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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (12): 2154-2168  
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刘瑞平, 徐友宁, 张江华, 陈华清, 何芳, 乔冈, 柯海玲, 史宇飞. 青藏高原典型金属矿山河流重金属污染对比[J]. 地质通报, 2018, 37(12): 2154-2168.
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Liu R P, Xu Y N, Zhang J H, Chen H Q, He F, Qiao G, Ke H L, Shi Y F. A comparative study of the content of heavy metals in typical metallic mine rivers of the Tibetan Plateau[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(12): 2154-2168.
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基金项目

中国地质调查局项目《青海矿业开发地质环境效应调查》(编号:1212011220224)、《秦岭及宁东矿产资源集中开采区地质环境调查》(编号:DD20160336)及自然资源部行业科研专项《矿集区地球化学环境累积效应及预警研究》(编号:20111020)、陕西省自然科学基础研究计划项目《金矿区水气界面发生交换作用下的河流汞迁移转化规律研究》(编号:2015JM4129)和中央高校科研业务费基础研究计划项目(开放基金)《金矿区不同转化类型潜流带中挥发性Hg的运移关键参数测定与影响因素研究》(编号:310829161128)

作者简介

刘瑞平(1979-), 女, 硕士, 高级工程师, 从事矿山环境研究。E-mail:lrp1331@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-01-10
修订日期: 2018-06-20
青藏高原典型金属矿山河流重金属污染对比
刘瑞平1,2,3,4 , 徐友宁1,2,3,4 , 张江华1,2,3,4 , 陈华清1,2,3,4 , 何芳1,2,3,4 , 乔冈1,2,3,4 , 柯海玲1,2,3,4 , 史宇飞1,2,3,4     
1. 中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
2. 自然资源部矿山地质环境陕西潼关野外科学观测基地, 陕西 潼关 714300;
3. 中国地质调查局干旱半干旱区地下水与生态重点实验室, 陕西 西安 710054;
4. 自然资源部黄土地质灾害重点实验室, 陕西 西安 710054
摘要: 为研究青藏高原金属矿山勘探、开采、闭坑阶段不同开发阶段河流重金属污染的严重程度,通过野外调查,室内测试分析,对比5个金属矿山河流重金属元素含量、污染指数沿程变化,得出以下结果:①勘探阶段和闭坑后河流水质污染较小,开采阶段矿业活动对河水水质污染较大。②As、Pb、Cd、Cu和Zn五种元素是金属矿山的特征污染物。开采矿区中德尔尼铜矿区、下柳沟铅锌矿、甲玛矿区河流均有重金属元素污染,微碱性环境中德尔尼铜矿区,主要污染物为As,单项污染指数为0~10.6;下柳沟铅锌矿Pb、Cd、Cu和Zn元素单项污染指数分别为0.2~2.1、0~55、0.4~24、0.3~1550;偏酸性环境中甲玛矿区的特征污染物主要为Cu、Cd。其中Cu、Cd单项污染指数为0~4174、0~4;勘探矿区大场金矿、闭坑矿区罗布莎铬铁矿区河流未出现污染元素。③青藏高原5处典型的高海拔山地矿山河流由于稀释作用重金属流经2km后达到安全水平,研究结果可为青藏高原矿山开采中河流水环境保护提供参考依据。
关键词: 青藏高原    金属矿山    河流    重金属污染    
A comparative study of the content of heavy metals in typical metallic mine rivers of the Tibetan Plateau
LIU Ruiping1,2,3,4, XU Youning1,2,3,4, ZHANG Jianghua1,2,3,4, CHEN Huaqing1,2,3,4, HE Fang1,2,3,4, QIAO Gang1,2,3,4, KE Hailing1,2,3,4, SHI Yufei1,2,3,4     
1. Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Shaanxi Tongguan Field Scientific Surveys Base of Mine Geological Environment, MNR, Tongguan 714300, Shaanxi, China;
3. Key Laboratory for Groundwater and Ecology in Arid and Semi-arid Area, CGS, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
4. Key Laboratory for Geo-hazards in Loess Area, MNR, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: In order to study the severity of heavy metal pollution in the exploration, exploitation and closure of metal mines in the Tibetan Plateau, the authors made a comparative study of the heavy metal content and pollution index variation along the rivers in five metal mines. The results show that the water quality of the river is relatively insignificantly affected during the exploration stage and the closure of the pit, whereas the mining activities cause more pollution to the river water quality. (2)As, Pb, Cd, Cu and Zn are the characteristic pollutants of metal mines. Rivers in Deerni copper mine, Xialiugou lead-zinc mine and Jiama mine show heavy metals pollution; in the slightly alkaline environment of Deerni copper mining area, the main pollutant is As, with single pollution index being 0~10.6; the single pollution indexes of Pb, Cd, Cu and Zn elements of Xialiugou lead and zinc deposit are 0.2~2.1, 0~55, 0.4~24, and 0.3~1550 respectively. The characteristic pollutants of the Jiama mining area in an acidic environment are Cu and Cd. The single pollution indexes of Cu and Cd are 0~4174 and 0~4 respectively. There is no pollution element in the river of Rolosa chromium iron ore mining area. (3)The heavy metals of five typical high altitude mountain mine rivers in the Tibetan Plateau reach the safety level after the rivers flow a distance of 2km. The results obtained by the authors provide a reference basis for water environmental protection.
Key words: Tibetan Plateau    metal mines    river    heavy metal pollution    

