旬陽鉛鋅礦帶地質環境問題現狀及治理對策

楊 敏,楊 兵*,陳華清,聶興信,張 鑫,賀攀陽

(1.西安建筑科技大學資源工程學院; 2.中國地質調查局西安地質調查中心)

引 言

長期以來,鉛鋅礦作為重要的工業原料來源,許多國家都在大力勘探和開發利用,并且取得了巨大的經濟收益。礦山作為礦產資源開發的主體,高強度、粗放式的采礦活動不但破壞了礦區周邊的地質環境,而且還在一定程度上造成了土地損毀,甚至引起采空區塌陷、滑坡、崩塌和泥石流等地質災害[1],嚴重危害礦山人民生命財產安全。

旬陽鉛鋅礦帶地處秦嶺南坡,而秦嶺作為中國重要的生態環境屏障,于2023年7月1日實施的《陜西省秦嶺生態環境保護條例》禁止秦嶺范圍內開山采石等行為,并提出了秦嶺生態環境監管與修復項目[2]。因此,為了保護旬陽鉛鋅礦帶地質環境,減少礦產資源開采活動造成的礦區地質環境破壞,保護礦區人民生命財產安全,促進礦產資源的合理開發利用和資源環境、經濟社會的協調發展,依托中國地質調查局牽頭開展的“重要礦集區生態地質調查”項目,查明了旬陽鉛鋅礦帶地質環境現狀及鉛鋅礦開發對地質環境影響程度,提出了針對旬陽鉛鋅礦帶及周邊地區的地質環境保護與治理的對策建議。

1 研究區概況

陜西旬陽縣礦產資源豐富,已探明礦產資源有汞、銻、鉛、鋅、鎂、石灰石、重晶石、白云石、石煤等39種,產地100余處[3]。其中,汞、銻、鉛、鋅、石灰石、白云石等礦產資源儲量大。旬陽鉛鋅礦帶東西長約100 km,南北寬10～50 km,鉛鋅礦主要產于中志留統雙河鎮組和下志留統梅子埡組,有泗人溝-南沙溝、楊柳-任家溝-小溝、長沙-西營-黃石板3個鉛鋅(銅)礦集區[4]。在該礦帶內發現20余處鉛鋅(銅)礦床(點),探明鉛鋅儲量94萬t,遠景儲量250萬t[5]。旬陽鉛鋅礦帶主要分布于省道316北側,自西向東分布于甘溪鎮、白柳鎮、城關鎮、構元鎮、關口鎮等,直至蜀河鎮,分布面積達到365 km2[6]。

旬陽縣現有鉛鋅礦山27家,均為微、小型礦山,具體情況見表1。由于鉛、鋅價格下跌,加之多年開采,埋藏較淺的鉛鋅礦已經基本采空,只有埋藏較深的部分鉛鋅礦有待開采。目前,該鉛鋅礦帶只有部分私營企業(12家)進行小規模開采,其他國有礦山企業(15家)都已停止開采。

表1 旬陽鉛鋅礦帶礦山企業Table 1 Mining enterprises in Xunyang Lead-Zinc Belt

旬陽地區由于鉛鋅礦體厚度較薄,因此不論礦山規模大小,均為地下開采,且采空區塌陷地質災害較少。目前,主要礦山地質環境問題為由礦區內尾礦庫和棄渣場產生的土地資源損毀,河流、農田污染及礦山地質災害隱患。

2 地質環境污染現狀

2.1 河流污染

2.1.1 河水評價

研究區154個河流斷面水體pH值為6.86～8.40,大部分河水為中-偏堿性,占比97.40 %;酸性水樣點僅有4個,占2.60 %。根據各元素的平均含量/對照值,單項污染指數從大到小依次為:Cu(2.71)>Cr(1.75)>Pb(1.49)>Cd(1.27)>As(1.25)>Zn(1.08)>Hg(1.00),說明除了Hg外,其余元素均受到不同程度的人類活動影響;研究區內漢江流域、乾佑河流域、旬河流域、公館-竹筒河流域、蜀河流域及西岔河流域等所有水系的154個斷面水質均滿足GB 3838-2002 《地表水環境質量標準》[7]Ⅱ類標準,水質好,幾乎無污染。此外,除個別點位Cd和Zn元素超標外,其余點位水質均滿足GB 3838-2002 《地表水環境質量標準》Ⅰ類標準。旬陽鉛鋅礦帶河水重金屬綜合污染評價情況見圖1。

