金屬礦山污染土壤的重金屬遷移特性研究

1、金屬礦山污染土壤的重金屬遷移特性研究金屬礦山污染土壤的重金屬遷移特性研究程峰[1，2]王星華1莫時(shí)雄2寧春旭2(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長沙4100752.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院桂林541004)摘要：摘要：以典型鉛鋅礦為研究對象，對礦山開采對周圍土壤造成的影響進(jìn)行了調(diào)查，分析了礦區(qū)土壤污染的機(jī)理及成因。通過建立重金屬污染遷移試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒉捎闷钚《朔?PLS)建立遷移能力線性回歸曲線方程得出了主要污染元素（鎘）Cd、（鉛）Pb、（鋅）

2、Zn的遷移特性。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：鉛鋅礦；土壤；偏最小二乘法；重金屬污染；遷移特性中圖分類號：TU472文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AResearchonMigrationacteristicsofHeavyMetalontheMetalMiningcontaminatedSoilCHENGFeng[1，2]WANGXinghua1MOShixiong2NINGChunxu2（1.SchoolofCivilArchitecturalEngineering，

3、CentralSouthUniversity，Changsha410075，China）（2.GuiLinResearchInstituteofGeologyfMinneralResources，GuiLin541004，China）Abstract:ThepaperinvestigatesthesurroundingsoilinfluenceofmineralexplingwiththeobjectoftypicalLeadzincm

4、ine.weanalyzethemechanismthecausesaboutsoilpollutionoftheminefield.Throughestablishingmigrationexperimentalmodelofheavymetalpollutionthemainpollutionelements(cadmium)Cd(lead)Pb(Zn)ZnmigrationacteristicswereObtainedbyadop

5、tingthemethodofpartialleastsquares(PLS)establishthelinearregressioncurveequationmigration.Keywds:LeadzincminesoilPartialleastsquareheavymetalpollutionmigrationacteristics礦山開采中產(chǎn)生的重金屬元素并不是在其存在的環(huán)境中穩(wěn)定下來，而是會(huì)隨著條件的變化進(jìn)行遷移或富集的。影響

6、元素遷移和富集的因素是多方面的，其中既包括元素自身性質(zhì)、氧化還原電位等內(nèi)部因素，也包括一些影響元素遷移的外部條件，如:水體、土體、氣候和環(huán)境介質(zhì)等[1]。目前重金屬污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重，但對于其污染元素的遷移特性研究也較為緩慢，重金屬元素在土壤中的遷移特性，不僅取決于元素本身的活性，而且與植物的累積特性和自凈能力有很大聯(lián)系[2][2]，本試驗(yàn)選擇研究典型鉛鋅礦污染物中鎘、鉛、鋅元素為研究對象，使用偏最小二乘法::廣西工信委資助項(xiàng)目（桂工信投

7、資[2009]58號）作者簡介：作者簡介：程峰(1980)，男，江蘇徐州人，博士研究生，從事環(huán)境巖土工程研究，聯(lián)系電話：07735851326，電子郵箱：chf46629@。(PLS)[3]對其遷移能力線性回歸分析，以確定三種元素的遷移特性，以期為確定礦區(qū)重金屬污染土壤的范圍、面積、程度以及科學(xué)治理污染的土地提供了依據(jù)。1礦山重金屬污染源概況礦山重金屬污染源概況根據(jù)調(diào)查典型鉛鋅礦礦山環(huán)境污染是由于采礦、選礦引起的，目前礦區(qū)內(nèi)污染源主要有

8、尾礦庫堆積尾礦72萬m3，約108萬噸、礦渣堆場32.9萬m3、塌陷坑回填廢礦渣堆積場3.29萬m3、導(dǎo)砂溝礦渣淤積尾礦及路邊零散堆放的礦渣0.97萬m3。選礦以及污染源的存在使得礦區(qū)及附近大部分耕地受到了重金屬污染，污染范圍包括礦區(qū)內(nèi)及周邊水田、旱地，主要的重金屬污染元素為由于它集多元線性回歸分析、典型相關(guān)分析和主成分分析的基本功能于“一體”而成為統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的一種多變量校正法，一般最小二乘回歸分析方法無法有效地降維并消除自變量間可能

