中國南方鉛鋅礦區(qū)地下水環(huán)境調(diào)查方法探究

李化偉，廖經(jīng)慧，邵 軍，駱檢蘭

我國近六成的金屬礦床分布在巖溶廣泛分布的長江以南地區(qū)，西南地區(qū)的金屬礦山數(shù)目占我國金屬礦山總數(shù)的20%，四川、貴州、云南三省交界處，廣東與湖南交界處及重慶、貴州、湖南三省交界處鉛鋅礦床分布密集。西南地區(qū)是歐亞-印度-太平洋三大巨型板塊相互作用的交匯地區(qū)，經(jīng)歷了復(fù)雜的演化歷史，形成了特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境及豐富的礦產(chǎn)資源。西南地區(qū)的金屬礦山多與碳酸鹽巖共存，水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，濕潤的氣候有利于巖溶發(fā)育，巖溶水系統(tǒng)則是由巖溶洞穴、管道、裂隙、孔隙等多重介質(zhì)組成的復(fù)雜、脆弱的地下水系統(tǒng)。南方巖溶水有含水介質(zhì)極不均勻，表層巖溶水與深部裂隙管道流及地下河并存，以深部地下水為主要賦存運(yùn)動(dòng)形式；污染防護(hù)能力極弱；地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化迅速等特點(diǎn)。鉛鋅礦的開發(fā)利用造成環(huán)境污染問題尤為嚴(yán)重，礦山的開采會(huì)引起地質(zhì)環(huán)境的變化，礦物成分容易氧化分解，有害組分轉(zhuǎn)移到地下水中，并使得地下水含水層下降；選冶產(chǎn)生的廢石、尾礦經(jīng)雨水沖刷、淋濾，大量重金屬進(jìn)入到土壤、地表水中，而土壤、地表水及地下水之間的交互作用使其進(jìn)入地下水并遷移。巖溶區(qū)環(huán)境系統(tǒng)更為脆弱，地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)換頻繁且復(fù)雜，因此對(duì)南方鉛鋅礦區(qū)地下水環(huán)境開展調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)防控尤為重要。筆者詳述了南方某典型鉛鋅礦區(qū)地下水環(huán)境狀況調(diào)查方法及工作開展過程，初步探討巖溶地區(qū)地下水污染途徑及模式，為南方鉛鋅礦區(qū)地下水環(huán)境調(diào)查提供參考。

1 研究方法

1.1 資料收集與分析

工作開展前要收集相關(guān)文獻(xiàn)與資料，首先可以收集國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的地下水環(huán)境調(diào)查方法的相關(guān)文獻(xiàn)，了解目前地下水調(diào)查的先進(jìn)方法；其次要收集礦區(qū)水文地質(zhì)勘察報(bào)告、礦區(qū)內(nèi)企業(yè)環(huán)境影響報(bào)告書、礦山地質(zhì)勘查報(bào)告等資料，通過資料分析，了解礦區(qū)開采歷史及現(xiàn)狀、礦床特征、水文地質(zhì)情況、環(huán)境狀況等。

1.2 確定調(diào)查路線

根據(jù)收集的資料，確定詳細(xì)的調(diào)查路線，一般工作分為三個(gè)階段進(jìn)行。第一階段為初步調(diào)查，主要為現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解礦區(qū)基本情況；第二階段為詳細(xì)調(diào)查，調(diào)查礦區(qū)基本狀況及水質(zhì)情況；第三階段為補(bǔ)充調(diào)查，對(duì)超標(biāo)嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步加密工作。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

1.3.1 水文地質(zhì)調(diào)查

水文地質(zhì)調(diào)查是礦區(qū)地下水環(huán)境調(diào)查的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要查清礦區(qū)水文地質(zhì)特征，包括調(diào)查礦區(qū)水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐旨胺植?，水文地質(zhì)情況，地形地貌，地層巖性及構(gòu)造，礦山開采后對(duì)地下水的影響等情況。查清礦區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排的具體情況。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中，要以礦區(qū)已有的水文地質(zhì)資料及圖件作為基礎(chǔ)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)與勘察。可以利用遙感影像、無人機(jī)航怕等調(diào)查手段。

1.3.2 環(huán)境調(diào)查

主要對(duì)礦區(qū)開采區(qū)、選礦廠、尾砂庫及周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，主要調(diào)查礦區(qū)開采、生產(chǎn)情況，周邊居民情況，環(huán)境管理狀況等。

開采區(qū)，主要調(diào)查開采區(qū)采礦廢水處置情況，礦洞涌水外排情況，采礦廢渣處置情況，主要了解開采區(qū)對(duì)周邊環(huán)境造成影響的主要途徑。

