有色金屬礦尾礦庫和廢石場土壤安全評價及復墾措施——以郴州市宜章長城嶺鉛鋅多金屬礦為例

余光輝，張 勇，張卓，李振國

(湖南科技大學資源環境與城鄉規劃管理系，湖南湘潭411201)

自1988年《土地復墾規定》頒布以來，我國的土地復墾事業有了長足的發展，這一成就對削減耕地赤字，遏制耕地銳減勢頭和緩解我國人地矛盾發揮了重要的作用。目前礦區土地復墾根據其用途可分為農業復墾、林業復墾、漁業復墾、自然保護復墾、水資源復墾和工業復墾等，其中發達國家農業復墾和林業復墾最普遍。如英國復墾的重點是污染土地修復和礦山廢棄地復墾，其復墾目的不僅是保護環境和恢復土地利用，更重要的是解決環境安全問題。在我國由于耕地面積有限，目前復墾的核心便是恢復耕地[1-3]。湖南省郴州市礦產資源比較豐富，具有種類多、儲量大、分布廣和質量好等特點，素有“煤田”和“有色金屬之鄉”美稱，其礦產資源主要分布在市域中部、西南部、南部和東部邊境。宜章長城嶺鉛鋅多金屬礦位于郴州市宜章縣城東北部，隸屬于赤石鄉。已開采礦區總面積為0.631 2 km2，是一個小型鉛鋅多金屬礦，主要有鉛、鋅、銻等金屬礦產，已探明量約為564 361 t，其中Pb 2.66%，Zn 1.41%，Sb 1.05%。郴州礦區的開采給周圍的環境帶來了很大的影響，礦區周圍的土壤、空氣和水體環境均受到了不同程度的污染[4-5]，礦區生態環境與土地復墾問題己經成為當地政府、群眾與研究者共同關注的熱點問題。

本文通過分析郴州市宜章礦區土壤重金屬污染情況，提出礦山復墾相應的對策和建議。旨在為解決礦區周圍居民的生活環境安全提供理論依據，并為同類礦區土地復墾提供科學指導。

1 研究區域概括

1.1 尾礦庫和廢石場概況

礦區尾礦庫位于宜章縣赤石鄉塘被村，最高海拔標高為609.9 m，最低海拔標高為490 m，尾礦庫占地面積為21 000 m2，總庫容量約156 554 m3，地貌為剝蝕丘陵地貌，溝谷開闊，周圍除少量菜地外，植被主要以灌木草叢為主。土地以林草地為主，占64.4%，荒山坡地19.3%，耕地6.6%，尾礦庫0.27%，其它為水域、生產用地及廢棄用地。

廢石場位于礦井旁的坡地，占地面積為2 000 m2，容積為8 000 m3。廢石場由于建設較早，建設不規范，邊坡未設防護墻，下游也未設擋渣墻，廢石堆放不太穩定，容易形成泥石流。

1.2 環境概況

礦區所在地土壤主要為侵蝕土和壤土2種類型，土壤層厚度10—30 cm不等。由于礦區開采多年，局部地表植被已遭到破壞。本區地處亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明，多年平均氣溫為19.6℃，降雨充沛，年平均降水量為1 504 mm 。

在進行礦山開采和礦產品加工過程中，礦石中的重金屬元素會遷移擴散到礦區和作業區，采礦過程中產生的尾砂和廢石全堆放在尾礦庫和廢石場，水土流失造成重金屬污染遷移擴散。由于長城嶺礦山開采與選礦企業對地表水的長期污染，地表水灌溉造成農田土壤中的重金屬和其它化學污染物質增加，土壤pH值降低，物理性質惡化，農作物生長受到抑制，糧食存在重金屬含量高的風險。

2 礦區土壤環境污染

2.1 分析與評價方法

2.1.1 采樣與分析 根據研究區地形條件、土壤分布及其利用狀況、土壤肥力差異、離污染源的距離遠近等，在研究區內選擇具有代表性的5個采樣點，每個采樣點采集5個土樣。選取的土樣為礦區廢石堆放場，尾礦庫周圍荒草地表土樣，尾礦庫周圍荒草地剖土樣，下塘背村農田表土樣，下塘背村農田剖土樣。土壤重金屬元素全量測試方法按照國家標準方法測定(GB/T 15555.2-1995)。

