华东冶金地质勘查研究院 安徽合肥 230088
摘要：硫化物金属矿山中的硫化矿物在空气、水和微生物作用下易被氧化、酸化并经雨水淋滤形成酸性矿山废水(AcidMineDrainage，AMD)。这些含有重金属离子的AMD随径流排入周边河流中，有些重金属通过生物富集或食物链放大，给局地生态系统乃至人类健康带来风险，同时重金属是一类具有潜伏性、长期性、累积性和不可逆性等特征的持久性有毒污染物，研究硫化物金属矿山污染防治技术有着重要的理论价值和实际意义。
项目以安徽省典型硫化物金属矿山为研究对象，选取若干典型硫化物金属矿山，以研究区土壤、地下水基础环境调查为依托，结合已有研究成果，在此基础上，对矿山进行污染调查和土壤、地下水污染因子分析，进行典型硫化物金属矿山土壤、地下水污染数值模拟，研究分析污染物的迁移转化规律；借鉴国内外土壤、地下水修复技术，提出典型硫化物金属矿山土壤、地下水修复一体化修复技术，为后期类似废弃矿山生态环境修复提供技术参考。
一、概述
安徽省位于华东腹地，长江、淮河中下游，东连江苏、浙江，西接湖北、河南，南邻江西，北靠山东，国土面积14.01万平方千米，占全国的1.45%，居第22位。截止2019年底，全省废弃矿山在区域上的分布状况：主要集中分布在合肥、宿州、宣城、滁州、淮南、淮北、安庆等市。
全省划分为7个废弃矿山生态环境问题影响严重区，面积9480.90平方公里；10个废弃矿山生态环境问题影响次严重区，面积10302.65平方公里。其中铜陵市-繁昌县废弃矿山生态环境问题影响重点区（Ⅰ5）位于铜陵市-繁昌县长江沿岸一带，面积1355.03平方公里。废弃矿山数为88个，规划治理废弃矿山35，无安排废弃矿山53个，此区域内硫化物金属矿较多。
本次选取的典型硫化物金属矿位于铜陵市-繁昌县长江沿岸一带范围内，初步选取安徽金安管业集团钟山铁矿、铜陵化工集团新桥矿等硫化物金属矿山进行研究。
安徽金安管业集团钟山铁矿，位于庐江县城东南30km处，行政区划属庐江县矾山镇管辖。水路经缺口可直达长江。排土场废水中主要超标污染物因子为pH、SS及Cu2+，主要是因为废土、石中含少量硫，经过空气的氧化及雨水的淋溶产生了大量的酸性废水。虽然矿区目前虽已建有废水治理设施，但由于工艺简单、操作不当、管理不善等多种原因导致废水不能实现稳定达标排放。矿山排放的酸性废水以及固体废弃物淋滤水将下渗，对土壤、地下水水质造成污染。
本文主要治理思路主要包括：
1、对典型硫化物金属矿山进行地质环境调查研究；
2、对选取的典型硫化物金属矿山，进行矿山土壤、地下水污染因子识别；
3、研究污染物在土壤、地下水中的迁移转化规律；
4、进行典型硫化物金属矿山土壤、地下水修复一体化修复技术研究。
二、背景和意义
中共十九大报告中明确指出，建设生态文明是关乎人类福祉的千年大计，国土空间生态修复是推进生态文明建设的重大举措。基于此，国土空间生态修复的目标不仅仅是以生态系统服务供给(人们切实消耗的生态产品或者利用的过程)或者潜在供给(生态系统可持续提供生态产品或者服务的能力)的增长为目标，而是基于社会经济手段，通过改善生态系统的结构及人地关系，提高其生态承载能力，实现生态-经济的良性循环。国土空间生态保护修复是当今中国生态文明建设的重要举措，旨在为人与自然和谐共生提供安全保障。新时代的国土空间生态保护修复工作既与以往生态保护修复有衔接，又有升华。生态保护修复对象从自然生态系统转向人地复合系统，尺度从局地环境改善变为多尺度国土空间生态保护修复，目标从单要素整治转向美丽人居环境系统修复与综合治理。
综上所述，建设生态文明是关乎人类福祉的千年大计，国土空间生态修复是推进生态文明建设的重大举措，随着社会主要矛盾的转化，人民对国土空间生态就有了更高的要求和期望。而矿山生态环境修复是国土空间生态修复的一部分，历史欠账多、问题积累多、现实矛盾多，需要在山水林田湖草生命共同体理论框架下，探索整体保护、系统修复、综合治理技术。
废弃矿山生态修复基础支撑能力有待提高。全省层面上的废弃矿山生态环境状况基本掌握，但对于一些重要功能区、主要矿产资源集中开发区等局域性高精度废弃矿山生态环境特征有待进一步调查。废弃矿山生态环境动态监测尚未开展，规范化、常态化、信息化监测工作有待建设。废弃矿山生态环境修复技术发展迅速，但我省废弃矿山生态修复多停留在矿山地质环境综合治理阶段。生态环境修复技术、新方法的研究、应用有待进一步拓展。
