金礦開采對地下水砷污染的影響范圍預測分析

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，采用解析法預測在金礦開采活動過程中，礦區地下水砷污染的范圍、濃度與時間的關系，旨在為金礦開采提供參考。

關鍵詞：金礦；地下水；砷污染

一座位于廣西自治區某處尚未開采的金礦，根據相關法規必須開展地下水環境影響評價。在評價過程中，技術人員發現部分鉆孔內采集的水質樣本砷含量超標，推測水質是由含砷伴生礦物引起的。由于金礦及伴生礦物賦藏于導水性較差的構造破碎帶中，現狀下礦區地下水砷污染擴散范圍不大。然而，未來金礦開采活動可能會造成礦區地下水砷污染范圍擴大。

一、礦區自然地理及地質環境條件

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

區域內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、沖洪積層粉質黏土孔隙中，滲透系數約為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，大部分經短暫徑流以散流形式排出地表，少部分經裂隙補給下部裂隙水，無統一潛水面。另一類為碎屑巖類淺部風化裂隙、構造裂隙水，為潛水含水層，水位埋深19.12～24.45m，含水層厚度6.0～51.9m，滲透系數約為3.5×10-4cm/s，底板以所夾的泥巖、片巖及下部微—未風化帶基巖為相對隔水層（滲透系數約為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，由于礦區處于區域水文地質單元補給區，地形不利于地下水富集，含水層富水性弱。

二、礦區地下水砷污染的形成機制及危害性分析

（一）礦區未開采條件下地下水砷污染情況

技術人員對礦區原始地層進行鉆孔內水質采樣分析時發現部分水質樣品砷元素（As）以及鐵、錳等砷的主要金屬氧化物、氫氧化物超標，其中砷在水質樣品中最大質量濃度達到0.19mg/L，超過Ⅴ類水質指標限值。

（二）礦區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。該礦區砷元素超標的水樣大部分取自含金礦的鉆孔內，通過對孔內巖芯樣本分析發現，這類中低溫熱液裂隙充填型成因的金礦礦床，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生氧化還原溶解反應，易使沉積礦物結合體中的吸附態砷轉化成游離態砷，釋放到地下水中，造成砷污染。

以砷黃鐵礦為例，當氣候干旱，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，將包氣帶內的砷還原溶解成游離態，總體化學反應過程可簡化為化學公式①，但在實際環境中存在相當復雜的地下水環境化學體系。而礦區處于地勢較高的水文地質補給區，水位埋深主要受降雨控制且變化較大，進一步加劇往復循環的過程。

在地下水環境中，硫、碳、磷元素對砷的形態、可移動性變化影響明顯，而礦區地下水中普遍存在硫元素，多數以SO42-的形式游離。在部分水樣中硫酸鹽含量較高，可達到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）氧水環境的交替中發生還原反應，使含砷礦物溶解，且自身產生的過量硫化物和堿性水環境會導致溶解態的硫代砷形成，進一步促進砷的可移動性，同時使地下水的pH檢測結果升高呈堿性，多個水樣品pH值超過8.5，最高達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，又進一步促進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循環過程。

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生的磷酸根與含砷礦物的砷酸根化學結構、解離系數相似，同時在地下水環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，而礦區地層內均存在這兩類伴生礦物。

綜上所述，礦區地下水砷污染是一個復雜的水環境化學反應體系，受多種因素相互影響。

（三）未來礦區開采導致地下水砷污染的方式

含砷礦物的開采是造成礦區地下水砷污染的主要原因。這類含砷礦物并非礦區主要目標礦體，且達不到工業品位，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、風化作用下通過還原溶解、解吸等化學循環過程中極易析出，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，含砷量超標的地下水若在抽排過程中發生滲漏，或不經處理直接排放，則可能造成水體污染。

因此，礦山企業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、裂隙進入地下水環境，對礦區下游的地下水源造成極大的威脅。

（四）礦區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，攝入人體后會產生毒性，損害神經、心腦血管系統及呼吸系統、消化系統，嚴重危害人體健康。其中，飲水污染是砷污染主要的攝入途徑，礦區的地下水砷污染會對于礦區周邊村落的居民健康造成嚴重威脅。

三、礦區地下水砷污染預測

（一）預測方法

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

（二）預測污染源位置

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

沉淀池：每個礦段排水地面均設計有沉淀池。礦井涌水在沉淀和重復使用過程中可能存在沉淀池和管網滲漏污染地下水的風險。

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

（三）預測參數選取

1.預測條件概化

礦山生產服務年限為10.5年，因此生產設施及廢石場至少存在10年以上，活動位置將成為持續污染源。預測遵循風險最大原則，重點考慮污染物在地下水系統中的對流、擴散、彌散、運移作用，不考慮地層吸附、水環境化學反應解吸、生物降解及包氣帶阻滯等作用。預設初始砷污染濃度為0.19mg/L，預測時段為含砷污染水發生滲漏后的100天、1000天、3650天，并采用Ⅲ類標準進行評價。

2.縱向彌散系數

以游離態砷元素為例的地下水溶質運移模型主要參數為彌散度。通常空隙介質中的彌散度隨著溶質運移距離的增加而增大，野外彌散試驗所求出的彌散度遠遠大于在實驗室所測出的值。即使是同一含水層，溶質運移距離越大，經計算得出的彌散度也越大，無論是在野外還是在室內，彌散試驗均難以獲得準確的彌散度值。因此，本次評價參考前人的研究成果（圖2），縱向彌散系數參考經驗數據，D_L=1.0m²/d。

3.污染源區域滲透系數

通過水文地質試驗計算出3個礦段附近滲透系數，詳見表1。

4.預測結果分析

淋濾液的持續滲漏，砷在水動力條件下向周圍及下游擴散，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，當金礦開采至10年后，預測砷污染影響范圍將達到700～2800m，見表2。

由預測結果可見，在金礦持續開采過程中，若不采取防治措施，砷元素造成礦區地下水污染的最大影響距離將達到2.8km左右，受影響的村莊約4處，影響現有民井5口、現有取水點5處。

四、礦區地下水砷污染預測結論及防治建議

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，如廢石堆放區域采取從上往下鋪設植被層、表面水收集排放層、表面阻隔復合襯層等有效的物理阻隔措施防止水體滲漏進入地下，同時完善礦井水凈化達標排放處理設施，禁止隨意排放廢水，修建合理的降水導排系統阻隔大范圍雨水匯集在廢石場形成積水，嚴格按照相關規范做好地下水污染跟蹤監測計劃，將有效防止金礦開采過程中造成地下水污染，達到環境、經濟和社會效益的統一。

參考文獻：

[1]蘇夢笛.黃鐵礦（001）及砷黃鐵礦（001）表面氧化機理的理論研究[D].湘潭大學，2021.

[2]李巧，周金龍，曾妍妍.奎屯河及瑪納斯河流域平原區地下水中氮素對砷遷移富集的影響[J].環境化學，2017，36（10）：2227-2234.

[3] Lig， Sungx， Williamspn， etal. In Organic Arsenic in Chinese Food and its Cancer Risk[J]. Environment International， 2011，37（07）： 1219-1225.

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

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