有色金属矿尾矿库和废石场土壤安全评价及复垦措施——以郴州市宜章长城岭铅锌多金属矿为例<br/>

有色金属矿尾矿库和废石场土壤安全评价及复垦措施——以郴州市宜章长城岭铅锌多金属矿为例

2010-05-08余光辉张卓李振国

水土保持通报 2010年3期

余光辉，张勇，张卓，李振国

(湖南科技大学资源环境与城乡规划管理系，湖南湘潭411201)

自1988年《土地复垦规定》颁布以来，我国的土地复垦事业有了长足的发展，这一成就对削减耕地赤字，遏制耕地锐减势头和缓解我国人地矛盾发挥了重要的作用。目前矿区土地复垦根据其用途可分为农业复垦、林业复垦、渔业复垦、自然保护复垦、水资源复垦和工业复垦等，其中发达国家农业复垦和林业复垦最普遍。如英国复垦的重点是污染土地修复和矿山废弃地复垦，其复垦目的不仅是保护环境和恢复土地利用，更重要的是解决环境安全问题。在我国由于耕地面积有限，目前复垦的核心便是恢复耕地[1-3]。湖南省郴州市矿产资源比较丰富，具有种类多、储量大、分布广和质量好等特点，素有“煤田”和“有色金属之乡”美称，其矿产资源主要分布在市域中部、西南部、南部和东部边境。宜章长城岭铅锌多金属矿位于郴州市宜章县城东北部，隶属于赤石乡。已开采矿区总面积为0.631 2 km2，是一个小型铅锌多金属矿，主要有铅、锌、锑等金属矿产，已探明量约为564 361 t，其中Pb 2.66%，Zn 1.41%，Sb 1.05%。郴州矿区的开采给周围的环境带来了很大的影响，矿区周围的土壤、空气和水体环境均受到了不同程度的污染[4-5]，矿区生态环境与土地复垦问题己经成为当地政府、群众与研究者共同关注的热点问题。

本文通过分析郴州市宜章矿区土壤重金属污染情况，提出矿山复垦相应的对策和建议。旨在为解决矿区周围居民的生活环境安全提供理论依据，并为同类矿区土地复垦提供科学指导。

1 研究区域概括

1.1 尾矿库和废石场概况

矿区尾矿库位于宜章县赤石乡塘被村，最高海拔标高为609.9 m，最低海拔标高为490 m，尾矿库占地面积为21 000 m2，总库容量约156 554 m3，地貌为剥蚀丘陵地貌，沟谷开阔，周围除少量菜地外，植被主要以灌木草丛为主。土地以林草地为主，占64.4%，荒山坡地19.3%，耕地6.6%，尾矿库0.27%，其它为水域、生产用地及废弃用地。

废石场位于矿井旁的坡地，占地面积为2 000 m2，容积为8 000 m3。废石场由于建设较早，建设不规范，边坡未设防护墙，下游也未设挡渣墙，废石堆放不太稳定，容易形成泥石流。

1.2 环境概况

矿区所在地土壤主要为侵蚀土和壤土2种类型，土壤层厚度10—30 cm不等。由于矿区开采多年，局部地表植被已遭到破坏。本区地处亚热带季风湿润气候区，四季分明，多年平均气温为19.6℃，降雨充沛，年平均降水量为1 504 mm 。

在进行矿山开采和矿产品加工过程中，矿石中的重金属元素会迁移扩散到矿区和作业区，采矿过程中产生的尾砂和废石全堆放在尾矿库和废石场，水土流失造成重金属污染迁移扩散。由于长城岭矿山开采与选矿企业对地表水的长期污染，地表水灌溉造成农田土壤中的重金属和其它化学污染物质增加，土壤pH值降低，物理性质恶化，农作物生长受到抑制，粮食存在重金属含量高的风险。

2 矿区土壤环境污染

2.1 分析与评价方法

2.1.1 采样与分析根据研究区地形条件、土壤分布及其利用状况、土壤肥力差异、离污染源的距离远近等，在研究区内选择具有代表性的5个采样点，每个采样点采集5个土样。选取的土样为矿区废石堆放场，尾矿库周围荒草地表土样，尾矿库周围荒草地剖土样，下塘背村农田表土样，下塘背村农田剖土样。土壤重金属元素全量测试方法按照国家标准方法测定(GB/T 15555.2-1995)。