圖1 旬陽鉛鋅礦帶河水重金屬綜合污染評價圖(1∶5萬)Fig.1 Comprehensive evaluation map for river water heavy metal pollution in Xunyang Lead-Zinc Belt(1∶50 000)

以單元素超標倍數法評價水質,結果顯示所有斷面7種重金屬元素的超標倍數均小于0,即所有斷面均未受到污染,水質良好。以綜合污染指數法評價,6個斷面水質為清潔,占比3.90 %,且均為支溝;其余148個斷面水質為尚清潔,占比96.10 %。這說明水質目前尚未污染,但總體上已經達到警戒線,需要引起注意,防止礦業開發對河流污染。

2.1.2 河流底泥重金屬累積評價

16件河流底泥樣品的pH值為8.31～9.32,平均值為8.83。Zn平均質量分數最高,為165.744 mg/kg,其次是Cr、Pb、Cu、As、Cd、Hg,與GB 15618-2018 《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[8]中的風險篩選值相比,Cd存在超標現象,是標準的1.34倍,其他元素的平均值均滿足標準要求。分析各元素最大值與風險篩選值,發現Cd和Zn元素存在超標現象,分別為標準的3.93倍和1.66倍,其余元素最大值滿足標準要求,說明研究區部分河段存在Cd和Zn元素生態風險,需要引起注意。相對于鄰區對照值,各元素的平均累積倍數從大到小依次為Cd、Zn、As、Cu、Pb、Cr、Hg,除了Hg元素外,其余元素均存在累積效應,但累積強度較小。采用研究區上游3件河流底泥樣品重金屬含量平均值作為對比評價的標準值,旬陽鉛鋅礦帶河流底泥綜合累積程度評價情況見圖2。

圖2 旬陽鉛鋅礦帶河流底泥綜合累積程度評價圖Fig.2 Comprehensive evaluation map for riverbed slime accumulation degree in Xunyang Lead-Zinc Belt

河流底泥綜合累積指數分析結果表明:研究區16件底泥樣品中,11件為輕度污染,占比68.75 %;其余5件為清潔,占比31.25 %;即大部分存在不同程度的污染,少部分為清潔無污染。旬河水系8個點位中,3個點位為清潔(包含其中2條支溝),5個點位為輕度污染,說明旬河水系水質總體一般,但上游匯水支溝水質較好;漢江水系8個點位中,僅有2個點位為清潔,6個點位為輕度污染(包含2條主河道和4條支溝),說明漢江水系水質總體較差,可能與個別上游支溝存在礦業活動區有關。

2.2 農田污染

2.2.1 農田土壤重金屬含量特征

野外工作采集了78件農田土壤樣品,pH值為6.67～8.80,平均值為8.28,93.59 %樣品pH值大于7.5,為偏堿性土壤。研究區土壤Hg、Cd、Zn的變異程度極強(變異系數大于1);Zn的離散程度極高,標準離差達445.27;Hg和Pb的離散性也較高,標準離差分別為20.15,32.14;As、Cr和Cu也具有一定程度的離散性,標準離差分別為11.63,10.32和7.20;表明區域上7種土壤重金屬元素的含量差異明顯。這可能與研究區涵蓋三大不同礦集區及開采強度不同有關。部分點位重金屬含量相當高,如Zn最大值高達3 940 mg/kg,Pb最大值達222 mg/kg,Cr和Hg最大值分別為107 mg/kg、101 mg/kg;說明人類活動導致的重金屬含量變異極強。

