴露于某种化学物质或物理因子条件 下，对暴露量的大小、暴露频度、暴露的持续时间和暴露途径等进行测量、估 算或预测的过程，是进行风险评价的定量依据8 5 5 1 。暴露评价中应对接触人群 ( 或生物) 的数量、分布、活动状况、接触方式以及所有能估计到的不确定因素 进行描述对于污染物的暴露水平，可以直接测定，但通常是根据污染物的排 放量、排放浓度以及污染物的迁移转化规律等参数，利用一定的数学模型进行 估算。暴露评价还应考虑过去、当前和将来的暴露情况，对每一时期采用不同的 7 评估方法。最后，利用适当的模型，就可以估算不同人群不同时期的总暴露量。 l9 9 2 年美国环保局颁布的暴露评价指南对暴露评价涉及的各方面内容提 供了详细的说明5 1 。 ( 5 ) 风险表征 风险表征是对前面评估步骤进行总结，并综合进行风险水平定性与定量表 达，确定有害结果发生的概率，可接受的风险水平及评价结果的不确定性等同 时，风险表征也是连接风险评价和风险管理的桥梁，详细而准确的风险评价结果， 为风险决策和采取必要的防范和减缓风险发生的措施提供科学依据。 1 3 研究内容和课题来源 1 3 1 课题来源 2 0 0 6 年，国家环保部开展全国土壤污染状况调查项目，去年全国基本完成 了前阶段的土壤环境质量调查。本文是在获得由安徽省环境保护科学研究院提 供的全国土壤污染状况调查一安徽省铜陵矿区土壤污染状况调查数据的基础 上，收集矿区基础信息与相关资料，对铜陵矿区土壤重金属污染进行现状评价 及风险评估。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 搜集安徽铜陵矿区自然地貌、气候水文和矿产开采等有关资料和历史 数据，了解研究区概况和土壤重金属污染特征。 ( 2 ) 选用目前常用的两种方法：内梅罗指数法和地质累积指数法对研究区 土壤重金属污染进行现状评价，分析和比较各自所得评价的结论。 ( 3 ) 查阅国内外有关土壤风险评估的文献和目前被公认为较权威的资料和 标准，掌握土壤风险评估的方法，确定风险评价模型。选取合适的模型参数值， 对研究区土壤重金属污染进行健康风险评价和生态风险评价； ( 4 ) 总结所用的各种评价方法所得的结果，分析研究不同方法的优缺点， 同时确定研究区土壤重金属污染状况和风险程度，筛选出需要重视的风险污染 物和风险点。 1 3 3 研究目的 在了解铜陵矿区土壤重金属污染现状的基础上，对研究区土壤重金属污染 进行风险评估，找出需要重视和控制的的污染物和风险因子，从而有助于铜陵 矿区土壤污染治理和风险管理的决策。 1 3 4 研究意义 铜陵市位于安徽省中部，长江中下游南岸，矿产资源丰富，铜的开采和冶 炼是铜陵市的主导产业，对我国经济发展有很重要的作用，但矿山开采和选矿 过程中形成的废弃物与废水等严重污染了环境，特别是对周围土壤和水体的重 金属污染。土壤是人类生存的各种食物链的底层，是人类赖以生存的物质基础， 土壤污染会使污染物在植( 作) 物中积累，并通过食物链富集到人体和动物体 内，危害人畜健康，引发疾病和癌症，发病和死亡率增高。 开展矿区污染土壤的风险评估研究可以使人们了解矿区区域土壤环境安全 状况，为污染土壤修复、土地生态安全评价和管理提供信息和知识支持，使人 们采取措施以减轻土壤污染的危害，促进社会和谐发展。 9 第二章矿区土壤重金属污染现状评价 2 1 研究区概况 2li 自然地理位霄 锏陵市( 图2 1 ) 位于安徽省东南部、长江下游南岸丘陵平原，在东经1 1 7 。4 2 o o “1 18 。1 0 6 ”，北纬3 0 。4 5 7 1 2 “3 j 。0 8 5 6 ”。东距芜湖市8 0 公里左冉，东南与繁昌县接壤，西距安庆市9 0 公罩左右，南与青阳县、南陵县 交界，西南与池州责池医毗邻，西北一江之隔是无为县、极阳县，距省会合肥 l h1 2 0 公早，面积1 1 13 平方公里f 其中市区面积2 2 7 平方公里) 。南北最长约4 25 公芈，东研最宽约4 06 公里，是长江中f 游的一个著名的矿业城市，我国重要 的有色金描基地。市区地势由东南向西北倾斜，形成宽约5 公旱、长2 0 公里的 带状地形。其北部为临江冲积平原，地势开阔平坦；南部及东南部为被剥蚀低山 地区中部咀剥蚀丘陵为主，呈起伏之丘岗。