2.1.2 评价方法按国家标准并结合该区实际，选取在该区影响较大的5种重金属元素(Pb，Zn，Cu，Cd和As)作为土壤环境质量评价因子。根据国家土壤环境质量标准(GB 15618-1995)和研究区域土壤背景值，采用指数法来评价土壤环境质量和污染状况。土壤环境质量分为3个等级，其中一级标准针对区域土壤诸元素背景值评价，二级标准评价区域是否受到污染，而三级标准则是土壤临界值评价。本文主要是评价该区域是否受到污染，受到污染的程度，因此选用二级标准。综合污染指数全面反映了各污染物对土壤污染的不同程度，同时又突出高浓度对土壤环境质量的影响，因此用综合污染指数评定和划分土壤质量等级更加客观。

首先用公式(1)计算单项污染指数，然后根据单项污染指数，采用内梅罗(N.L.Nemerow)法分别计算各个元素的综合污染指数及土壤的综合污染指数〔公式(2)〕[6]。

式中:P——土壤中i元素的污染指数;Ci——土壤中某元素i的实测值;Si——土壤中某元素i的评价标准值。

式中:PN——内梅罗综合指数;avr(pi)——平均值;max(pi)——所有元素污染指数中的最大值。

2.2 结果分析

样本测试结果与环境土壤标准值见表1，矿区土壤重金属污染评价结果见表2。从表1中可以看出，矿区废石Cd严重超标，其它因子尚未超标;尾矿库270 m外的下塘背村农田土壤As严重超标，其作物已经开始受到污染;而尾矿库周围的荒草地已经受到了中度污染，其As和Cd均超标。由表2可以看出，长城岭矿废石属于严重污染，污染等级达到警戒线;下塘背村农田土壤为轻污染，其它土壤为中污染。在所有测试的土壤中，As和Cd这2种元素在所有测试土壤中均严重超标，达到警戒级污染。

表1 矿区不同土壤重金属含量 mg/kg

表2 矿区土壤重金属污染评价结果

这些污染对周围植被的生长造成了很大威胁，对周围的生物和居民带来很大的健康风险。因此，急需对尾矿库及废石场周围的受污染土壤进行污染治理和复垦，并改善库区的工程设备更好的控制污染源。

3 复垦措施

就矿山复垦工作而言，不能单一偏重一面，应该根据具体情况，使矿山生产与环境保护协调发展，常用的复垦技术有工程复垦和生物复垦[7-8]。由于尾矿库和采石场的服务年限均未满，从经济效益和污染风险角度考虑不适宜进行覆土复垦，所以可以先对尾矿库和采石场进行更有保障的生态修复，对土壤进行改良，再于服务期满后统一进行覆土复垦。如果生态修复效果显著，则可进行耕地复垦工程。

3.1 服务期

3.1.1 工程复垦技术场地稳定技术[9-10]。主要包括尾矿库坝墙、排土场堆稳定性评估、加固设计和库面排水，尾矿库的排水系统。由于研究区的废石场建设较早，建设不规范，边坡未设防护墙，下游也未设挡渣墙，废石堆放不太稳定，所以研究区必须采取场地稳定措施，对废石场的边坡设撇洪沟，坡面干砌石护坡，建立防护墙，以稳定废石堆。

污染防治技术[9-10]。加强尾矿库溢流水对纳污水体水质的影响防治，由表1可以看出，下塘背村的农田剖土As已超标3.65倍，这很大程度是由于尾矿库的溢水以及矿区水土流失，将重金属冲积到小溪，而农田再由小溪灌溉而致，所以必须对尾矿库的坝体进行修复。研究区以山区地形为主，容易形成泥石流等地质灾害，所以在生产过程中，采取的污染防治技术主要以预防为主。在尾矿库和废石场上游及两侧修建引水渠，将雨水引至堆场外，力求减少流经矿区范围的地表径流，通过减缓流速来削减形成泥石流的水源和动力;在尾矿库和废石场的下游均修建格栅坝和桩林等工程，以便拦截水流中的石砾等固体物质。