矿山开采造成一定程度的污染，土壤中的污染物质由于渗漏、灌溉、降雨淋溶等作用，向地下水中迁移，造成地下水污染。另一方面，由于地下水位的波动、径流和排泄，使地下水中的污染物浸润土壤，造成土壤-地下水双重污染，因此，土壤污染修复应该“水土并重”，然而我国目前土壤、地下水修复治理技术相对滞后。污染土壤与地下水修复基本都是单独处理。若将污染土壤与地下水集成于一个工艺，可简化处理流程，节省处理费用。本项目构建的污染物土壤-地下水一体化修复技术可为土壤、地下水修复提供一种新思路，符合能大面积应用的、廉价的、环境友好的物化稳定技术。
表1钟山铁矿废石腐蚀性分析结果表
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表2钟山铁矿废石浸出毒性试验结果表
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铜陵化工集团新桥矿业有限公司（以下简称“新桥矿”）是一座以硫为主，伴生铜、金、银、铁、铅、锌等多种金属元素的大型露天、地下联合开采的矿山。矿坑涌水量很大，为典型的大水矿山，水文地质条件复杂。矿床直接充水顶板栖霞组、间接充水顶板茅口组灰岩分布广，岩溶发育，富含岩溶裂隙水、矿体上下有松散破碎不稳定的透水带，矿体本身松散导水。矿床南东侧高骊山组砂页岩、五通组砂岩及志留系砂页岩为矿床的隔水底板，北西侧龙潭组、大隆组砂岩、硅质岩、硅质页岩为矿床的隔水顶板。矿区中部矶头岩株切断了南、北灰岩的连续性，阻滞了地下水的运动，将矿区分成东、西两个相对独立又有一定联系的水文地质条件复杂程度不同的单元，矿山水文地质条件复杂，矿山前期做过相关治理工作。
表3新桥矿土壤样分析结果表 单位：mg/kg
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表4新桥矿地表水水质分析结果表
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表5新桥矿地下水水质分析结果表 单位：mg/l（pH值、总硬度除外）
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三、治理初步思路
结合已有资料和研究成果，并深入矿山调查的基础上，分析了典型硫化物金属矿山地质环境特点；选取若干典型硫化物金属矿山的污染源和土壤、地下水污染因子；进行典型硫化物金属矿山土壤、地下水污染数值模拟，研究分析污染物的迁移转化规律，在此基础上借鉴国内外土壤、地下水修复技术适用性的的基础上，提出典型硫化物金属矿山土壤、地下水修复一体化修复技术。
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图2研究总体框架和技术路线
1、地质环境调查
本次调查为综合地质调查，重点确定污染的分布范围、构造地质及水文地质背景等。根据区域及矿山前期地质调查资料，选取适当剖面进行测量（1：5000）并采样，对以往做的勘探、测试等工作，经检验后计入调查记录。根据岩石破碎、应变特征确定区域地质构造特征，详细研究范围内水文地质特征。
开展调查工作按照以下步骤：
（1）初步调研，确定主要的研究区域；
（2）收集研究区域已有的构造地质、水文地质、钻孔、土壤资料以及地下水测井等资料；
（3）确定污染的分布范围；
（4）根据调研资料选择典型剖面，合理布设采样点和采样剖面，采集样品并进行地球化学测定分析，确定污染物的含量及赋存状态。
2、污染风险研究
(1)对研究区地层区选择适当地球化学剖面，对不同地层、不同程度的地表风化区、地下水渗流区以及构造破碎带附近进行地球化学采样，并在具有分析资质的实验室进行分析，重点测定污染物的含量变化特征，运用数理统计方法，检验分析结果，并统计其数值范围
（2）收集矿区影响范围内的土壤类型及普查数据，分析构造地质、岩层分布与土壤污染物含量的关系，在不同地貌区、不同植被覆盖区、不同水系选择典型剖面采集土样，分析土壤污染物含量的变化特征。
（3）在土样采样点附近区域合理采集地表水样、地下水样、植物样品，分析土样、水样和植物样品中的污染物含量及污染物赋存形态；
（4）综合污染物在土壤、地表水、地下水、植物样品内的含量分布状况和富集情况，同时考虑地形因素，建立污染物风险的评估体系，识别高风险地区。
污染物风险主要体现在污染物的流失，污染物的流失主要通过地表径流和渗漏实现。
大多研究认为污染物通过径流进入地表水体是污染物流失的主要途径，伴随着地表径流而发生的土壤侵蚀会使土壤中积累的污染物随水流发生迁移。当径流流经表层土壤时，不仅会通过侵蚀作用搬运细粒的土壤颗粒和轻质的有机物质，还会溶解各种形态的污染物。
因此，在进行污染物风险评估时，需对污染物的流失速率、流失范围进行相应的实验室研究和模型研究。