金属矿业开发引起地表水体重金属污染风险[1-6],进入河水的重金属与有机聚合物或粘土矿物发生反应,形成络合物或螯合物,最终沉淀并积聚在沉积物中[7]。水中的重金属元素更容易在进入食物链的动物体内传播和积累[8-9]。总体而言,河流重金属元素主要分布在水、沉积物、悬浮物介质中,不断迁移和传输。它们经历了一系列的物理、化学和生物转化,给生物种群带来了风险。

青藏高原作为中国的“水塔”,且地处高寒高海拔生态脆弱区,又为中国的矿产战略储备基地,矿产资源开采不可避免地导致青藏高原河流重金属污染[10-14],河流上游一旦污染,将对下游村民、牲畜等的安全饮水及各种农作物和经济作物的正常生长产生一定影响,然而针对青藏高原矿产资源开发引发的河流重金属污染鲜有报道[15-16],本文对比研究5个金属矿山河流重金属含量、污染程度沿程变化情况,探讨金属矿山勘探、开采、闭坑阶段不同开发阶段的河流污染严重程度和纳污能力,为青藏高原矿山开采中地质环境保护提供可参考依据。

1 研究区背景概况

青藏高原近年来发现大量的金属矿床,本文选取上述5处典型的高海拔山地矿山(表 1图 1),土质为高寒草甸土,均在三江源和祁连山自然保护区内。2013年、2014年采集5个矿区样品66组。其中德尔尼河、大场河、下柳沟河、色布浦沟和玛吉沟河水样分别为9、10、4、9和4组;为研究其矿业活动、背景值、pH等要素的影响,本次采集德尔尼铜矿、大场金矿、下柳沟铅锌矿、甲玛铜矿区和罗布莎铬铁矿区土壤样4组、6组、3组、5组和2组;采集矿石、围岩、底泥等样品4组,分别是大场金矿矿石样1组,德尔尼铜矿矿石样1组、围岩样1组、底泥样1组;甲玛铜矿区和罗布莎铬铁矿区泉水样分别为1组和2组;下柳沟铅锌矿和德尔尼铜矿分别采集废水样1组和2组。各矿区采样位置详见图 2-图 6

表 1 五个金属矿山环境地质背景概况 Table 1 The environmental geological background of five metal mines
图 1 青藏高原典型矿区分布 Fig.1 The distribution of typical mining areas in the Tibetan Plateau
图 2 德尔尼铜矿区河流样品分布 Fig.2 The distribution of river samples in Deerni copper mining area
图 3 大场金矿区河流样品分布 Fig.3 The distribution of river samples in Dachang gold mining area
图 4 下柳沟铅锌矿区样品分布 Fig.4 The distribution of river samples in Xialiugou lead-zinc mining area
图 5 甲玛铜矿区河流样品分布 Fig.5 The distribution of river samples in Jiama copper mining area
图 6 罗布莎铬铁矿样品分布 Fig.6 The distribution of river samples in Luobusha chrome-iron mining area
2 评价方法 2.1 样品采集与分析

为研究不同金属矿山开发阶段矿业活动对周边地表水物理化学性质的影响,对有代表性的取样点采集水样,进行水质重金属元素分析。取样点布设遵循“面上控制、局部加密”的原则,同时也兼顾河水背景值和矿业活动点对河水影响点的获取。矿业活动影响的河水包括尾矿库、废渣堆放场、选矿厂、生活区等处排泄的地表水体,对流经的河流上下游主河道采用1/1km布点。