是长江中下游的一个著名的矿业城 h 我国重要的有色金属基地”“。 固2 1 铜陵市交通竹置幽 2 l2 自然资源 铜陵自然资源丰富，尤以矿产资源储量丰富、矿种全而闻名。已探明的可 种丰要有铜、硫、铁、盒、银、煤、石狄石等，其中铜、金、银、硫铁矿和石 灰石储量均在仝省名纠前茅。大理石、灰硅岩、膨润土、铝锌矿、珍珠岩、钾 长石、石英石等，也有定储量8 。铜跬气候温和，有利农作物的乍长。农业 生产以粮食和经济作物为主，粮食作物有水稻、小麦等；经济作物主要有棉花、 大豆、油菜、花生、芝麻、茶叶、竺麻、油桐、大蒜、生姜等。在植物资源中， 确定学名的有8 8 科6 0 0 余种，其中，观赏植物、园艺及行道绿化乔木类3 6 种， 灌木类3 3 种，绿化观赏竹类17 种，藏类6 0 余种，草木类3 4 种，水生类l o 种。药类约14 0 0 余种，药类植物中以凤凰山丹皮最为著名。铜陵泡桐资源也相 当丰富，素有桐乡之称瞄7 1 。铜陵市水资源也比较丰富，市域的地表水属长江水 系( 流域) ，主要有新桥河、顺安河、洋河、钟仓河、相思河、圣冲河和西湖等 水域。长江流经铜陵境内5 5 k m ，上至大通镇，下至荻港镇，河道弯曲，沙洲棋 布，市区被老洲分割，分流比大约为6 ：4 ，河势稳定。江面宽1 2 3 k m ，年平均 流量2 7 5 4 4 m s ，每年7 月出现洪峰，枯水期在12 月至翌年2 3 月泔3 。 2 1 3 气候特征 铜陵市属于亚热带湿润季风气候，四季分明而春秋较短，季节交替明显， 气候温和，雨量充沛，年平均降水量为l3 2 3 m m ，主要集中在7 9 月份，全年 平均湿度在7 5 81 之间，潮湿系数为l ，属温湿充足带。冬季气候前高后低， 降水除一月份异常偏多外，其它月份偏少；春季气温偏高、雨水前期少后期正常； 夏季雨少气温偏高；秋季前期降水少气温高、后期降水多气温低。年均1 6 24 c ， 夏季平均气温2 7 4 ，无霜期约为2 3 0 天，城市地面主导风冬季为东北风，夏 季为西南风，因而易形成地形性逆温和环形流场。主要异常气候：夏季及秋季前 期降水异常偏少，加上气温高、蒸发量大，农作物早情十分严重，山丘区部分 地方发生人畜饮水困难 。 2 1 4 地质背景 长江中下游是中国东部环太平洋外带中在中生代形成的一条十分醒目而独 具特色的向南突出的弧形陆内铁、铜、金多金属成矿带，是我国重要的金属成 矿带之一，同时也是我国著名的工业走廊。 该区的大地构造位置属于扬子板块北缘与华北板块的结合部位，亦即大别 山造山带前陆盒地中的次级隆起区。区内矿产资源丰富，尤其是铜金硫矿的成 矿地质条件优越，找矿潜力较大，很长时期内被列为国家的重点找矿区之一。 铜陵地区地质构造发展和演化经历了活动一稳定一再活动( 化) 的地壳运动 过程：元古宙基底发育阶段，以泥砂质复理石建造为主的沉积物受区域变质和构 造变形构成褶皱基底。新元古代的晋宁运动后，本区进入了一个相对稳定时期。 直至早中三叠世沉积了海相、滨海相一浅海相碎屑岩一碳酸盐岩及硅质岩建造， 间夹海陆交互相沉积，是区内的盖层发育阶段，并为本区铜金硫等矿化奠定了 沉积基础。其问加里东运动显示造陆运动特点，海西运动出现地壳振荡频繁、 海水进退交替，对赋矿地层和建造的形成，有着重要意义。印支一燕山期再次 活动( 化) 扬子陆块向大别山陆块俯冲，使区内地层发生褶皱隆起。尤其是燕山 运动，本区进入陆内变形断陷阶段，发生强烈的岩浆活动，使本区受到岩浆一 热液的叠加改造作用。由于本区地壳运动发展的特殊性，形成了既有外生，又 有铜余等内生为主的矿床产出的成矿区域。喜马拉雅期主要使本区产生上升运 动，上述部分矿床( 点) 风化淋滤，形成次生富集型矿床引。 2 2 数据来源 本文中所用数据是选取2 0 0 6 年开展的全国土壤污染状况调查中安徽省铜 陵市采矿区周边土壤采样调查结果。样品采自耕作层，所取样品为0 2 0 c m 或 o 1 5 c m 表层土壤混合样，布点采样和样品测试按照全国土壤污染状况调查 技术规定中的要求进行，其中，采矿区及周边土壤属于本次普查的重点区域， 其点位布设要求如下： 采矿区污染物分布空间异质性强，布设土壤采样点时，应综合考虑这一特 点。原则上，其点位以主矿区为中心由密渐疏向周围放射状布设；开阔地带矿 区