2011数学建模论文A题参考

　　文章编号 :100121986 (2004) 0520015203 煤矸石堆周围土壤重金属污染特征分析 ———以焦作市中马村矿为例 李东艳1 ,方元元1 ,任玉芬1 ,胡 　斌1 ,Matthieu Francois2 (1. 焦作工学院资源与环境工程系 ,焦作 　454000 ; 2. Institut Supérieur d′Agriculture2Laboratoire Sols et Environnement ,Lille ,France) 摘要 :利用扇形布点法采集了焦作市中马村矿矸石堆周围土壤 ,对其中的 Cr、Pb、Cu、Mn 4 种重金属 含量进行了研究。结果明 :煤矸石的堆放对周围土壤造成不同程度的污染 ,重金属的含量随离矸 石堆距离增大呈减小的趋势 ,主要受到风向的影响。 关 　键 　词 :煤矸石 ;重金属 ;土壤 ;污染 中图分类号 :P575. 9 P595 　　文献标识码 :A 1 　前言 目前全国有煤矸石山 1 500 多座 ,累计堆存煤 矸石 34 亿 t ,占地 13 333 ha (公顷)以上 ,而且随着煤 炭产量的增加 ,每年还要新增占地 400 多 ha。煤矸 石的堆积不仅占用大量土地 ,而且还会对周围生态 环境造成威胁[1 ] 。本文以焦作市中马村矿煤矸石堆 周围的土壤为研究对象 ,着重分析了煤矸石的堆放 是否对周围土壤造成重金属污染以及影响重金属的 迁移的因素。 2 　采样点布设与样品采集 中马村矿位于焦作市东郊 ,于 1955 年建成并投 产。煤矸石直接堆放于地表 ,体积约 2 ×106 m3 ,占地 面积 64 480 m2 。矸石山周围的农作物主要为小麦和 玉米。该地区风向受季风环流和太行山的影响 ,全年 风向有两次明显的转换 ,春秋季盛行西南风 ,冬季盛 行东北风。多年平均降水量为 695. 7 mm。土壤类型 以潮土为主[2 ] 。结合土壤样品采集布点原则和中马 村矿所处的地理位置 ,考虑了自然风向、矸石堆坡向 等情况 ,作者采用扇形布点法 ,布设了 3 条采样线。 为了研究影响重金属迁移的因素 ,在矿区的主导风方 向上选定两条采样线 (Line1 和Line2) ,在正东方向上 设置一条采样线 (Line3) ,作为与前两条采样线的对 比。每条采样线上 ,按以下方法设置采样点 :20 m 以 内 ,每 5 m一个采样点 ;50 m 以内 ,每 10 m 一个采样 点 ;100 m以内 ,每 20 m一个采样点 ;500 m以内 ,每 50 m一个采样点 (如图1) 。为避开建筑物 ,在Line3上 从 100 m外开始取样。每个采样点在 1 m2 范围内 3 处取表土 (10～15 cm处) ,混匀后贴上标签 ,并记录采 样点周围作物、构筑物情况。 3 　样品分析 本次研究共采集土样 51 个 ,其中L1 线 12 个 ,L2 线 18 个 ,L3 线 17 个 ,矸石样 4 个。土样经自然风干 后 ,除去石块、残根等杂物 ,研磨 ,过 0. 25 mm 筛。用 HCl - HNO3 - HF - HClO3 全分解方法消解。 取土样 0. 3 g 置于聚氟乙烯坩埚中 ,用少许蒸 馏水润湿后 ,加入 9 mL HCl 和 6 mL HNO3 ,将坩埚置 于电热板上 ,电热板调温至 110 ℃。在加热过程中 , 为避免液体沸腾而溅到电热板或其他坩埚中 ,腐蚀 电热板和影响实验的准确性 ,在坩埚上加盖。消解 约 1. 5 h ,直至溶液近干时 ,向坩埚中加入 9 mL HF 和 3 mL HClO4 ,将温度调高至 130 ℃,继续加热约 2 h。最后 ,向坩埚中加入 5 mL 王水 ,继续加热 ,使土 壤样品溶解充分。待土样消解液冷却后 ,用蒸馏水 定容到 50 mL 的容量瓶中。火焰原子吸收分光光度 法测定 (Z - 5 000 日立原子吸收光谱仪) ,分析全过 程严格避免重金属的各种可能性污染[3 ,4 ] 。 图 1 　矸石堆周围土壤采样点图 (以矸石堆为原点) 收稿日期 :2004202210 基金项目 :河南省自然科学基金 (0111070400) ,焦作工学院博士基金及中青年骨干教师基金资助 作者简介 :李东艳 (1971 —) ,女 ,河南沁阳人 ,焦作工学院博士 ,副教授 ,从事土壤与地下水污染控制与治理的教学与科研工作 1 ·51· 第 32 卷 第 5 期 2004 年 10 月 　　　　　　　　　　　　 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY & EXPLORATION 图 2 　各种元素含量随采样点距矸石堆的距离变化图 注 :为便于比较 ,在作此图时 ,将L3 上第一个采样点当作原点 (a) ———w (Cr)随距离变化图 ; (b) ———w (Mn)随距离变化图 ; (c) ———w (Cu)随距离变化图 ; (d) ———w (Pb)随距离变化图 4 　结果与讨论 实验所得数据剔除异常值[4 ]后取算术平均值作 为土壤样品的质量比。样品中各种元素的含量随采 样点离矸石堆的距离变化 ,如图 2 所示。 图中 w (Cr) 的范围在 25. 94～99. 