对采水样润洗2~3次,采样完毕后确保瓶内不留气泡并密闭不泄露。河水样在河流中间或其流动部分中采集1L。所有样品在野外就地加硝酸酸化至pH < 2。确保4天内将样品送到实验室分析测试;固体样品采集1kg,湿态固体样自然风干后碎样送到实验室;干态固体样直接送到实验室碎样测试分析。

对pH值、温度等易随环境变化而改变的指标,现场用便携式水质分析仪(HACH)当场测试。重金属元素含量由中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心采用全谱直读等离子体光谱仪ICP、等离子体质谱仪ICP-MS、原子荧光光度计AFS- 2202E测定, 测试依据参照标准DZ/T0223—2001,GB/T 5750.6—2006,DZG20—05。

2.2 评价标准及评价模型

由于5处矿山位于自然保护区范围,笔者依据GB3838—2002地表水Ⅰ类水质标准计算污染物单项污染指数和综合污染指数,用于评价青藏高原金属矿区河流水质中重金属单项和综合污染程度[21-22]

计算公式详见公式(1)、(2),地表水的评价等级见表 2表 3

表 2 地表水重金属污染等级 Table 2 Heavy metal pollution grades of surface water
表 3 地表水综合污染评价分级 Table 3 Grading of surface water comprehensive pollution evaluation
$ 单项污染指数P = {C_{\text{i}}}/{C_0} $ (1)

式中:P—单项污染指数;Ci—地表水某点样品中某污染物的实测含量(地下水单位mg/L,土壤单位mg/kg);C0—地表水国家标准中某污染物的限值(地下水单位mg/L,土壤单位mg/kg);单项污染指数大于1,表明该污染物超过国家地下水或土壤中相应的污染物限值。其值愈大,表明超标愈严重。

$ 综合污染指数Pz = \sqrt {\frac{{{{\left( {{{\bar p}_{\text{i}}}} \right)}^2} + {{\left( {\max {p_{\text{i}}}} \right)}^2}}}{2}} $ (2)

式中:Pz—地表水中综合污染指数;maxPi—同一样品中多种污染物中最大的单项污染指数;(pi) —同一样品中多种污染物中单项污染指数的平均值。

3 结果与分析 3.1 测试结果

表 4可知,5个矿区河水中重金属均有检出。德尔尼铜矿区河水pH值为8.17~8.75,微碱性环境,检出的重金属元素为Cr、As、Cu、Zn,原始含量范围分别在0.001~0.004mg/L、0.004~0.265mg/L、0.001~ 0.003mg/L、0.002~0.004 mg/L之间。其中,As元素最高值和平均含量(0.091mg/L)远高于其他4个矿区。

表 4 德尔尼矿区河水中重金属元素含量及pH值 Table 4 The heavy metals concentrations and pH of surface water in Deerni River of typical mining areas

大场金矿流径的大场河pH值为8.03~8.62(同时间段内相邻河流监测的pH值),检出的重金属元素为Pb、Cr、As、Cu、Zn,原始含量范围分别在0.001~0.002mg/L、0.002~0.0005mg/L、0.002~0.039 mg/L、0.004~0.006mg/L和0.003~0.008mg/L之间。含量较低。

下柳沟铅锌矿流经的下柳沟河主体水质pH值为8.22~8.44(同时间段内相邻河流监测的pH),河水除Hg元素外,其他重金属均检出,其含量范围分别为0.006~0.014mg/L、0~0.001mg/L、0.004~ 0.013mg/L、0.002~0.005mg/L、0.004~0.019mg/L、0.006~0.039mg/L。河水中Pb、Cr、Zn含量的最高值在5个矿区中最高。Cu元素最高值仅次于甲玛铜矿。

甲玛铜矿位于色布浦沟一级支流莫古浦源头,在距布浦沟调查点S17.7km处莫古浦汇入色布浦沟S3,此时汇入点(河水pH=3.9)水质浑黄,具有硫磺味,色布浦沟水体pH值为7.5~7.6,检出的重金属元素为Cd、As、Cu,其含量范围分别为0~0.004mg/L、0.001~0.004mg/L、0.01~41.74mg/L。河水中Cu元素最高值和平均值在5个矿区中最高。

