藏北地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中重金屬污染環(huán)境承載力探討

羅玉虎 王楠

摘 要：礦山污染環(huán)境承載力是規(guī)范礦山文明開發(fā)、保障生態(tài)安全的重要工作。藏北地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境一直以來是阻礙地區(qū)礦業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。因此，有關(guān)藏北地區(qū)重金屬污染環(huán)境承載力的研究亟待開展。論文指出未來藏北地區(qū)礦山污染環(huán)境承載力的研究，應(yīng)該從礦山污染的特征出發(fā)，以流域為單元將藏北地區(qū)礦山重金屬污染環(huán)境承載力的研究分為，河道生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境承載力和末端湖泊生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境承載力兩個主要部分進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：礦山污染；藏北；重金屬污染；環(huán)境承載力

中圖分類號：X825 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0054-04

Abstract： The environmental carrying capacity of mine pollution is an important work to standardize the development of mine civilization and ensure the ecological security. The fragile ecological environment in northern Tibet has always been the main factor hindering the development of regional mining economy. Therefore， it is urgent to study the environmental carrying capacity of heavy metal pollution in northern Tibet. The paper points out that the future study on the environmental carrying capacity of mine pollution in northern Tibet should be based on the characteristics of mine pollution and divide the study of environmental carrying capacity of mine heavy metal pollution in northern Tibet into four parts： the river basin as a unit； The environmental carrying capacity of river ecosystem and the environmental carrying capacity of lake ecosystem were analyzed.

Keywords： mine pollution； North Tibet； heavy metal pollution； environmental carrying capacity

環(huán)境承載力是指在一定時期和一定范圍內(nèi)，在維持區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生質(zhì)的改變，區(qū)域環(huán)境功能不朝著惡性方向改變的條件下，區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)所能承受的人類各種社會經(jīng)濟的能力[1]。近年來，學(xué)者做了大量有關(guān)生態(tài)環(huán)境承載力方面的研究，包括：城市、河流與地下水水資源、旅游資源、土地與區(qū)域等類型環(huán)境承載力的論證與分析。許多學(xué)者通過引用或改進(jìn)，探索出了許多適應(yīng)生態(tài)環(huán)境承載力評估的方法。如謝高地等（2011）總結(jié)到的概念模型法、供需分析法、指標(biāo)體系法、系統(tǒng)動力學(xué)法、多目標(biāo)決策分析法、生態(tài)足跡法、能值分析法等方法[2]，以及層次分析法或灰色層次分析法[3]。這些方法在污染物環(huán)境承載力研究中均有應(yīng)用。但在評估礦山重金屬污染的環(huán)境承載力上，卻無法達(dá)到對癥下藥的效果，原因是上述這些方法模式均存在不同程度的指標(biāo)概念化、難以針對具體對象或指標(biāo)建立對應(yīng)的管控值等問題。

西藏地區(qū)存在有大量的礦產(chǎn)資源，特別是藏北地區(qū)獲得重大找礦突破，奠定了西藏在我國礦產(chǎn)資源接替基地的地位及其未來經(jīng)濟發(fā)展的主體產(chǎn)業(yè)。然而礦產(chǎn)開發(fā)必然伴隨污染問題。西藏是以內(nèi)流水域為主的高脆弱生態(tài)地區(qū)，一旦生態(tài)受到破壞將難以修復(fù)。因此，探討西藏地區(qū)重金屬生態(tài)環(huán)境承載力，是規(guī)范礦山文明開發(fā)、保障生態(tài)安全的重要工作。

1 礦山重金屬污染生態(tài)環(huán)境承載力研究的意義

重金屬污染不同于其它污染類型，只能從一種賦存形式轉(zhuǎn)換為另一種賦存形式，只要它暴露在環(huán)境中，污染危害的風(fēng)險永遠(yuǎn)都是存在的，它遵循的規(guī)律是生態(tài)學(xué)與地球化學(xué)二者的結(jié)合。而其它類型污染分析方法不太適合重金屬分析，所以盡管重金屬污染問題屬于社會熱點問題，但因其環(huán)境承載力研究難度較大，因此該方面的研究少之又少。僅有一些研究，還是以定性概念賦值化進(jìn)行建模的研究方法居多[4-8]。這些研究的結(jié)果均不存在與指標(biāo)一一對應(yīng)的具體物理單位，無法直接服務(wù)于預(yù)防體系的指標(biāo)框架。

