《Journal of Environmental Science and Health, Part A》：Integrated assessment of surface water and soil contamination by potentially toxic elements from gold mine tailings using a combined risk index: a case study of Matjhabeng Local Municipality, South Africa
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本文综述提出并应用组合风险指数（CRI），整合地表水和土壤污染数据，综合评价南非马特哈本地方市金矿尾矿区中12种潜在有毒元素（PTEs）的累积污染风险。研究表明，采矿活动及尾矿堆积导致附近区域As（砷）、Se（硒）等污染加剧，CRI可作为识别污染热点、支持环境管理的实用工具。
引言
金矿开采业虽为全球经济发展做出重要贡献，但其也是环境持久污染的主要驱动因素，显著导致水体和土壤系统退化，并对矿区生态功能及人类健康构成风险。传统的环境污染风险指数（EPRIs）通常独立评估单一环境介质（地表水或土壤）的污染，其提供区域累积环境风险综合评估的能力有限。为此，本研究旨在评估南非马特哈本地方市（MLM）金矿尾矿相关的潜在有毒元素（PTEs：包括砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、钴（Co）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）、硒（Se）、锌（Zn））对地表水和土壤造成的总体环境污染风险。本研究修改了现有污染指数框架，提出用于地表水和土壤的组合风险指数（CRI），以期提供一种适用于采矿影响区域的综合评估方法。
材料与方法
研究区域：研究区域MLM位于南非自由州北部，属于威特沃特斯兰德盆地的一部分，该盆地拥有世界上最大的金矿床之一。研究覆盖了MLM内的六个城镇。共选择了15个采样点，依据不同活动（如矿区、尾矿、工业、农业）以及与尾矿的距离进行布设，其中7个点（S1-S7）位于尾矿密集区，其他点分布在距密集区不同距离的下风向区域，另有S14和S15作为上风向对照点。
样品采集与制备：于2018年湿季采集了15个点的地表水和土壤样品。地表水采用瞬时采样法收集于1L采样瓶中，土壤样品则用PVC取芯器从15厘米深度采集约500克。所有样品均妥善保存并运送至实验室进行后续分析。
测量：使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP–OES）测定样品中多种元素的浓度。为确保结果可靠性，实施了包括使用标准物质（BCR 402 White Clover）、空白测定和三重复分析在内的质量保证与控制程序。检测结果分别与加拿大水质/土壤质量指南及南非环境事务部（DEA）规定的限值进行比较。
污染指数：
- 1.
单因子污染指数（Pi）：用于评估单个PTE在采样点的污染状况，计算公式为Pi = Ci/Si，其中Ci为PTE的平均浓度，Si为地壳背景浓度。Pi值分为五个等级：无污染（Pi < 1）、低污染（1 > Pi < 2）、中度污染（2 ≥ Pi < 3）、强污染（3 ≥ Pi < 5）、极强污染（Pi ≤ 5）。
- 2.
内梅罗综合污染指数（I）：用于评估各采样点所有PTE的总体污染状况，计算公式为I = √(PiMax2+ PiAve2) / 2。其值分为五个环境质量等级：清洁级（I ≤ 0.7）、警戒级（0.7 < I ≤ 1.0）、轻污染级（1.0 < I ≤ 2.0）、中度污染级（2.0 < I ≤ 3.0）、重污染级（I > 3.0）。
- 3.