罗布莎铬铁矿玛吉沟水质较好,pH值为7.3~ 7.7,只有As检出,含量较低。

德尔尼河主要超标元素为As(图 7),其单项污染指数变化范围在0~10.6之间,Pi≥5.0为极严重污染;其他元素的单项污染指数小于1,安全。综合污染指数为0.18~7.76,即在1.04km处河流的河水重金属综合污染指数为7.76,该断面综合污染程度为重污染,河流经过0.39km的自净后达到安全级别。

图 7 德尔尼铜矿区河流重金属水质沿程评价 Fig.7 The evaluation of heavy metals along the river in Deerni copper mining area

图 8可知,大场河重金属元素单项污染指数和综合污染指数均小于1,水质处于安全级别,但重金属元素Pb、Cr、As、Cu、Zn的高值主要出现在5.5~ 10km的大场金矿过采区,但由于防污自净能力可能下降,增大了地下水的污染机率,对地下水环境造成了严重威胁。

图 8 大场金矿区河流重金属水质沿程评价 Fig.8 The evaluation of heavy metals along the river in Dachang gold mining area

下柳沟河受矿坑废水排放的影响,Pb、Cd、Cu和Zn元素单项污染指数分别为0.2~2.1、0~55、0.4~ 24、0.3~1550(图 9),Pb元素的单项污染程度达到轻度污染,Cd、Cu和Zn元素单项污染程度达到极重度污染;其余重金属元素单项污染指数小于1,安全。综合污染指数为0.3~1108.3,即中游河段污染水平达到极严重污染水平。水质在中游地段受矿坑废水排放的影响,经过1.81km到达出山口,达到安全水平。

图 9 下柳沟铅锌矿河流重金属水质沿程评价 Fig.9 The evaluation of heavy metals along the river in Xialiugou lead-zinc mining area

图 10可知,色布浦沟特征污染物主要为Cu、Cd。其中Cu单项污染指数为0~4174,单项污染程度为极重度污染;Cd单项污染指数为0~4(重度污染),其余重金属元素单项污染指数均小于1,安全。综合污染指数为0~4216,重金属污染断面主要出现在距上游7.7km处。位于甲玛矿区主要矿业活动区内及其下游一定距离,经过1.9km后水质变为安全。

图 10 甲玛矿区色布浦沟水质沿程评价 Fig.10 The evaluation of heavy metals along the Sebupu River in the Jiama mining area

玛吉沟未见特征污染物, 只有下游有As元素检出,单项污染指数均小于1,安全(图 11)。

图 11 罗布莎矿区玛吉沟河水质沿程评价 Fig.11 Evaluation diagram of heavy metals along the Maji River in the Lobsshar mining area
3.2 河水pH值对重金属离子的影响

经过对比(表 4图 7图 11)可知,青藏高原5处典型矿区的pH值中4处为微碱性环境,只有甲玛驱龙铜矿从强酸性变为碱性,强酸性环境促进了一些呈现碱性的重金属元素的释放, 采样点位于甲玛铜矿矿业活动下游,可能由于原生本底值为酸性(2008年新建矿山前监测地表水pH值为4.98~ 7.78),长春黄金设计院认为甲玛铜矿水体本底属强酸性Cu、Fe、Mn重金属离子超标的水系,明显受到区域成矿带的地球化学背景值影响,且受矿业活动影响,水质pH值发生改变。

3.3 矿业活动阶段对河水中重金属离子的影响

在矿业活动区,无论是超标重金属元素还是未超标重金属均会产生响应,如德尔尼铜矿1.04km处位于废水排放、尾矿库影响的范围,色布浦沟河的5.3~9.6km途经甲玛铜矿矿权范围或是大场河流径大场金矿过采区时,重金属呈增加趋势等。

勘探阶段(大场金矿)和闭坑后(罗布莎铬铁矿)河流水质污染较小,所检测的重金属均未超标;开采阶段矿业活动对河水水质污染较大,如开采阶段的下柳沟铅锌矿、德尔尼铜矿区、甲玛矿区出现了Pb、Cd、Cu、Zn、As等元素的超标,一些重金属元素超标倍数程度可达1550倍(表 5)。

表 5 典型矿区废水中重金属元素含量和pH值 Table 5 The heavy metals values and pH in waste water samples of the typical mining areas
3.4 开发不同矿种对河流水质中重金属离子的影响