3.1.2 生物复垦技术由于矿区土地主要存在重金属As和Cd污染，所以可以选取植物修复技术，即利用部分植被能忍耐和超量累积某些重金属的特性，通过植物的提取作用、挥发作用、稳定化作用与根际过滤作用来原位清除、稳定污染土壤中的重金属。通过种植重金属富集性植物，固定土壤中的重金属，经过几季收割后，降低土壤中的重金属含量，并逐步减轻重金属污染。

研究表明，湖南柿竹园矿区土壤重金属含量及植物吸收特征分析认为蜈蚣草(Pteris vittata L)羽叶砷含量达2 298 mg/kg，根部砷含量达1 582 mg/kg，证明蜈蚣草是砷的超富集植物，具有很强的修复砷污染土壤的能力[11-12]。此外，蜈蚣草对镉、铅和锌也具有很高的耐性，在柿竹园矿选厂被高浓度镉、铅、锌污染的土壤上蜈蚣草也有分布。可见，蜈蚣草可用于修复砷、镉、铅、锌等重金属复合污染土壤。另苎麻(Urtica nivea L.)对砷也具有极强的耐性和富集能力，高砷区苎麻叶、茎、根中的砷含量分别为536，103和69 mg/kg[13]，苎麻还具有很强的富集镉的能力[14]，在含镉10 mg/kg的污染农田土壤上，其地上部含量能达到15 mg/kg。此外，香根草(Vetiveria zizanioiaes)具有很发达的根系，可以有效控制和防止土壤侵蚀和滑坡。该植物对土壤盐度、钠、酸性、铝、锰和其他多种重金属也有很高的耐受能力，适合于重金属污染土壤的复垦和土地填埋区渗出液的处理，依据植被覆盖率和生物量计算，香根草是在南中国铅锌矿复垦中最有效的植物[7]。有研究表明芒草(Iuicium lanceolatum A.C.Smith)能囤积大量的Pb和Zn，但根据调查发现湖南黄沙坪铅锌矿在尾矿库上种植芒草完全失败[11]，可见芒草并不一定适合于尾矿库复垦。根据矿区的气候、土壤类型与污染特征，可以选择蜈蚣草、苎麻和香根草等植物来修复矿区重金属污染。

因为尾矿库土壤出现土地沙化和肥力退化严重，不能为植物提供必要的养料、水和矿物质，所以必须根据复垦植物所需营养进行土壤基质改良。研究表明采用生活垃圾和无机肥对种植香根草的基质进行改良，可以使香根草生长最好，并减少重金属向草食动物迁移，且可回用废物[15];另外如种植抗重金属植物，或进行菜地复垦，可用尾矿与污泥进行等量混合，可增加植物生长所需营养;同时还可采用猪粪和石灰等改善基质的pH值，为植物生长提供有利条件。根据复垦植物的选择，复垦区的土壤基质可用生活垃圾和无机肥进行改良，生活垃圾可直接从下塘背村运出。

3.2 服务期满后复垦建议

3.2.1 废石场的复垦由于废石场不能用于直接种植植被，因此，应先对废石堆场进行整治，覆土0.5 m以上，边坡缓在35°以下，再进行植被种植。可以考虑先种植草本植物，待土质熟化后再种植竹林、马尾松和油茶等适应性强的林木。

3.2.2 尾矿库复垦由于尾矿凝聚能力差，透气和容气性能低，属于不符合植物生长的土壤结构;尾矿中富集重金属，可能对植物根系产生伤害或通过食物链转移;而且尾矿中缺乏植物生长的营养物质，土壤细菌及微生物无法生存，因此尾矿复垦前应做如下处理:(1)挖松干涸硬化的表面层，平整尾矿库表面;(2)在挖松表层中撒铺碎粒(粒径不大于6mm);(3)在尾矿库表面铺盖15～25 cm厚的土层;(4)种植前用中和药剂处理播种苗床，并施加足够的肥料[10]。做好以上处理后，即可先种植草本植物，待土质熟化后再种植用材林木。应选择生长快，抗逆境能力强，生物化学活跃的树种营造人工林，同时考虑不同植物群落和品种植物的搭配，本地和外地植物品种结合，以及有固氮作用的作物种植方案。但是不可在尾矿坝边坡处种植根深乔木，以免破坏坝基的稳定，适宜种植低矮匍匐型根浅草种。