選礦區(qū)，主要調(diào)查選礦工藝，輔助藥劑類型及使用情況，選礦廢水的處理情況，選礦廢水、尾砂的處置情況。

尾砂庫，主要調(diào)查尾砂庫排水系統(tǒng)建設(shè)情況，尾砂庫廢水處理情況及尾砂庫防滲設(shè)施建設(shè)情況。

周邊環(huán)境調(diào)查，主要調(diào)查周邊河流、農(nóng)田、村莊的環(huán)境狀況，查清周邊河流的分布情況，與礦區(qū)地下水及地表水的補(bǔ)給關(guān)系；查清農(nóng)田的灌溉水與礦區(qū)水之間的聯(lián)系；查明村莊民井、泉點(diǎn)與礦區(qū)地下水之間的聯(lián)系。

1.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)調(diào)查情況，本著“全面兼顧、深淺結(jié)合、突出重點(diǎn)”的原則，結(jié)合水文地質(zhì)調(diào)查成果及礦區(qū)環(huán)境狀況進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，具體布設(shè)方法如下。

1.4.1 背景點(diǎn)布設(shè)

背景點(diǎn)主要反映區(qū)域地下水的基本水質(zhì)狀況，點(diǎn)位要布在礦區(qū)監(jiān)測(cè)層位的上游，沒有受到采礦活動(dòng)影響的區(qū)域。相對(duì)獨(dú)立的采礦區(qū)、選礦區(qū)及尾礦庫需布設(shè)多個(gè)對(duì)照點(diǎn)，多個(gè)污染源分布在同一流域或影響同一含水層時(shí)，可共用背對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

孔隙水，以淺層地下水監(jiān)測(cè)為主，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)位于主要污染源附近的地下水下游地區(qū)；巖溶水，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)重點(diǎn)追蹤地下暗河、巖溶通道，在通道的下游地區(qū)布設(shè)監(jiān)測(cè)井。裂隙水，布點(diǎn)同孔隙水調(diào)一致，但宜布設(shè)在相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)上，構(gòu)造裂隙水若存在主徑流帶，則監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)重點(diǎn)應(yīng)追蹤主徑流帶，在主徑流帶的下游布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

點(diǎn)位布設(shè)過程中可以補(bǔ)充物探工作，通過高密度電法剖面測(cè)量，結(jié)合各剖面相應(yīng)地段的地質(zhì)特點(diǎn)（如微地貌、地層、巖性、構(gòu)造、含水條件等）進(jìn)行綜合解釋推斷重點(diǎn)地段或地表覆蓋嚴(yán)重區(qū)域地下水分布情況，為監(jiān)測(cè)井位置選擇提供依據(jù)。

1.5 監(jiān)測(cè)井建設(shè)

根據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 164-2020），監(jiān)測(cè)井建設(shè)包括監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)、施工、成井、抽水試驗(yàn)等內(nèi)容參照DZ/T 0270相關(guān)要求執(zhí)行。

1.6 樣品采集

樣品采集參考《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 164-2020）相關(guān)要求執(zhí)行。

1.7 檢測(cè)分析

檢測(cè)項(xiàng)目包括常規(guī)因子和特征污染因子。常規(guī)因子根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）確定；特征污染因子結(jié)合礦石礦物組成及區(qū)域內(nèi)企業(yè)產(chǎn)排污狀況確定。

1.8 結(jié)果評(píng)價(jià)

1.8.1 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

近年來，國內(nèi)外研究人員提出了多種水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法和模型，如單因子評(píng)價(jià)指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)字綜合評(píng)價(jià)法、灰色聚類綜合評(píng)價(jià)法等多種基于數(shù)學(xué)模型的方法，但由于評(píng)價(jià)因子與水質(zhì)等級(jí)間復(fù)雜的非線性關(guān)系及水體污染的隨機(jī)性和模糊性，至今未有一個(gè)被廣泛接受的評(píng)價(jià)模型。綜合比較，本調(diào)查根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)礦區(qū)地下水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.8.2 地下水污染評(píng)價(jià)

國內(nèi)外地下水污染評(píng)價(jià)的方法很多，國外地下水污染方面的研究主要是強(qiáng)調(diào)溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究，常采用的方法有主成分分析法、R型因子分析法、多變量統(tǒng)計(jì)方法和專家系統(tǒng)法等。國內(nèi)地下水污染評(píng)價(jià)工作開始較晚，但發(fā)展迅速，目前常用的方法有單因子污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、參數(shù)分級(jí)評(píng)分疊加指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊數(shù)學(xué)法等。本調(diào)查采用單因子污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法對(duì)礦區(qū)地下水進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，具體污染等級(jí)分類詳見表1。