以重金属元素超标的矿区为例,铜矿开采区(甲玛铜矿和德尔尼铜矿为例)色布浦沟河酸性条件超标重金属元素为Cu、Cd;德尔尼河为As。铅锌矿区(以下柳沟铅锌矿为例)为Pb、Cd、Cu和Zn四种元素。

高背景值含量为河流重金属含量增高提供了物源,前人从成矿背景条件中提供了证据,如甲玛矿区[23-24],下柳沟铅锌矿的Pb、Cu和Zn[25-27]。本文从监测河流周边的土壤、矿石、围岩中元素含量等角度研究了矿区河水重金属超标的物质来源(表 6表 7),如甲玛矿区的Cd、Cu元素的土壤背景值分别为0.11~0.44mg/kg、21.9~447mg/kg,高于国家土壤环境质量标准(GB15618—1995)自然保护区标准0.2mg/kg、35mg/kg,德尔尼铜矿的土壤As含量为16~41.94mg/kg,矿石中As元素含量为36mg/kg,高于标准0.2mg/kg,下柳沟铅锌矿Pb、Cd、Cu和Zn分别为46.0~910mg/kg、0.37~6.72mg/kg、28.0~ 450mg/kg、84.0~1300mg/kg,均远高于土壤标准值。当然,重金属元素较高的背景值不一定导致该元素超标,如罗布莎铬铁矿区土壤中6种重金属(除Hg)均超标,但河水水质较好,可能与其水文地质条件和各元素的地球化学性质有关,如罗布莎上游有清洁的泉水(表 7)。

表 6 典型矿区土壤重金属元素含量及pH值 Table 6 The heavy metals values and pH in soils of the typical mining areas
表 7 典型矿区矿石、废渣样中重金属元素含量和pH值 Table 7 The heavy metals values and pH in sediment samples, discarded residues samples of the typical mining areas
表 8 典型矿区泉水中重金属元素含量和pH值 Table 8 The heavy metals values and pH in spring samples of the typical mining areas

发现另一部分是矿山开采添加物导致河流中元素增加[28-32], 调查发现下柳沟铅锌矿废水水质Pb、Cu、Cd和Zn出现超标的现象(表 5)。如果选冶工艺提高,控制得当,对下游河水水质影响较小,如德尔尼废水水质均达标(表 5)。

3.5 河流净化程度

以上述3个矿区为例,河水中重金属经过0.39~ 1.9km达到安全水平。首先受到地形地貌影响,在地形相对平缓的低山丘陵地貌的大场金矿,流速缓慢,相对滞缓,流量较小,降解速率相对缓慢;而在地形为高山峡谷地貌的德尔尼铜矿,流速快,流量大,降解速率相对快。其次还与矿山开发规模、污染排放方式、强度等因素有关。单一污染方式污染物排放量小影响程度可能低;而复合污染方式,排放强度大,加之大范围历史遗留问题可能对河流净化程度产生影响。

4 结论

(1)通过5个矿山的探讨,德尔尼铜矿、甲玛铜矿、下柳沟铅锌矿污染程度在重度以上,影响因素高背景提供了丰富的物源条件,同时不合理的采选工艺增加了河水重金属含量,地形水文条件、矿山开发规模、污染排放方式、强度也是重要的影响因素。

(2)勘探阶段和闭坑后河流水质污染较小,开采阶段矿业活动对河水水质污染较大,矿山企业应重视开采阶段的河流防治。同时研究区选取三江源、祁连山水资源重点保护区,切实做好防治工作,对三江源、祁连山等国家水资源重点保护区起积极作用。

(3)As、Pb、Cd、Cu和Zn五种元素是金属矿山的特征污染物,矿山河流重金属污染一部分矿区背景值含量较高,另一部分是矿山开发导致河流中重金属元素增加,因此最好能开发新工艺以减少废水、废渣淋滤液对河流的污染。

(4)青藏高原5处典型的高山峡谷区金属矿山河流受到单一矿山影响,河水流经2km后重金属元素达到安全水平,一定程度上反映了青藏高原大型矿山河流的纳污能力。

致谢: 青海水勘院张盛生、贾升安同志和四川省地质矿产开发局九一五水文地质工程地质队曾文钊、杨与靖在野外进行样品采集,西北地质调查测试中心对样品进行测试分析,在此一并致谢。

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