9、存在的復(fù)共線關(guān)系，PLS從自變量矩陣和應(yīng)變量矩陣中提取偏最小二乘成分，可以有效解決這一問題，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度[3]。偏最小二乘法的基本原理如下。將n個(gè)樣品m個(gè)組分的濃度矩陣Y=(yij)nm，和儀器測定n個(gè)樣品P個(gè)取樣點(diǎn)處的X污染濃度矩陣X=(xij)nm，分解成特征向量的形式Y(jié)=UQF（1）X=TPE（2）式中UT分別為n行d列(d為抽象組分?jǐn)?shù))的濃度特征因子矩陣和遷移能力特征因子矩陣；Q一dm階重金屬綜合濃度矩陣；

10、Pdp階單元素濃度載荷矩陣；F，E分別為nm，np階濃度殘差矩陣和遷移能力殘差矩陣。偏最小二乘法(PLS)是根據(jù)特征向量的相關(guān)性分解Y和X，建立回歸模型U=TBEd(3)式中Ed一隨機(jī)誤差矩陣；B一d維對角回歸系數(shù)矩陣。對待測樣品，如果測得其單元素濃度向量為x，則遷移能力y為:y=x(UX)’BQ。3.43.4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理本實(shí)驗(yàn)采用留一交互驗(yàn)證法（Leaveoneout)，模型的歸一化處理能力以模型對檢測真實(shí)值的相關(guān)系數(shù)r、預(yù)測均方

11、誤差(rootmeansquareerrofprediction，RM—SEP)來考核。為提高PLS模型的穩(wěn)定性和可靠性，計(jì)算過程中分別用基線校(baselinecrection，BC)、SavitzkyGolay平滑、多次散射校正(MsC)、變量標(biāo)準(zhǔn)歸一化（SNV）、Nomalize等預(yù)處理方法[4]與PLS回歸法直接分析數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)對檢測樣品數(shù)據(jù)的各種預(yù)處理、PLS模型的構(gòu)建均在Matlab上實(shí)現(xiàn)。與PLS回歸分析曲線在Micros

12、oftEXCEL2003中實(shí)現(xiàn)。4重金屬污染遷移試驗(yàn)結(jié)果與討論重金屬污染遷移試驗(yàn)結(jié)果與討論4.14.1土壤中的遷移特性土壤中的遷移特性根據(jù)圖1建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯ρ芯繀^(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行取樣，108組所取樣品均送到有檢測資質(zhì)的單位進(jìn)行檢測，首先對108組樣品檢測結(jié)果采用(PLS)回歸模型U=TBEd進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)每3個(gè)樣品再劃為1組，根據(jù)遷移能力線性回歸曲線方程y=x(UX)’BQ再將劃分后12個(gè)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表1所示。表1PL

13、SPLS曲線方程處理污染數(shù)據(jù)表曲線方程處理污染數(shù)據(jù)表Table1PLScurveequationtodealwithpollution遷移時(shí)間各元素遷移距離月份鉛鎘鋅1月份0.350.370.32月份0.380.40.363月份0.420.520.394月份0.70.90.815月份1.21.51.36月份1.31.61.487月份1.541.831.658月份1.571.861.729月份1.611.981.8310月份1.632.5

14、1.9111月份1.722.61.9812月份1.772.82.14在MicrosoftEXCEL2003中生成遷移距離與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。遷移距離和時(shí)間關(guān)系00.511.522.53123456789101112時(shí)間（單位：月）遷移距離（單位：m）鉛鎘鋅圖2遷移距離和時(shí)間關(guān)系Fig.2RelationshipbetweenMigrationdistancetime由圖2中可以看出，本文研究的三種主要污染元素，其遷移能力大小依次