鄰區土壤對照值重金屬Pb、Cd、Cr、Cu和Zn含量相對較高,分別是中國土壤背景值[9]的3.13倍、6.60倍、1.55倍、2.00倍和2.44倍,是關中平原土壤背景值[10]的5.00倍、5.50倍、1.44倍、1.92倍和2.75倍;Hg和As略低于中國土壤和關中平原土壤背景值含量。說明研究區土壤Pb、Cd、Cr、Cu和Zn元素背景值較高,屬于原生地球化學異常,與研究區存在的三大礦集區密切相關。旬陽鉛鋅礦帶農田土壤重金屬單項累積特征具體情況見表2。

表2 旬陽鉛鋅礦帶農田土壤重金屬單項累積特征Table 2 Single-element heavy metal accumulation characteristics in farmland soils in Xunyang Lead-Zinc Belt

與鄰區農田土壤重金屬平均含量比較,土壤重金屬累積點位率排序為Hg(97.44 %)>As(85.9 %)>Zn(20.51 %)>Cd(19.23 %)>Cr(11.54 %)>Cu(8.97 %)>Pb(7.69 %),說明大部分土壤存在Hg、As累積作用影響,小部分土壤存在Zn、Cd、Cr、Cu、Pb累積作用影響。平均累積倍率排序為Hg(204.789)>As(0.781)>Cd(0.152)>Zn(0.141)>Cr(-0.135)>Cu(-0.239)>Pb(-0.467),說明Hg元素的平均累積強度最強,受人類活動影響最大。這可能與研究區汞銻礦的開采、冶煉有關,人類活動改變了地殼中Hg元素的賦存狀態,加速其遷移、轉化等地球化學循環速度,之后陸續地釋放到地表環境中。

2.2.2 農田土壤污染評價

根據GB 15618-2018 《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[8],土壤重金屬風險篩選值的超標點位率排序為Cd(25.64 %)>Hg(24.36 %)>Zn(8.97 %)=As(8.97 %)>Pb(1.28 %)>Cr(0)=Cu(0),說明部分農田土壤存在Cd、Hg、Zn、As、Pb等5種重金屬超標現象,具有健康風險,其中Cd和Hg污染土壤范圍最大;風險管制值的超標點位率排序為Hg(15.38 %)>Cd(1.28 %)>Pb(0)=Cr(0)=As(0),說明研究區農田土壤以Hg和Cd為主要污染元素,并且部分土壤已經達到了需要治理的程度。平均超標倍率排序為Hg(1.300)>Cd(0.270)>Zn(-0.311)>As(-0.314)>Cu(-0.656)>Cr(-0.672)>Pb(-0.745),說明Hg的平均超標程度最高,污染最為嚴重,Cd次之。

土壤重金屬綜合污染指標表明:只有Pb、Cr、Cu的綜合指數未達到污染水平。其中,Cr的綜合指數最小,為0.425;Pb的綜合指數為0.942>0.7,處于警戒狀態。Hg、Cd、As、Zn的綜合指數均達到污染水平,其中,As為中度污染,其余均為重度污染,尤其重金屬Hg,綜合指數達到了29.846。綜上,研究區土壤重金屬Hg污染最為嚴重,其次是Cd、Zn和As。這可能與研究區背景值及特定重金屬礦產的開采有關。

78個土壤監測點中,未污染點位為45個,占比57.69 %。其中,33個點位滿足安全級別,占比42.31 %;12個點位為警戒級別,占比15.38 %。剩余33個點位達到污染級別,輕度、中度、重度污染分別占比19.23 %、5.13 %、17.95 %。從數量上說明,研究區污染土壤面積較大,相關治理研究已經刻不容緩。旬陽鉛鋅礦帶土壤重金屬綜合污染評價具體情況見圖3。

圖3 旬陽鉛鋅礦帶土壤重金屬綜合污染評價圖Fig.3 Comprehensive evaluation map for mining area soil heavy metal pollution in Xunyang Lead-Zinc Belt

評價表明,公館-竹筒流域點位污染最為嚴重,這與該地區歷史開采、冶煉汞礦有關;旬河下游及漢江流域個別點位污染嚴重,多數點位土壤滿足清潔程度,污染嚴重點位多位于支溝溝口,很可能與溝內上游采礦活動有關。蜀河鎮以北點位多為輕度污染。雙河鎮西岔溝流域內,未發現礦業活動現象,除西岔溝以外,均存在不同程度的污染。