表1 地下水污染現(xiàn)狀評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

1.9 劃分污染范圍

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果、監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)層位及礦區(qū)水文地質(zhì)情況，對(duì)區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境污染范圍進(jìn)行劃分。

1.10 建立污染模型

根據(jù)礦區(qū)環(huán)境狀況及調(diào)查情況，結(jié)合數(shù)據(jù)分析構(gòu)建礦區(qū)污染擴(kuò)散模型，反應(yīng)污染物進(jìn)入地下水的途徑及擴(kuò)散方式。

2 某鉛鋅礦區(qū)調(diào)查案例

2.1 礦區(qū)基本情況

礦區(qū)位于珠江水系和長江水系湘江支流的分水嶺北側(cè)，南高北低，地貌屬剝蝕構(gòu)造類型。礦區(qū)西部區(qū)域，南、北面由花崗巖及變質(zhì)砂巖組成的中高山地形，山勢(shì)陡峻，溝谷呈“V”字形態(tài)。東部區(qū)域?yàn)橛赡嗯?、石炭系碳酸鹽巖組成低山地形，地勢(shì)較平緩，山頂圓滑。地表、地下巖溶甚為發(fā)育，礦區(qū)內(nèi)地形主要受構(gòu)造控制，山谷線與構(gòu)造線基本一致。

礦區(qū)成礦帶是巖漿巖與碳酸鹽巖外接觸帶的中溫?zé)嵋盒豌U鋅礦床，礦區(qū)礦石類型主要有鉛鋅硫化物礦石、鉛鋅錫綜合礦石、矽卡巖型鉛鋅礦石三種，礦石呈致密塊狀、細(xì)脈浸染狀、浸染狀。圍巖蝕變主要有矽卡巖化、鐵錳碳酸鹽化等。

礦區(qū)開采歷史悠久，早在宋朝年間就有開采活動(dòng)記載。上世紀(jì)，礦區(qū)及其周邊以濫采亂挖聞名。歷史上礦業(yè)無序開采，造成該區(qū)域重金屬污染事故頻發(fā)。經(jīng)過政府整頓后，礦區(qū)形成一個(gè)集采礦、選礦一體的典型礦區(qū)，礦區(qū)主要包括一個(gè)采礦區(qū)，一個(gè)選礦廠、一個(gè)尾礦庫。

2.2 水文地質(zhì)情況

礦區(qū)屬于巖溶裂隙水區(qū)，基巖中巖溶發(fā)育，洼地、漏斗、落水洞、暗河溶洞等廣泛分布。含水層巖性主要為灰?guī)r、白云巖，分布均勻，地下水主要呈管道形式運(yùn)動(dòng)，有數(shù)條暗河層面發(fā)育。隔水層巖性主要為鈣質(zhì)砂巖，呈北西向條帶狀分布。

地下水補(bǔ)給：主要有2個(gè)途徑，一是大氣降水垂直滲透，或形成地表徑流通過以暗河為主的巖溶管道，直接灌入補(bǔ)給淺部強(qiáng)含水層，為最主要補(bǔ)給方式；二是礦區(qū)南東部外圍地下水通過暗河進(jìn)入本礦段。

地下水的徑流：在天然狀態(tài)下，礦段地下水總的徑流趨勢(shì)是由南東向北西，其徑流途徑主要為暗河。

地下水的排泄：天然狀態(tài)下，本礦段地下水與整個(gè)礦區(qū)地下水的排泄相一致，其主要徑流則沿著暗河流出，局部的地下水在山間狹長溝谷處、以泉為主要形式排出地表，排出地下水最終匯入礦區(qū)周邊河流。

礦區(qū)開采對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水的影響主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：

主要含水層已經(jīng)被疏干，經(jīng)過以往多年的生產(chǎn)抽水，開采區(qū)段坑道系統(tǒng)已經(jīng)完全展開，形成以開采最深礦段為中心的降落漏斗，降落漏斗范圍內(nèi)的主要含水層—淺部溶洞水已經(jīng)被基本疏干。

主要斷裂含水帶已經(jīng)被疏干，隨井下開采深度增加，坑道強(qiáng)排水形成的降落漏斗區(qū)內(nèi)，原主要含水構(gòu)造均已經(jīng)被疏干，僅成為降落漏斗范圍內(nèi)部分大氣降水下滲流量和降落漏斗外部分礦段南東外圍地下水截余量—?jiǎng)觾?chǔ)量的主要充水通道。