污染物污染风险评估指标体系：土壤侵蚀、地表径流、土壤污染物含量、植被覆盖、降雨强度、地下水位等。污染物的各因子根据其对污染物的贡献大小赋予相应的权重，并将各因子划分为若干等级，每一级别赋予相应的等级分值，反映该因子不同的取值对污染物危险性的影响大小。将各因子对应的等级级别分值与权重相乘再相加得到污染物指数PI，其计算公式为:
PI=∑(污染物流失影响因子等级分值×权重)
根据污染物指数进行污染物流失危险性分析，从小到大分为4类，分别对应特定的营养物和土地管理方案。强度很高和高的区域就是污染物发生流失的危险区。
3、污染物迁移行为研究
地球化学示踪法是利用测定某些化学元素如C、Mn、P及稀土元素等或者同位素（包括放射性同位素和稳定同位素）以及一些易于监测的化学物质，实现对某种物质的迁移转化规律的实时监控。
60年代地球化学示踪法特别是环境同位素方法的出现使水文学家耳目一新，这种方法是根据稳定同位素和放射性同位素在自然界中的变化来研究水循环。同位素示踪地下水运动是在传统的水化学方法上逐渐发展而来，最初的水化学方法是利用水中溶解的盐类示踪地下水与河水之间的相互补给转化。同位素的最初利用可追溯到Putman利用放射性同位素研究泰晤士河河湾盐分与淤泥的运动。
在研究地表水与地下水相互作用中，以前根据地下水位分布及其与地表水的水力坡度，加上一些水文地质参数来估算地表水与地下水之间的转化量（达西定律），但是对于研究水中物质的运移及地表水在多大程度范围上补给地下水，尤其是牵涉到地表水受到污染如何影响威胁地下水的补给，上述方法略显得捉襟见肘，此时环境同位素示踪方法，尤其是氘和氧-18示踪，成为便利有效的工具。
污染物从岩石向土壤、水体进行迁移，需采用地球化学示踪的方法追踪污染物的迁移轨迹，摸清其迁移转化规律，进而实现对污染物流失规律和通量的揭示。
本项内容主要是利用地球化学示踪（Mn、F/Cl、P/N、3H和CFC等）研究污染物矿石、风化物、地下水等污染物的含量、赋存状态，分析污染物的主要迁移途径及其与水循环的联系，结合降雨、入渗等机制的分析以及水量平衡计算，分析地下水循环速率，量化评估地质构造区地下水污染物的输移特征。
主要包括以下研究内容：
（1）污染物迁移的野外监测
选择典型地段包括冲沟地段、坡面地段以及有农田分布的地段。考察不同地段冲沟发育程度、坡面发育程度及降水强度、降水历时对污染物潴留、吸纳、贮存、迁移的影响；区别有农田覆盖和没有农田情况下污染物迁移机理和通量。
（2）污染物迁移室内模拟研究
构建降水强度、降水历时以及入渗岩性等条件变化对污染物潴留和迁移的影响模型；利用地球化学示踪(Mn、F/Cl、P/N、3H和CFC等)研究污染物矿石风化产物与地球水循环之间的关系，研究地下水循环速率，进一步研究污染物在其中的迁移规律。
（3）污染物迁移模型研究
在现场监测和室内模拟的基础上，结合国际上污染物迁移理论研究成果，开展冲沟地段污染物的潴留和迁移通量研究；坡面发育程度与污染物迁移的关系研究；农田覆盖与裸露地区污染物迁移规律以及人类活动所加剧的污染物迁移贡献研究等。
4、地下水流动数值模拟模型
揭示研究区污染物的形成和迁移转化机理。同时利用已有资料，结合数值模拟技术，建立研究区的地下水运移模型。当污染物通过下渗过程进入地下水体后，将会在地下水中进行相应的迁移转化，因此有必要对岩层的地下水流动和溶质运移状况进行相应的研究。基于VisualMODFLOW的强大功能，本项研究将针对研究区的地下水特征，通过收集岩层、潜水位、水质监测的钻孔资料，结合实地调研和补充监测，应用VisualMODFLOW软件建立研究区三维可视化有限差分地下水流动模型，并对模型参数进行率定和校验，模拟评估研究区地下水入湖量及污染物输入量，在此基础上评估地下水污染物输入对巢湖富营养化的贡献。
5、修复技术研究
污染修复技术：利用现场的水样和岩样，构建实验室物理模型；通过模拟试验，研究污染修复技术；将实验室模拟结果，应用到典型现场，进行验证研究，找出问题，再返回到实验室模拟，这样反复验证，寻找最佳条件。
污染土壤修复技术可分为：(1)改变污染物在土壤中的赋存形态或同土壤的结合方式，降低其在土壤中的迁移性与生物可利用性；(2)去除土壤中污染物总量；(3)改变种植制度，避免污染物在食物链中传递。具体方法有化学稳定、土壤淋洗、热处理、电动修复、生物修复法和农艺措施等，每种方法都存在其优缺点。地下水污染处理方法从原理上可分为化学处理技术、生物学处理技术(生物学、生物化学、生物吸附)、物理化学处理技术等。
在以上工作的基础上，整理和分析所得的各类资料，结合具体的技术参数和水文地质条件提出安徽省典型硫化物金属矿山土壤、地下水一体化修复技术，绘制相关图表。
参考文献
[1]梁媛.重金属污染土壤与地下水一体化修复新技术研究.博士论文，2015.4
[2]孟高原.安徽沿江地区硫铁矿资源调查评价.硕士论文，2010.4