2.1.2 評價方法 按國家標準并結合該區實際，選取在該區影響較大的5種重金屬元素(Pb，Zn，Cu，Cd和As)作為土壤環境質量評價因子。根據國家土壤環境質量標準(GB 15618-1995)和研究區域土壤背景值，采用指數法來評價土壤環境質量和污染狀況。土壤環境質量分為3個等級，其中一級標準針對區域土壤諸元素背景值評價，二級標準評價區域是否受到污染，而三級標準則是土壤臨界值評價。本文主要是評價該區域是否受到污染，受到污染的程度，因此選用二級標準。綜合污染指數全面反映了各污染物對土壤污染的不同程度，同時又突出高濃度對土壤環境質量的影響，因此用綜合污染指數評定和劃分土壤質量等級更加客觀。

首先用公式(1)計算單項污染指數，然后根據單項污染指數，采用內梅羅(N.L.Nemerow)法分別計算各個元素的綜合污染指數及土壤的綜合污染指數〔公式(2)〕[6]。

式中:P——土壤中i元素的污染指數;Ci——土壤中某元素i的實測值;Si——土壤中某元素i的評價標準值。

式中:PN——內梅羅綜合指數;avr(pi)——平均值;max(pi)——所有元素污染指數中的最大值。

2.2 結果分析

樣本測試結果與環境土壤標準值見表1，礦區土壤重金屬污染評價結果見表2。從表1中可以看出，礦區廢石Cd嚴重超標，其它因子尚未超標;尾礦庫270 m外的下塘背村農田土壤As嚴重超標，其作物已經開始受到污染;而尾礦庫周圍的荒草地已經受到了中度污染，其As和Cd均超標。由表2可以看出，長城嶺礦廢石屬于嚴重污染，污染等級達到警戒線;下塘背村農田土壤為輕污染，其它土壤為中污染。在所有測試的土壤中，As和Cd這2種元素在所有測試土壤中均嚴重超標，達到警戒級污染。

表1 礦區不同土壤重金屬含量 mg/kg

表2 礦區土壤重金屬污染評價結果

這些污染對周圍植被的生長造成了很大威脅，對周圍的生物和居民帶來很大的健康風險。因此，急需對尾礦庫及廢石場周圍的受污染土壤進行污染治理和復墾，并改善庫區的工程設備更好的控制污染源。

3 復墾措施

就礦山復墾工作而言，不能單一偏重一面，應該根據具體情況，使礦山生產與環境保護協調發展，常用的復墾技術有工程復墾和生物復墾[7-8]。由于尾礦庫和采石場的服務年限均未滿，從經濟效益和污染風險角度考慮不適宜進行覆土復墾，所以可以先對尾礦庫和采石場進行更有保障的生態修復，對土壤進行改良，再于服務期滿后統一進行覆土復墾。如果生態修復效果顯著，則可進行耕地復墾工程。

3.1 服務期

3.1.1 工程復墾技術 場地穩定技術[9-10]。主要包括尾礦庫壩墻、排土場堆穩定性評估、加固設計和庫面排水，尾礦庫的排水系統。由于研究區的廢石場建設較早，建設不規范，邊坡未設防護墻，下游也未設擋渣墻，廢石堆放不太穩定，所以研究區必須采取場地穩定措施，對廢石場的邊坡設撇洪溝，坡面干砌石護坡，建立防護墻，以穩定廢石堆。

污染防治技術[9-10]。加強尾礦庫溢流水對納污水體水質的影響防治，由表1可以看出，下塘背村的農田剖土As已超標3.65倍，這很大程度是由于尾礦庫的溢水以及礦區水土流失，將重金屬沖積到小溪，而農田再由小溪灌溉而致，所以必須對尾礦庫的壩體進行修復。研究區以山區地形為主，容易形成泥石流等地質災害，所以在生產過程中，采取的污染防治技術主要以預防為主。在尾礦庫和廢石場上游及兩側修建引水渠，將雨水引至堆場外，力求減少流經礦區范圍的地表徑流，通過減緩流速來削減形成泥石流的水源和動力;在尾礦庫和廢石場的下游均修建格柵壩和樁林等工程，以便攔截水流中的石礫等固體物質。

3.1.2 生物復墾技術 由于礦區土地主要存在重金屬As和Cd污染，所以可以選取植物修復技術，即利用部分植被能忍耐和超量累積某些重金屬的特性，通過植物的提取作用、揮發作用、穩定化作用與根際過濾作用來原位清除、穩定污染土壤中的重金屬。通過種植重金屬富集性植物，固定土壤中的重金屬，經過幾季收割后，降低土壤中的重金屬含量，并逐步減輕重金屬污染。