44 mgΠkg 之 间 ,其中L3 随距离增大而下降的趋势非常明显 ,到 180 m 附近时质量比趋于稳定 ; w (Mn) 的范围在 326. 07～602. 1mgΠkg 之间 ,没有明显的变化趋势 ; w (Cu)的范围在 21. 42～64. 57mgΠkg 之间 ; w ( Pb) 的范 围在 5. 6～100. 1 mgΠkg 之间。通常情况下 ,采矿引 起的土壤污染一般都呈表面富集[5 ] ,并且由近及远 重金属污染程度呈逐渐降低的趋势。作为参照线的 L3 ,Cu 和 Pb 的质量比有随距离增大而下降的趋势 , w (Cr) 变化趋势明显 ;到距矸石堆 180 m 外 , w (Cu) 趋于稳定。由于 L1 和 L2 是该地区季风方向 ,煤矸 石粉尘沿主导风向迁移 ,在调查区内 ,L1 线和 L2 线 方向上随距离增大而减小的趋势不明显。 对照土壤环境质量[6 ] ( GB15618 - 1995) 和 河南省土壤背景值 (如表 1) 可以看出 ,在调查区 , w (Cr)只有 L3 线上离矸石堆 180 m 以内点的值超出 土壤背景值[7 ] ; w (Cu)的值皆大于土壤背景值 ; 而 w (Pb)只有L3 上极个别点低于土壤背景值 ,但皆低于 国家二级标准 (本调查区土壤 pH值皆大于 7. 5) 。w (Pb)随距离变化图中 ,L3 线的最高峰出现在约 180 m 处 ,而此处为该采样线经过的唯一一条公路。 　　实验还采集了矸石堆中的 4 个矸石样品 ,旨在 与所调查的土壤进行对比。样品 1 和样品 2 是新鲜 的矸石样 ,样品 3 和样品 4 是部分风化过的样品。 经调查发现 ,矸石中所调查的重金属质量比并不高 于周围土壤中的重金属质量比 (如表 2) ,其原因可 能是重金属在土壤表面富集 ,致使本身重金属含量 不高的矸石堆周围土壤重金属质量比反而高。通过 表 2 还可以看出 ,部分风化的矸石重金属质量比反 而高。原因可能是新鲜的矸石有机质质量比高 ,风 化后的矸石中重金属质量比所占比例大。这与党志 (2001)等的调查结果一致[8 ] 。 5 　结论 a . 　该调查区重金属质量比未超过土壤环境质 表 1 　土壤环境质量标准( GB15618 - 1995)和背景值 w/ mg·kg - 1 项　目 河南省 土壤元 素背景 值 [8 ] 国家一 级标准 自然背 景值 国家二级标准 (pH值) < 6. 5 6. 5 ≤或 ≤7. 5 > 7. 5 铬 (Cr) ≤ 63. 8 90 150 200 250 锰 (Mn) 579 ——— ——— ——— ——— 铜 (Cu) ≤ 19. 7 35 50 100 100 铅 (Pb) ≤ 19. 6 35 250 300 350 表 2 　矸石中 4 种重金属质量比 w/ mg·kg - 1 样品 元素 Cr Mn Pb Cu 矸石 1 20. 97 131. 08 31. 46 20. 97 矸石 2 32. 57 258. 86 49. 72 36. 00 矸石 3 44. 73 270. 09 44. 73 37. 85 矸石 4 41. 75 377. 52 31. 32 26. 10 ·61· 煤田地质与勘探 　　　　　　　　　　　　　　　第 32 卷 ·矿井地质· 　　文章编号 :100121986 (2004) 0520017203 采场工作面顶板突水的渗流场分析 张后全2 ,杨天鸿2 ,赵德深1 ,李连崇2 ,唐春安1 ,3 (11 大连大学破坏力学数值试验研究中心 ,辽宁 大连 　116622 ;2. 东北大学岩石破裂 与失稳研究中心 ,辽宁 沈阳 　110004 ;3. 中国科学院岩土力学重点实验室 ,湖北 武汉 　430071) 摘要 :应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心 (CRISR)自主开发的 F - RFPA2D渗流与应力耦合分析 系统 ,对煤层顶板随着开采的逐步进行 ,采动裂隙逐渐向上发展并最终与含水层连通 ,进而发生顶 板突水的全过程进行了数值模拟 ,直观地显示了煤层顶板的变形、破坏过程以及渗流场在整个岩体 的运移过程及其突水前后渗流场的变化情况 ,从而较好地揭示了顶板突水过程。 关 　键 　词 :采动裂隙 ;顶板突水 ;数值模拟 中图分类号 :P641. 4 　　文献标识码 :A 1 　引言 前人对煤矿顶板突水事故作过大量的研究 ,在 突水机理、预测预报、防治技术等方面取得了一些突 破性进展 ,先后发展了红外测温技术、直流电法、等 效数值法、光度滴定法等 ,用来判定突水潜在危险 区 ,并开发出了相关数值模拟软件与分析系统 ,提出 了钻孔放水法 ,预采疏放法等防治技术[1 - 5 ] 。归纳 起来 ,前人主要依靠工程监测、理论解析、数值模拟 3 种手段对问进行研究 ,但这 3 种手段各自都存 在着明显的不足。由于目前监测手段的局限性 ,使 得现场监测不能有效获取分析问题所需的足够信 收稿日期 :2004212210 基金项目 :国家自然科学基金 (50204003)和国家自然科学基金 (50174013 资助项目 作者简介 :张后全 (1979 —) ,男 ,四川邻水县人 ,大连大学硕士研究生 ,主要从事岩石力学与工程的数值模拟研究工作 1 量标准 ( GB15618 - 1995)二级标准 ,但对 w (Cu) 和 w (Pb)的污染应加以重视 ; b. 　