3 礦山土地資源損毀現狀

旬陽鉛鋅礦帶開采方式皆為硐采,地表剝離較少,但開采過程中,廠房建設、棄渣堆放、修建道路等都對原始地貌景觀形成了較嚴重的破壞,尤其是棄渣堆放壓占了大量林地草地,破壞了生態環境,且缺少相應的排水、復綠及工程治理等措施。目前,旬陽鉛鋅礦帶土地壓占與破壞62處,壓占林草地517×104m2,總體積達到712.0×104m3。其中,廢石渣場51處,壓占林草地290×104m2,體積為303.5×104m3;尾礦渣場11處,壓占林草地227×104m2,體積為408.5×104m3。

4 礦山地質災害隱患

由于該礦帶內地層巖性多為千枚巖,巖石風化嚴重,礦山開采工程活動強烈,采礦棄渣堆放在斜坡上、溝道中,容易產生崩塌、滑坡、泥石流等地質災害[11]。主要表現為修路斬坡破壞原有斜坡應力分布狀態,形成滑坡隱患;溝谷斜坡上的硐口采礦棄渣直接傾瀉于硐口外斜坡地帶,順坡而下,構成了坡面礦渣型泥石流隱患。

4.1 崩塌災害隱患

陡峻斜坡上的巖土體在重力作用下突然脫離母體,迅速崩落滾動,而后堆積在坡腳或溝谷的現象稱為崩塌[12]。崩塌有時會砸毀、掩埋房屋和其他工程設施,危害人類生命財產安全。經調查分析,共有4處崩塌,體積僅為2 292 m3。統計結果見表3。

表3 旬陽鉛鋅礦帶崩塌及其隱患統計結果Table 3 Statistics of collapse and its risks in Xunyang Lead-Zinc Belt

4.2 滑坡災害隱患

滑坡是指斜坡上的土體或巖體,受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響,在重力作用下,沿著一定的軟弱面或軟弱帶,整體或分散地順坡向下滑動的自然現象[13]。發生在礦帶的滑坡,可摧毀礦山設施,傷亡員工,毀壞廠房,使礦山停工停產,常造成重大損失[14]。經調查分析,共有滑坡2處,體積不大,僅為470×104m3。統計結果見表4。

表4 旬陽鉛鋅礦帶滑坡及其隱患統計結果Table 4 Statistics of landslide and its risks in Xunyang Lead-Zinc Belt

4.3 泥石流災害隱患

由暴雨、大量冰雪融水或江湖、水庫潰決后的急 速地表徑流激發的含有大量泥砂、石塊等固體碎屑物 質,并具有強大沖擊力和破壞作用的特殊洪流造成的 災害稱為泥石流災害[15]。發生在該礦帶的泥石流主要危害是沖毀周邊工廠、鄉村等,造成人畜傷亡,破壞房屋及其他工程設施,破壞農作物、林木及耕地。泥石流有時也會淤塞河道,不但阻斷航運,而且還可能引起水災[16]。經調查分析,共發現泥石流12處,流域面積26.33 km2,平均高差338 m。統計結果見表5。

表5 旬陽鉛鋅礦帶泥石流及其隱患統計結果Fig.5 Statistics of debris flow and its risks in Xunyang Lead-Zinc Belt

總的來說,該礦帶崩塌、滑坡的災害等級皆為小型或中型,易發程度均為低易發或不易發。泥石流為采礦棄渣堆放在沖溝內形成的泥石流地質災害隱患物源,從物源、降雨和地形3個因素考慮,均為低易發或不易發。目前,該鉛鋅礦帶企業管理落后,鮮有防護、攔擋、排水等工程治理措施,容易對附近村莊、道路、行人、河流造成危害。