研究表明，湖南柿竹園礦區土壤重金屬含量及植物吸收特征分析認為蜈蚣草(Pteris vittata L)羽葉砷含量達2 298 mg/kg，根部砷含量達1 582 mg/kg，證明蜈蚣草是砷的超富集植物，具有很強的修復砷污染土壤的能力[11-12]。此外，蜈蚣草對鎘、鉛和鋅也具有很高的耐性，在柿竹園礦選廠被高濃度鎘、鉛、鋅污染的土壤上蜈蚣草也有分布。可見，蜈蚣草可用于修復砷、鎘、鉛、鋅等重金屬復合污染土壤。另苧麻(Urtica nivea L.)對砷也具有極強的耐性和富集能力，高砷區苧麻葉、莖、根中的砷含量分別為536，103和69 mg/kg[13]，苧麻還具有很強的富集鎘的能力[14]，在含鎘10 mg/kg的污染農田土壤上，其地上部含量能達到15 mg/kg。此外，香根草(Vetiveria zizanioiaes)具有很發達的根系，可以有效控制和防止土壤侵蝕和滑坡。該植物對土壤鹽度、鈉、酸性、鋁、錳和其他多種重金屬也有很高的耐受能力，適合于重金屬污染土壤的復墾和土地填埋區滲出液的處理，依據植被覆蓋率和生物量計算，香根草是在南中國鉛鋅礦復墾中最有效的植物[7]。有研究表明芒草(Iuicium lanceolatum A.C.Smith)能囤積大量的Pb和Zn，但根據調查發現湖南黃沙坪鉛鋅礦在尾礦庫上種植芒草完全失敗[11]，可見芒草并不一定適合于尾礦庫復墾。根據礦區的氣候、土壤類型與污染特征，可以選擇蜈蚣草、苧麻和香根草等植物來修復礦區重金屬污染。

因為尾礦庫土壤出現土地沙化和肥力退化嚴重，不能為植物提供必要的養料、水和礦物質，所以必須根據復墾植物所需營養進行土壤基質改良。研究表明采用生活垃圾和無機肥對種植香根草的基質進行改良，可以使香根草生長最好，并減少重金屬向草食動物遷移，且可回用廢物[15];另外如種植抗重金屬植物，或進行菜地復墾，可用尾礦與污泥進行等量混合，可增加植物生長所需營養;同時還可采用豬糞和石灰等改善基質的pH值，為植物生長提供有利條件。根據復墾植物的選擇，復墾區的土壤基質可用生活垃圾和無機肥進行改良，生活垃圾可直接從下塘背村運出。

3.2 服務期滿后復墾建議

3.2.1 廢石場的復墾 由于廢石場不能用于直接種植植被，因此，應先對廢石堆場進行整治，覆土0.5 m以上，邊坡緩在35°以下，再進行植被種植。可以考慮先種植草本植物，待土質熟化后再種植竹林、馬尾松和油茶等適應性強的林木。

3.2.2 尾礦庫復墾 由于尾礦凝聚能力差，透氣和容氣性能低，屬于不符合植物生長的土壤結構;尾礦中富集重金屬，可能對植物根系產生傷害或通過食物鏈轉移;而且尾礦中缺乏植物生長的營養物質，土壤細菌及微生物無法生存，因此尾礦復墾前應做如下處理:(1)挖松干涸硬化的表面層，平整尾礦庫表面;(2)在挖松表層中撒鋪碎粒(粒徑不大于6mm);(3)在尾礦庫表面鋪蓋15～25 cm厚的土層;(4)種植前用中和藥劑處理播種苗床，并施加足夠的肥料[10]。做好以上處理后，即可先種植草本植物，待土質熟化后再種植用材林木。應選擇生長快，抗逆境能力強，生物化學活躍的樹種營造人工林，同時考慮不同植物群落和品種植物的搭配，本地和外地植物品種結合，以及有固氮作用的作物種植方案。但是不可在尾礦壩邊坡處種植根深喬木，以免破壞壩基的穩定，適宜種植低矮匍匐型根淺草種。

4 結論

通過研究區的污染現狀評價認為，研究區的重金屬污染嚴重，以As和Cd為主。其中尾礦庫周圍的土壤已達到了中度污染，下塘背村的農田也達到了輕度污染，廢石場廢石Cd含量超標。

研究區的復墾主要采取生物復墾，輔助以穩定技術和污染防治技術。服務期運用生活垃圾和無機肥對土壤進行改良，選取蜈蚣草、苧麻和香根草修復土壤。服務期滿后，先改善土壤礦區土壤質量，再種植草本和喬木植物。

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