西藏礦集區(qū)大多分布在與江河大海隔絕的藏北內(nèi)流水系流域內(nèi)，是西藏敏感生態(tài)脆弱區(qū)。緊缺礦產(chǎn)作為國家建設(shè)的重要戰(zhàn)略物資，毋庸置疑，是國家建設(shè)不可或缺和迫切需要的資源，也是未來西藏實現(xiàn)經(jīng)濟突破、生產(chǎn)力實現(xiàn)跨域式發(fā)展的自然資源基礎(chǔ)。而礦產(chǎn)資源的開采必然會引起環(huán)境污染，這就要求礦產(chǎn)礦業(yè)活動引起的污染必須維持在生態(tài)環(huán)境所能承受的范圍之內(nèi)。因此，西藏地區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力的研究是保護(hù)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境不受破壞的有力保障。

2 藏北地區(qū)礦山環(huán)境承載力研究

生態(tài)環(huán)境承載力是生態(tài)學(xué)的基本規(guī)律之一，是一個客觀現(xiàn)實的生態(tài)指標(biāo)，它不以礦床存在與否、不以礦山開采與否作為存在前提、不以開礦規(guī)模大小而出現(xiàn)漲縮，而是以自然生態(tài)系統(tǒng)健康運轉(zhuǎn)前提下對承載對象的負(fù)面效應(yīng)的忍耐極限和生態(tài)系統(tǒng)自主修復(fù)與自主協(xié)調(diào)能力為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

要研究藏北礦山污染生態(tài)環(huán)境承載力，就必須了解在藏北地區(qū)地理特點及其污染物從礦區(qū)到末端湖遷移輪廓與擴散范圍，并依據(jù)重金屬在水系生態(tài)系統(tǒng)中地球化學(xué)與生物地球化學(xué)自然循環(huán)規(guī)律、重金屬污染物的惰化沉積機理分析藏北地區(qū)的環(huán)境承載力指標(biāo)。

2.1 藏北礦山污染的特點

（1）對于礦區(qū)污染的范圍與特點，可以依據(jù)前人對拉薩市當(dāng)雄縣拉屋礦區(qū)（Cu-Zn-Pb礦）周邊高寒草甸表層土壤重金屬含量及微生物影響的分析結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行初步判斷[9-11]，可以獲得一個大致輪廓：以礦區(qū)工作面作為中心，在工作面外圍200m以外，其土壤的重金屬已十分輕微，500m以外生物影響基本可以忽略。

（2）礦區(qū)污染物遷移途徑主要由降水淋漓導(dǎo)致發(fā)生氧化作用以及選礦產(chǎn)生的酸性廢水匯入周邊河流。

（3）河流中礦山污染物對兩岸土壤的污染主要體現(xiàn)在河流一階階地。

（4）河流污染具有區(qū)段特征，在重污染區(qū)段內(nèi)，離源區(qū)愈近沉積物和兩岸一階階地土壤所受到的污染愈重。

（5）污染物通過流域水系最終匯集到共同目標(biāo)，在外流水系是大海，在內(nèi)流水系是末端湖。

2.2 適合于西藏特色的礦山污染承載力評估的框架

雖然作為西藏資源環(huán)境與生態(tài)保護(hù)和建設(shè)中的兩大主要難題之一-資料的缺乏使得生態(tài)環(huán)境容量很難進(jìn)行準(zhǔn)確評估[12]；而且，內(nèi)流水域的流域特征也使其顯現(xiàn)出不同于外流水系的重金屬污染特點，并由此引出不同于外流水域的污染生態(tài)環(huán)境承載力的評價側(cè)重點-末端湖泊。從藏北礦山污染在內(nèi)流水系時空特征分布上看，可以分割成兩個區(qū)塊：輸送體系（河流）、和匯集惰化沉積體系（末端湖泊）。

2.2.1 河道生態(tài)環(huán)境承載力分析

眾多河流重金屬污染研究表明，河水中重金屬的濃度較高時，河水環(huán)境惡化，pH、Eh、溶解氧降低致使重金屬污染物沉積和吸附在河道沉積物中，并形成較上覆水體中的濃度要高很多的情形；當(dāng)河流環(huán)境條件得到良好地控制，如pH、Eh、溶解氧及溫度等向正常恢復(fù)時，重金屬沉積物被氧化重新轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)釋放入河水，直至河水重金屬含量與河床含量達(dá)到平衡。由此可見，河流中重金屬污染物具有動態(tài)平衡特征，因此會對水體造成二次污染的風(fēng)險較大[13]。

受采礦活動的影響，重金屬的濃度以污染源為最高，由上游至下游，隨金屬元素遷移能力減弱和水體生物修復(fù)能力的恢復(fù)，污染強度逐漸降低[14]，河道污染長度取決與所排放的強度（濃度與持續(xù)時間）[15]，河道中重金屬沉積不服從重金屬濃度-空間的衰減模式，而與河道幾何學(xué)和地形學(xué)的局部變化及其變化幅度存在函數(shù)關(guān)系[16]。由于藏北為牧業(yè)區(qū)，沒有灌溉作業(yè)，所以可能出現(xiàn)的由礦山排污導(dǎo)致的重金屬污染以河流兩岸一階階地為主，不存在河流兩岸二階以上階地的污染問題。