组合风险指数（CRI）：本研究提出的新指数，用于综合评估每个采样点地表水与土壤的累积环境污染风险。计算公式为CRI(w+s)= Σ[Ii(w) + Ii(s)]，即将每个采样点的地表水内梅罗指数I(w)与土壤内梅罗指数I(s)相加。CRI值同样分为五类污染风险等级：安全级（CRI ≤ 10）、低风险级（10 < CRI ≤ 50）、中等风险级（50 < CRI ≤ 100）、高风险级（100 < CRI ≤ 200）、极高风险级（CRI > 200）。
结果
潜在有毒元素（PTEs）在地表水和土壤中的赋存情况：在所分析的12种PTEs中，地表水样品检出9种，土壤样品则全部检出。在地表水中，PTEs浓度顺序为Mg > Ca > Fe > Cu > Se > Co > As > Zn > Ni；在土壤中，顺序为Ca > Fe > Mg > Zn > Cu > Ni > Co > Pb > Cr > Se > Cd > As。
地表水污染：Cr、Cd和Pb在所有地表水点均未检出。Ni和Zn仅分别在S4和S5点检出。与加拿大环境部长理事会（CCME）水生生物指南相比，As（73%点位超标）和Co（93%点位超标）的不合规率较高。Cu在约27%的点位同时超出CCME和DEA限值。Fe在20%的点位超出CCME限值。
土壤污染：所有PTEs在土壤中均有检出。As和Co对CCME及DEA土壤质量指南的合规性很高。Cd、Pb和Ni也表现出高合规性。Cr和Zn存在中度不合规情况。Cu和Se的污染最为显著：Cu在所有点位均超出DEA指南限值，并在4个点位超出CCME限值；Se在所有采样点均超出CCME土壤质量限值。
地表水污染风险指数：计算了As、Co、Cu和Se的污染风险指数。Co和Cu在大约80%的点位处于背景水平（Pi < 1）。As的污染范围较广，从背景水平到特定点位的极强污染（Pi ≥ 5）均有分布。Se在大约80%的地表水点位显示出极强污染（Pi ≥ 5）。内梅罗指数（I）显示，27%的点位污染水平极低（I ≤ 0.7），而73%的点位呈现高污染水平（I > 3）。最高的I值出现在靠近采矿作业和尾矿的S1和S2点。
土壤污染风险指数：计算了9种PTEs的污染指数。大多数土壤样品中的Pb、As、Ni和Cr处于背景水平（Pi ≤ 1）。Cu、Zn、Cd和Se的污染更为明显。Cd在70%的点位呈现极强污染（Pi ≥ 5），而Se在其被检出的所有点位均呈现极强污染。内梅罗指数（I）显示，两个土壤采样点污染极低（I ≤ 0.7），而87%的点位呈现重污染（I > 3），反映了PTEs在整个MLM区域土壤中的大量积累。
组合环境污染风险指数（CRI）：CRI整合了每个点位的地表水和土壤污染数据。约20%的点位表现出安全污染水平（CRI ≤ 10），27%和33%的点位分别表现出低（10 < CRI ≤ 50）和中（50 < CRI ≤ 100）等污染风险。在采矿活动和尾矿沉积密集区的S1和S2点，记录到了极高的污染风险（CRI > 200）。
讨论
研究结果表明，MLM区域的地表水和土壤受到PTEs浓度升高的影响。地表水超标主要由As、Co、Cu和Fe驱动，而土壤超标则最显著地体现在Cd、Cu、Zn和Se上。污染风险指数进一步确定As和Se是地表水污染的主要贡献者，Cd、Cu、Zn和Se是土壤污染的主导贡献者。这种污染特征与金矿开采和尾矿影响环境的报道一致。
组合风险评估表明，污染并不仅限于紧邻尾矿的区域。虽然S1和S2点表现出极高的污染风险，但在远离采矿活动的点位也观察到了低至中度的污染。这种空间分布模式表明，污染源既包括点源（如尾矿渗滤和废水排放），也包括扩散源，如风吹扬尘、地表径流、农业活动、居民区输入和雨水输送。
S1和S2点CRI值升高与其分别靠近尾矿渗滤沟和污水处理厂出水口的情况一致。同样，在S12点观察到的污染风险增加可能归因于一条输送来自多个上游污染源水体的灌溉渠。这些污染途径增加了潜在的生态暴露和人类健康风险。
结论
本研究应用组合风险指数（CRI）评估了南非马特哈本地方市PTEs污染地表水和土壤所引起的累积环境污染风险。结果表明，As、Se、Cu、Zn和Cd是造成污染的主要贡献者。污染风险指数表明As和Se导致了广泛的地表水污染，而Cd、Cu、Zn和Se则导致了严重的土壤污染。通过CRI整合地表水和土壤污染数据，将大多数采样点归类为低至中等污染风险，而紧邻采矿作业和尾矿的点位则被归类为极高污染风险。这些发现凸显了采矿活动相关的点源和扩散源对MLM区域环境质量的影响。CRI为采矿影响区域的综合环境评估提供了一个实用且可推广的工具，有助于识别污染热点，并为环境管理和修复策略提供信息。
