金礦開采對地下水砷污染的影響范圍預(yù)測分析

摘要：金礦中通常含有許多含砷礦物，這些含砷礦物賦藏在原始地層，在金礦開采過程中，通過氧化還原反應(yīng)作用將砷元素溶解釋放到廢水池及地下水體中，容易造成地下水砷污染。本文以一座尚未開采的金礦為例，采用解析法預(yù)測在金礦開采活動過程中，礦區(qū)地下水砷污染的范圍、濃度與時間的關(guān)系，旨在為金礦開采提供參考。

關(guān)鍵詞：金礦；地下水；砷污染

一座位于廣西自治區(qū)某處尚未開采的金礦，根據(jù)相關(guān)法規(guī)必須開展地下水環(huán)境影響評價。在評價過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)部分鉆孔內(nèi)采集的水質(zhì)樣本砷含量超標(biāo)，推測水質(zhì)是由含砷伴生礦物引起的。由于金礦及伴生礦物賦藏于導(dǎo)水性較差的構(gòu)造破碎帶中，現(xiàn)狀下礦區(qū)地下水砷污染擴(kuò)散范圍不大。然而，未來金礦開采活動可能會造成礦區(qū)地下水砷污染范圍擴(kuò)大。

一、礦區(qū)自然地理及地質(zhì)環(huán)境條件

礦區(qū)出露第四系（Q）及寒武系黃洞口組第三段（∈h3）兩種地層。第四系（Q）呈不規(guī)則分布于河溪兩側(cè)及山麓等地勢低洼處，由殘坡積、沖洪積層粉質(zhì)黏土組成，厚度一般為0.50～2.5m。寒武系黃洞口組第三段（∈h3）遍布整個礦區(qū)，巖性以長石石英細(xì)砂巖為主，夾層狀泥巖、片巖、絹云千枚巖，厚度10～50m不等，呈互層狀產(chǎn)出，鉆孔未揭穿該層。礦區(qū)共分布有3個礦段，礦體呈脈狀產(chǎn)出，與圍巖界線清晰。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條北西—南東向斷層F1和F2，為主要控礦構(gòu)造，金礦礦體賦存于構(gòu)造破碎帶內(nèi)，破碎帶構(gòu)造裂隙多閉合，連續(xù)性差，通過鉆孔抽水、注水試驗計算構(gòu)造破碎帶水文地質(zhì)參數(shù)，求得F1約為7.4×10-6cm/s，F(xiàn)2約為2.3×10-3cm/s，導(dǎo)水性較差，富水性弱，屬于阻水構(gòu)造。

區(qū)域內(nèi)地下水類型主要為兩類：一類為第四系松散巖類孔隙水，賦存于殘坡積、沖洪積層粉質(zhì)黏土孔隙中，滲透系數(shù)約為3.6×10-3cm/s，由于土體厚度較薄，含水量有限，富水性弱，主要受大氣降水補給，大部分經(jīng)短暫徑流以散流形式排出地表，少部分經(jīng)裂隙補給下部裂隙水，無統(tǒng)一潛水面。另一類為碎屑巖類淺部風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙水，為潛水含水層，水位埋深19.12～24.45m，含水層厚度6.0～51.9m，滲透系數(shù)約為3.5×10-4cm/s，底板以所夾的泥巖、片巖及下部微—未風(fēng)化帶基巖為相對隔水層（滲透系數(shù)約為6.9×10-11cm/s），主要接受大氣降水的補給，在地勢低洼處于下部基巖接觸部位以下降泉的形式排泄到溝溪、江河內(nèi)，由于礦區(qū)處于區(qū)域水文地質(zhì)單元補給區(qū)，地形不利于地下水富集，含水層富水性弱。

二、礦區(qū)地下水砷污染的形成機制及危害性分析

（一）礦區(qū)未開采條件下地下水砷污染情況

技術(shù)人員對礦區(qū)原始地層進(jìn)行鉆孔內(nèi)水質(zhì)采樣分析時發(fā)現(xiàn)部分水質(zhì)樣品砷元素（As）以及鐵、錳等砷的主要金屬氧化物、氫氧化物超標(biāo)，其中砷在水質(zhì)樣品中最大質(zhì)量濃度達(dá)到0.19mg/L，超過Ⅴ類水質(zhì)指標(biāo)限值。

（二）礦區(qū)地下水砷污染形成機理

自然界中砷元素大多以硫化物的形式伴生于金、銅、鉛等金屬礦床中。該礦區(qū)砷元素超標(biāo)的水樣大部分取自含金礦的鉆孔內(nèi)，通過對孔內(nèi)巖芯樣本分析發(fā)現(xiàn)，這類中低溫?zé)嵋毫严冻涮钚统梢虻慕鸬V礦床，多伴生有含砷的鐵、錳氧化物、硫酸鹽礦物，如常見載金礦物砷黃鐵礦（FeAsS）。含砷礦物在地下水中發(fā)生氧化還原溶解反應(yīng)，易使沉積礦物結(jié)合體中的吸附態(tài)砷轉(zhuǎn)化成游離態(tài)砷，釋放到地下水中，造成砷污染。