由此確定，河流重金屬污染控制的基本原則是控制污染排放濃度，使在河流擴散以后的濃度不會發(fā)生河道沉積趨勢，不會對一階階地土壤造成累積性污染，不會造成在一階階地生長的植物的重金屬含量顯著增加。

在此原則下，可以將河道對重金屬污染物的環(huán)境承載力表述為：在排污口附近不會形成沉積趨勢、污水在河水?dāng)U散開后不會改變河水基本理化特性，污水排放口以下河段兩岸一階階地上的植被對重金屬基本不出現(xiàn)超背景植物富集值的富集作用；可將重金屬污染物的環(huán)境負(fù)載紅線表述為：污水在河水?dāng)U散開后不會在主河道形成沉積趨勢，污水排放口以下500m以內(nèi)河段兩岸一階階地上的植被不發(fā)生危機食物鏈安全的重金屬異常富集、不對河道水生植物及兩岸一階階地上的植被產(chǎn)生生長與結(jié)實影響。

2.2.2 末端湖泊環(huán)境承載力分析

末端湖泊是流域物質(zhì)的匯集中心，是所有形態(tài)的可遷移重金屬的永久歸宿地。由于重金屬的不可降解屬性，進(jìn)入湖泊的可溶性重金屬主要經(jīng)過形成穩(wěn)定的惰性沉積物的途徑來清除，從而保持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的安全性。

湖泊重金屬惰化沉積作用取決于還原態(tài)硫（H2S、HS-、S2-、單質(zhì)硫S0）的存在。研究也表明多種重金屬如鐵、鋅、銅、鎳、鎘、汞和鉛可以用還原硫沉淀[17-18]。由于形成的金屬硫化物溶解度極小，得以使他們惰性化并保持在沉積物中，只要保持缺氧狀態(tài)，他們將會永久脫離水系循環(huán)、永久保持在沉積物中[19]。在某些高硫酸鹽環(huán)境中，所形成的大量硫化物可以很容易地修復(fù)重金屬污染，在某些低重金屬污染的水域，甚至?xí)蛉狈ξ⒘拷饘俣鴮ξ⑸锖椭参锂a(chǎn)生制約作用[20]。

從重金屬硫化物的溶度積常數(shù)[21]進(jìn)行理論推測，自然水體或湖底沉積物界面中只要保持有還原態(tài)硫的存在，所有重金屬離子均會在一個非常低的濃度水平附近波動，這是湖泊重金屬自凈作用的原理基礎(chǔ)。與其它重金屬硫化物相比較，硫鐵礦和硫錳礦溶度積較高，在10-14～-18量級，其余均在10-20量級以下，因此只要有硫鐵礦、硫錳礦形成，就標(biāo)志著其它重金屬含量已達(dá)到非常低的水平。

一個健康湖泊生態(tài)系統(tǒng)，在其湖水-沉積物界面或底層水體中，存在一個硫酸鹽還原為主要反應(yīng)方向的硫酸鹽還原菌群體系，硫酸鹽在硫酸鹽還原菌的作用下，被還原為負(fù)二價的硫，再在其它微生物群的作用下進(jìn)一步氧化為其它硫形態(tài)。這樣水體中硫存在的形式包括了硫酸鹽（SO42-）、硫化物（H2S、HS-、S2-）、單質(zhì)硫（S0）、過渡態(tài)S（S2O32-）和有機硫（R-SH和R-S-R'）。硫酸鹽還原是伴隨著對有機碳的氧化形成堿度和硫化氫產(chǎn)生而完成的。有研究表明，硫酸鹽的還原還是產(chǎn)生堿度的過程，每還原1g SO42-能產(chǎn)生1.042g堿度（CaCO3），使水體pH上升[22]。另一方面硫酸鹽還原生成的H2S擴散進(jìn)入上覆水中，可以被氧化生成中間價態(tài)的硫，同時生成的H2S可迅速與水體中的重金屬反應(yīng)生成溶解度很低的金屬硫化物沉淀。相對于來源于生物同化作用的有機硫（R-SH和R-S-R'）對硫沉積的貢獻(xiàn)率很低。一般水體硫酸鹽濃度對水體生物來說已經(jīng)過剩，水生生物對硫同化不隨環(huán)境中硫酸鹽濃度的增大而增大[23]，而僅維持在自身結(jié)構(gòu)所需求的最低水平。