到目前为止 ,该调查区还适于种植农作 物 ,但其重金属污染应加以重视 ,建议种植一些抗重 金属污染的作物 ,如向日葵[9 ] ,或施加适量的改良 剂 ,如海泡石 ,钙镁磷肥等[10 ] ; c . 　矸石山周围土壤中微量元素质量系数高是 长期积累的结果 ,风化和雨水淋溶是影响矸石堆周 围土壤重金属迁移的重要因素[11 ] ; d. 　在调查区煤矸石堆是主要的污染源 ,其他 外界输入是次要的污染源。 参考文献 [1 ] 　惠润堂. 煤矸石的环境影响及发生条件 [J ] . 煤矿环境保护. 2001 ,1 (15) :55 - 58. [2 ] 　翟汝钦 , 孙建新. 焦作土壤[M] . 农业出版社 , 1992. [3 ] 　王庆仁 , 刘秀梅等. 我国几个工矿与污灌区土壤重金属污染 状况及原因探讨[J ] . 环境科学学报. 2002 ,22 (3) :354 - 358. [4 ] 　中国环境检测总站. 土壤元素的近代分析方法 [ M] . 北京 :中 国环境科学出版社. 1992. [5 ] 　Sterckman T , Douay F ,Proix N , et al . Vertical distribution of Cd , Pb and Zn in soils near smelters in the North of France [J ] . Environmen2 tal Pollution , 2000 : 377 - 389. [6 ] 　中华人民共和国国家标准 , 土壤环境质量标准 ( GB 15618 - 1995) [ S] . 国家环境保护局 , 1995. [7 ] 　中国环境监测总站. 中国土壤元素背景值 [ M] . 北京 :中国环 境科学出版社. 1990. [8 ] 　党　志 ,刘丛强等. 煤矸石中微量重金属元素化学活性的实验 模拟研究[J ] . 华南理工大学学报 (自然科学版) ,2001 ,29 (12) :1 - 5. [9 ] 　万云兵 , 仇荣亮等. 重金属污染土壤中提高植物提取修复功 效的探讨[J ] . 环境污染治理技术与设备 , 2002 ,3 (4) :56 - 59. [10 ] 　屠乃美 ,郑华等. 不同改良剂对铅镉污染稻田的改良效应研 究[J ] . 农业环境保护 , 2002 :324 - 326. [11 ] 　徐磊. 煤矸石中微量元素的地球化学行为[J ] . 煤田地质与勘 探 ,2002 ,30 (4) :1 - 2. Analysis of heavy metal pollution in vicinity soil of coal gangue dump ———Taking Zhongmacun Mine of Jiaozuo as an example LI Dong2yan1 , FANG Yuan2yuan1 , REN Yu2fen1 , HU Bin1 , MATTIEU Francois2 (1. Department of Resources and Environmental , Jiaozuo Institute of Technology , Jiaozuo 454000 ; 2. Institut Supérieur d′Agriculture2Laboratoire Sols et Environnement , Lille , France) Abstract : In order to investigate heavy metal content concerning Cr , Pb , Cu and Mn , soil samples were collected using fan shape allocation method in the vicinity of Zhongmacun Mine , Jiaozuo. The results show that coal gangue pile causes various heavy metal pollution to ambient soil , and that heavy metal pollution has a trend that the farther from the pile , the weaker the contamination is. The main factor affecting the movement of heavy metals in topsoil is the prevailing wind. Key words : coal gangue ;heavy metal ;soil ; pollution ·71· 第 32 卷 第 5 期 2004 年 10 月 　　　　　　　　　　　　 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY & EXPLORATION