以砷黃鐵礦為例，當(dāng)氣候干旱，地下水位較低時砷黃鐵礦暴露于包氣帶空氣中易被氧化，形成針鐵礦、褐鐵礦等礦物，并釋放出砷元素；在大氣降水補給地下水時地下水位上升，將包氣帶內(nèi)的砷還原溶解成游離態(tài)，總體化學(xué)反應(yīng)過程可簡化為化學(xué)公式①，但在實際環(huán)境中存在相當(dāng)復(fù)雜的地下水環(huán)境化學(xué)體系。而礦區(qū)處于地勢較高的水文地質(zhì)補給區(qū)，水位埋深主要受降雨控制且變化較大，進(jìn)一步加劇往復(fù)循環(huán)的過程。

在地下水環(huán)境中，硫、碳、磷元素對砷的形態(tài)、可移動性變化影響明顯，而礦區(qū)地下水中普遍存在硫元素，多數(shù)以SO42-的形式游離。在部分水樣中硫酸鹽含量較高，可達(dá)到40.29mg/L。受部分可還原硫酸鹽的微生物作用下，含SO4-2的礦物在有氧包氣帶-缺（厭）氧水環(huán)境的交替中發(fā)生還原反應(yīng)，使含砷礦物溶解，且自身產(chǎn)生的過量硫化物和堿性水環(huán)境會導(dǎo)致溶解態(tài)的硫代砷形成，進(jìn)一步促進(jìn)砷的可移動性，同時使地下水的pH檢測結(jié)果升高呈堿性，多個水樣品pH值超過8.5，最高達(dá)8.55。在原始礦山上分布有種植果樹的園地，肥料滲漏入地下水中，又進(jìn)一步促進(jìn)這類微生物的繁殖并大量消耗地下水中的氧氣，從而加劇生物水化學(xué)循環(huán)過程。

此外，由于肥料多含有磷元素，磷與砷為同主族的非金屬元素，磷肥溶解于水中時產(chǎn)生的磷酸根與含砷礦物的砷酸根化學(xué)結(jié)構(gòu)、解離系數(shù)相似，同時在地下水環(huán)境中共存時會競爭吸附于沉淀礦物中的金屬離子，使得一部分原本被吸附的砷被溶解釋放到地下水中。有研究表明，含鐵礦物中的砷通常為五價砷，含錳礦物中的砷以三價砷為主，三價砷的毒性及遷移能力遠(yuǎn)高于五價砷，因此，含錳礦物中砷酸根被競爭吸附位點造成的砷污染危害高于含鐵礦物，而礦區(qū)地層內(nèi)均存在這兩類伴生礦物。

綜上所述，礦區(qū)地下水砷污染是一個復(fù)雜的水環(huán)境化學(xué)反應(yīng)體系，受多種因素相互影響。

（三）未來礦區(qū)開采導(dǎo)致地下水砷污染的方式

含砷礦物的開采是造成礦區(qū)地下水砷污染的主要原因。這類含砷礦物并非礦區(qū)主要目標(biāo)礦體，且達(dá)不到工業(yè)品位，在金礦的分選、洗礦過程中成為尾礦被堆放在廢石場，尾礦中的砷在降雨、日曬、風(fēng)化作用下通過還原溶解、解吸等化學(xué)循環(huán)過程中極易析出，若防滲措施不到位，則可能造成水體污染。

根據(jù)該金礦的開采工藝（圖1），在采礦、分選、洗礦、冶煉過程中會形成大量富含砷的廢水，毒性高且難以去除。該礦床采用地下開采的方式，在開采過程中需要抽排地下水，含砷量超標(biāo)的地下水若在抽排過程中發(fā)生滲漏，或不經(jīng)處理直接排放，則可能造成水體污染。

因此，礦山企業(yè)在采礦活動過程中若不采取防治措施，這些含砷廢水、尾礦浸出液將通過包氣帶的孔隙、裂隙進(jìn)入地下水環(huán)境，對礦區(qū)下游的地下水源造成極大的威脅。

（四）礦區(qū)地下水砷污染的危害

砷及砷化合物屬于有毒有害水污染物名錄（第一批）及一類致癌物清單中的有毒物質(zhì)，攝入人體后會產(chǎn)生毒性，損害神經(jīng)、心腦血管系統(tǒng)及呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)，嚴(yán)重危害人體健康。其中，飲水污染是砷污染主要的攝入途徑，礦區(qū)的地下水砷污染會對于礦區(qū)周邊村落的居民健康造成嚴(yán)重威脅。