2.3 環(huán)境概況

礦區(qū)內(nèi)主要污染物為廢渣與廢水，廢渣主要為采礦廢石與選礦尾砂，廢水主要為礦井涌水、選礦廢水與尾砂庫廢水。

采礦區(qū)，采礦區(qū)現(xiàn)在主要有一個(gè)主礦洞，主要負(fù)責(zé)礦段出礦、出廢石、進(jìn)風(fēng)和人行安全出口任務(wù)。采礦區(qū)主要產(chǎn)生采礦廢水、礦井涌水、采礦廢石，采礦廢水通過水泵輸送到廢水處理站進(jìn)行處理后作為選礦用水回用；礦井涌水通過礦洞巷道排出；采礦廢石通過主井拉出后堆積在廢石堆場(chǎng)。

選礦廠主要進(jìn)行鉛鋅采選，選礦方法為浮選-重選，其工藝流程為：破碎→磨礦→浮選，脫硫→磁選，除鐵→重選。生產(chǎn)過程中使用的藥劑包括硫酸、黃藥、硫酸銅、二號(hào)油等。選礦廠主要產(chǎn)生廢物為選礦尾砂與選礦廢水，選礦尾砂通過輸送管道排放到尾砂庫；選礦廢水部分與尾砂一起輸送到尾砂庫，部分排到廢水處理站進(jìn)行處理后回用。

尾砂庫，主要用于儲(chǔ)存選礦尾砂，建成了完善的截排水及排洪設(shè)施、尾礦輸送系統(tǒng)和回水系統(tǒng)。尾砂庫主要污染物為尾砂庫廢水。

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)礦區(qū)污染源分布情況、水文地質(zhì)情況，結(jié)合點(diǎn)位布設(shè)原則，礦區(qū)共布設(shè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位15個(gè)，背景點(diǎn)3個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位12個(gè)。采礦區(qū)布設(shè)礦洞涌水點(diǎn)3個(gè)，下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位3個(gè)，選礦廠布設(shè)下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)了3個(gè)，尾砂庫布設(shè)下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)位3個(gè)（見圖1）。

圖1 礦區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖

2.5 礦區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)分析數(shù)據(jù)，用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)礦區(qū)地下水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)位的水質(zhì)等級(jí)。

采用單因子污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法對(duì)礦區(qū)地下水進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，然后根據(jù)污染評(píng)價(jià)指數(shù)，采用反向差值法繪制單因子污染分布示意圖（見圖2）。

圖2 礦區(qū)區(qū)地下水污染分布示意圖

本礦區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦山開采對(duì)深部巖溶水水質(zhì)影響較大；尾礦庫對(duì)淺層孔隙水影響較小，對(duì)深部巖溶水影響有限；選礦廠對(duì)淺層孔隙水影響較大，對(duì)深部巖溶水影響較小。

2.6 礦區(qū)污染模式分析

根據(jù)水文地質(zhì)情況，監(jiān)測(cè)井巖層結(jié)構(gòu)，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果等調(diào)查成果綜合分析了礦區(qū)的污染模式，情況如下：

礦區(qū)大氣降水通過滲透與巖溶漏斗匯入的方式進(jìn)入巖溶裂隙，然后匯入巖溶通道；礦區(qū)外部暗河直接進(jìn)入礦區(qū)與區(qū)內(nèi)巖溶通道形成相互貫通的管道網(wǎng)絡(luò)。開采區(qū)污染物主要通過巖層裂隙滲透、匯流集中灌入巖溶通道的方式進(jìn)入巖溶管道；選礦區(qū)污染物主要通過土層垂向滲透方式進(jìn)入巖溶裂隙后匯入巖溶管道；尾砂庫上部污染物通過土層垂向滲透方式進(jìn)入巖溶裂隙后匯入巖溶管道，下部污染物主要通過巖層裂隙滲透方式進(jìn)入巖溶管道（圖3）。

圖3 礦區(qū)地下水污染模式示意圖

3 結(jié)論

本次論述總結(jié)了近年來的地下水環(huán)境的調(diào)查方法，結(jié)合了相關(guān)技術(shù)規(guī)范，以長期調(diào)查工作基礎(chǔ)，初步提出鉛鋅礦區(qū)的地下水調(diào)查方法，可為科學(xué)合理的開展南方礦區(qū)的地下水調(diào)查提供參考。

開展地下水環(huán)境調(diào)查過程中，不同區(qū)域的水文地質(zhì)情況差異較大，污染物的遷移和分布規(guī)律復(fù)雜多樣，南方巖溶區(qū)的地下水系統(tǒng)更為復(fù)雜，污染途徑多樣，因此若要調(diào)查結(jié)果更有針對(duì)性和準(zhǔn)確性，需要結(jié)合實(shí)際情況，充分開展水文地質(zhì)及環(huán)境調(diào)查，合理布設(shè)點(diǎn)位，科學(xué)評(píng)價(jià)。