湖泊有機物豐度對硫酸鹽還原起著至關(guān)重要的作用。余芬芳（2013）研究表明，硫酸鹽的還原與有機物供給量有直接的正相關(guān)關(guān)系[24]；并且有機物作為反應(yīng)能量來源，存在一個最低含量極限問題。湖水中各種生物碎屑及代謝產(chǎn)物逐漸沉積于湖底層，再由底層的厭氧菌厭氧發(fā)酵形成小分子有機酸，硫酸鹽還原過程中，消耗了這些小分子有機酸。硫酸鹽還原場所是關(guān)系到重金屬去除速率的一個關(guān)鍵控制條件。若僅發(fā)生在沉積物以內(nèi)，則由于沉積物內(nèi)部離子遷移速率限制以及沉積物與上覆水界面之間存在一個物理界面的隔離作用而延緩了重金屬去除速率。若主要發(fā)生在湖底的沉積物上覆水層，則可能在上覆水層上面形成一個離子泵界面，快速將重金屬離子淵源不斷地移除。關(guān)于硫酸鹽還原場所，許多學(xué)者將湖泊硫酸鹽還原作用過程定義為沉積物-水界面進(jìn)行，主要發(fā)生在湖泊沉積物表層幾厘米的范圍內(nèi)[25]，其依據(jù)是在沉積物-水界面附近，SO42-濃度都顯著降低，并且在沉積物表層硫酸鹽能被完全而迅速消耗完，并作出一個結(jié)論：這一過程是湖泊清除硫酸鹽的重要機制，是目前研究界面硫循環(huán)的意義之所在[23]。是否存在以界面以上水體硫循環(huán)的例外情況，目前尚無文獻(xiàn)提出這種疑問。

綜合上述分析，評估藏北重金屬污染總量環(huán)境承載力應(yīng)以流域為單元評估，流域承載力總量應(yīng)依末端湖泊重金屬污染環(huán)境承載力與生態(tài)環(huán)境紅線為依據(jù)，末端湖泊承載力總量取決于湖泊硫酸鹽還原能力。依據(jù)生態(tài)學(xué)中的最大收獲定律，以湖泊對硫酸鹽的瞬時最大還原能力為生態(tài)環(huán)境紅線的依據(jù)、以還原菌的持續(xù)還原效率最佳的還原能力作為環(huán)境承載力的依據(jù)，將產(chǎn)出硫化物重量單位換算為可與重金屬形成沉積物的當(dāng)量，最終以流域內(nèi)總重金屬沉積當(dāng)量做環(huán)境承載力指標(biāo)-即以可自凈的重金屬污染物總量為指標(biāo)。由于相近的生態(tài)環(huán)境與湖泊類型，主要來源于初級生產(chǎn)力的有機物產(chǎn)量具有相似性，所以得出的環(huán)境承載力指標(biāo)會具有相對廣泛的區(qū)域代表性。

3 開展西藏地區(qū)生態(tài)環(huán)境礦山污染承載力研究的意義以及建議

西藏是我國重要的生態(tài)安全屏障功能區(qū)，同時也是生態(tài)脆弱區(qū)，環(huán)境資源環(huán)境承載力有限[12]。如何協(xié)調(diào)好經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)安全，環(huán)境承載力是一個最關(guān)鍵的要素。礦山生態(tài)環(huán)境承載力是實現(xiàn)礦山開發(fā)與區(qū)域環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的支撐基礎(chǔ)，是進(jìn)行礦區(qū)建設(shè)生態(tài)環(huán)境規(guī)劃的一個重要前提。我國國土資源環(huán)境承載力評價研究理論與方法還存在很多不足，評價指標(biāo)層面與國土資源及國土空間開發(fā)利用管理之間存在空檔。因此，有必對國土資源環(huán)境承載力評價的內(nèi)涵、對象、內(nèi)容等進(jìn)行完善[26]。

未來藏北地區(qū)，應(yīng)該盡可能依據(jù)西藏內(nèi)流水域重金屬污染特征及其生物地球化學(xué)循環(huán)過程，從河道及其兩側(cè)生態(tài)安全角度進(jìn)行排放濃度分析以獲得各個主要重金屬污染物排放安全濃度，以末端湖泊對重金屬的安全惰化能力為依據(jù)估計流域污染排放總量，并通過對與安全惰化能力相關(guān)的生物和非生物要素進(jìn)行關(guān)系量化分析，探討安全惰化能力的主要流程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提出具有基本原理和可靠依據(jù)的藏北生態(tài)系統(tǒng)對礦山重金屬污染物的環(huán)境承載力；從而為國家、西藏地方的礦山開發(fā)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計、為礦山環(huán)境預(yù)警體系建設(shè)服務(wù)。

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