三、礦區(qū)地下水砷污染預(yù)測

（一）預(yù)測方法

砷在地下水中主要以游離態(tài)的形態(tài)在含水層中擴(kuò)散造成污染，但對地下水流場及含水層的基本水文地質(zhì)參數(shù)沒有明顯的影響，因此，技術(shù)人員可以采用解析法預(yù)測礦區(qū)地下水砷污染情況。地下水砷污染預(yù)測一般采用一維半無限長多孔介質(zhì)柱體定深度邊界注入預(yù)測公式。

（二）預(yù)測污染源位置

預(yù)測污染源位置主要為礦坑水倉、沉淀池、廢水輸送管道、廢石場。

礦坑水倉：每個礦段均設(shè)計為1～3個礦井水倉，礦井水倉在蓄水過程中可能出現(xiàn)水倉滲漏事故，通過下滲徑流污染地下水。

沉淀池：每個礦段排水地面均設(shè)計有沉淀池。礦井涌水在沉淀和重復(fù)使用過程中可能存在沉淀池和管網(wǎng)滲漏污染地下水的風(fēng)險。

廢水輸送管道：礦坑廢水輸送管在輸水往坑口排放過程中，可能存在管道滲漏或破裂等風(fēng)險，由地面往坑底匯流或通過下滲徑污染地下水。

廢石場：礦區(qū)共有廢石場3個，廢石露天堆放，堆放區(qū)若不做防滲處理，廢石中的砷經(jīng)降雨淋溶后隨雨水遷移滲入土壤和水體。

（三）預(yù)測參數(shù)選取

1.預(yù)測條件概化

礦山生產(chǎn)服務(wù)年限為10.5年，因此生產(chǎn)設(shè)施及廢石場至少存在10年以上，活動位置將成為持續(xù)污染源。預(yù)測遵循風(fēng)險最大原則，重點考慮污染物在地下水系統(tǒng)中的對流、擴(kuò)散、彌散、運移作用，不考慮地層吸附、水環(huán)境化學(xué)反應(yīng)解吸、生物降解及包氣帶阻滯等作用。預(yù)設(shè)初始砷污染濃度為0.19mg/L，預(yù)測時段為含砷污染水發(fā)生滲漏后的100天、1000天、3650天，并采用Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。

2.縱向彌散系數(shù)

以游離態(tài)砷元素為例的地下水溶質(zhì)運移模型主要參數(shù)為彌散度。通?？障督橘|(zhì)中的彌散度隨著溶質(zhì)運移距離的增加而增大，野外彌散試驗所求出的彌散度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在實驗室所測出的值。即使是同一含水層，溶質(zhì)運移距離越大，經(jīng)計算得出的彌散度也越大，無論是在野外還是在室內(nèi)，彌散試驗均難以獲得準(zhǔn)確的彌散度值。因此，本次評價參考前人的研究成果（圖2），縱向彌散系數(shù)參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)，D_L=1.0m²/d。

3.污染源區(qū)域滲透系數(shù)

通過水文地質(zhì)試驗計算出3個礦段附近滲透系數(shù)，詳見表1。

4.預(yù)測結(jié)果分析

淋濾液的持續(xù)滲漏，砷在水動力條件下向周圍及下游擴(kuò)散，其峰值濃度在含水層中的運移過程中隨時間推移，影響距離也將不斷增大，當(dāng)金礦開采至10年后，預(yù)測砷污染影響范圍將達(dá)到700～2800m，見表2。

由預(yù)測結(jié)果可見，在金礦持續(xù)開采過程中，若不采取防治措施，砷元素造成礦區(qū)地下水污染的最大影響距離將達(dá)到2.8km左右，受影響的村莊約4處，影響現(xiàn)有民井5口、現(xiàn)有取水點5處。

四、礦區(qū)地下水砷污染預(yù)測結(jié)論及防治建議

金礦中往往伴生有砷元素，可能污染周邊地下水，若采取合理的防治措施，如廢石堆放區(qū)域采取從上往下鋪設(shè)植被層、表面水收集排放層、表面阻隔復(fù)合襯層等有效的物理阻隔措施防止水體滲漏進(jìn)入地下，同時完善礦井水凈化達(dá)標(biāo)排放處理設(shè)施，禁止隨意排放廢水，修建合理的降水導(dǎo)排系統(tǒng)阻隔大范圍雨水匯集在廢石場形成積水，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范做好地下水污染跟蹤監(jiān)測計劃，將有效防止金礦開采過程中造成地下水污染，達(dá)到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會效益的統(tǒng)一。

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作者簡介：陳良正（1988），男，廣西壯族自治區(qū)凌云縣人，工程師，研究方向為水工環(huán)地質(zhì)及地質(zhì)資源工程研究。

通訊作者：譚皓翔（1993），男，廣西壯族自治區(qū)貴港市，工程師，研究方向為水工環(huán)地質(zhì)及地質(zhì)資源工程研究。