5 礦山地質環境治理對策

結合旬陽鉛鋅礦帶內礦山地質環境問題,將涉及礦山地質環境治理的內容分為水土污染治理、土地資源損毀治理、地質災害隱患治理3類。

1)針對旬陽鉛鋅礦帶河流污染,建議優先采取污染源頭防控措施,對27家鉛鋅礦山實施過濾、除塵等顆粒物治理升級改造,酸性廢水、初期雨水收集處理以減少徑流污染等措施,切斷污染源輸入途徑后采取原位修復法對鉛鋅礦帶河流污染進行治理。針對旬陽鉛鋅礦帶農田土壤污染,經研究分析發現,人類活動導致的重金屬含量變異性極強,研究區土壤Pb、Zn、Cd元素背景值較高,屬原生地球化學異常,與研究區的成礦地質環境密切相關。傳統的重金屬污染農田土壤的修復方法,如隔離法、換土法等,存在土壤擾動大、修復費用高、治理規模小且易造成二次污染等問題,實施起來較困難。建議采用陸生植物修復方法,不僅可以使重金屬污染土壤得到修復和改良,還可以產生生態效益和經濟效益。蘆葦、芒萁對Pb、Zn、Cd的轉運、富集系數均大于1[17],但芒萁屬于典型的酸性土壤指示植物,不適宜在該礦帶農田土壤種植,因此可以選擇在污染農田種植蘆葦,進而達到修復的目的。

2)土地資源損毀治理通常的手段是科學合理地對礦區損毀的土地資源進行復墾[18],一般采取平整、覆土、綠化的辦法,同時還可以利用和推廣新技術,綜合利用尾礦廢石,如采空區充填、用作建筑材料等,減少尾礦廢石占用及破壞土地資源。

3)針對旬陽鉛鋅礦帶崩塌、滑坡的災害等級皆為小型或中型,易發程度均為低易發或不易發,且泥石流亦均為低易發或不易發等情況,首先,應加強企業管理,以整理廢棄土石方為主,局部支擋并系統設置截排水[19],以徹底消除地質災害隱患。其次,可以將礦山地質災害與生態修復有機結合,例如:采取綠化工程技術措施,不僅可以彌補生態修復資金不足的缺陷,達到生態環境修復的目的,還可以在一定程度上對旬陽鉛鋅礦帶的地質災害隱患起到治理作用。

6 結 論

依托中國地質調查局牽頭開展的“重要礦集區生態地質調查”項目、參考相關研究成果、實地調查并對收集的資料進行統計分析,對旬陽鉛鋅礦帶地質環境問題進行分類,主要從由采礦活動引發的水土污染、礦山土地資源損毀及礦山地質災害隱患3方面入手,分析環境問題現狀,最后針對問題提出相應的治理對策。

1)旬陽鉛鋅礦帶主要的地質環境問題為礦區周邊農田、河流污染,礦區土地資源損毀及礦山地質災害隱患。其中,旬陽鉛鋅礦帶周邊污染土壤面積較大,相關的治理研究已經刻不容緩;水質目前雖尚未污染,但總體已經達到警戒線,需要引起注意。開采過程中,廠房建設、棄渣堆放、修建道路等對原始地貌景觀也形成了較嚴重的破壞,尤其是棄渣堆放壓占了大量的林地草地,嚴重破壞了生態環境。該礦帶崩塌、滑坡的災害等級皆為小型或中型,易發程度均為低易發或不易發,且泥石流亦均為低易發或不易發。

2)對于礦區河流污染,建議優先采用污染源頭防控措施;采用種植蘆葦的方法修復污染土壤。科學合理地對礦區損毀的土地資源進行復墾是土地資源損毀治理的通常手段;對于礦山地質災害隱患,首先應加強企業管理,以整理廢棄土石方為主,局部支擋并系統設置截排水,并且可以與生態修復有機結合,采取綠化工程技術措施,最終達到治理地質災害隱患的目的。

3)旬陽鉛鋅礦帶經地質環境綜合治理,將消除地質災害隱患,遏制水土流失的發生,消除對周邊環境的污染,解決了歷史遺留的礦山地質環境問題,改善了生態環境和當地居民生存環境,可促進地方經濟的可持續發展,取得較好的環境、經濟和社會效益。