广东大宝山矿区堆积土水土流失对重金属迁移量的影响

陈三雄,周春坚,谢江松,舒若杰,廖建文,常 进,朱世海,李海东

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610;2.广东省水利厅,广东 广州 510611;3.广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510611;4.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042)

矿产资源是国民经济和社会发展的重要物质基础,矿产资源的开发利用为经济发展做出了巨大贡献。然而,矿山开采不仅会直接导致大面积的植被破坏和水土流失,而且会产生大量的剥离土、废弃矿石和尾矿等固体废弃物[1]。在降水径流等外营力作用下,含有重金属污染物的矿山固体废弃物伴随着水土流失而污染水源和农田[2-3],并在土壤中积累。当重金属积累到一定量后会对土壤-植物系统产生毒害,不仅导致植被恢复困难[4],土壤退化,农作物产量和品质降低,还可能通过直接接触、食物链等途径危及人类的生命和健康。因此,矿山,特别是露天开采的金属矿山普遍存在水土流失、重金属污染等环境问题[5-6],严重影响“绿水青山就是金山银山”生态战略思想的实现。

广东省大宝山矿位于粤北山区,是一座大型多金属硫化物伴生矿床。经过近60 a露天开采,加上缺乏有效管制的民采,导致大量含重金属离子的酸性废水和泥沙进入下游生态系统,给周围环境带来严重污染[7]。大宝山矿区重金属污染问题引起了学者的广泛关注和相关研究[8-9]的开展,但鲜见水土流失对重金属迁移影响研究方面的相关报道。

据调查,在大宝山矿区堆积着大量矿产开采剥离的弃土,巨量堆积土为水土流失的剧烈发生提供了物质基础,是矿区最重要的潜在环境污染源。已有研究表明,重金属随暴雨径流的迁移是造成重金属污染的根本原因[10]。为此,笔者以广东省大宝山矿区不同年限堆积土为研究对象,对其径流及泥沙流失、重金属随径流泥沙迁移特征进行研究,以期为矿区环境污染治理提供科学依据。

1 矿区概况

大宝山矿位于广东省韶关市曲江区、翁源县交界处,于1958年建矿,1966年建成投产。大宝山矿床是南岭成矿带的主要组成部分,主矿体上部为褐铁矿体,下部为铜硫矿体,并伴生有钨、铋、钼等有色金属矿。

大宝山矿区地处南岭低山区,以侵蚀地形为主,并有少量喀斯特地形,海拔一般在300 m以上。矿区属中亚热带季风气候区,多年平均气温约为20.3 ℃,多年平均降水量约为1 673 mm。矿区出露地层绝大多数为晚古生代沉积岩系。地带性土壤类型为红壤,随海拔高度增加逐渐为山地黄壤所替代。地带性植被类型为典型常绿阔叶林,随着海拔升高,逐渐向山地常绿落叶阔叶林类型演变,乔木层主要包括樟科、壳斗科、山茶科等植物种,灌木层以茜草科、山茶科的一些种类为主,草本主要为蕨类。受采矿活动影响,矿产开采区域原生植物破坏严重。

2 研究方法

2.1 样地设置

在大宝山矿区有大量采矿剥离废弃的堆积土,根据堆积时间长短,将堆积时间在2 a内的定义为新弃土,堆积时间超过2 a的定义为老弃土,以未扰动的裸露坡地为对照(自然土)。共设置老弃土、新弃土和自然土3个类型样地,每个样地设置2个重复。各样地基本情况见表1。

表1广东省大宝山矿区径流模拟冲刷试验样地基本情况

Table1Thecharacteristicsofrunoff-causederosiontestplotsintheDabaoshanminingareaofGuangdongProvince

样地类型堆积时间/a土壤类型土壤容重/(g·cm-3)不同粒径(mm)颗粒组成/%w/(mg·kg-1)>2>0.2^2>0.02^0.2>0.002^0.02≤0.002CdPbZnCu 新弃土1)0.5中砾石土1.5065.4610.7910.879.243.6410.3±1.5954.6±127.41 562.3±35.81 434.5±45.0 老弃土2)3重砾石土1.5771.106.1811.899.401.4320.7±3.41 665.9±142.91 963.9±141.81 440.1±130.1 自然土3)—轻砾石土1.2831.6212.7615.9627.1612.503.8±1.3294.6±77.6194.7±11.7290.3±34.0

1)位于凡洞生活区东侧临时堆土区;2)位于内排土场;3)位于凡洞生活区南侧。

2.2 试验方法

采用自制的便携式土壤冲刷仪,对不同类型堆积土进行野外径流小区模拟径流原位冲刷试验[11-12]。土壤冲刷仪由蓄电池、无刷直流水泵、电位器、输水管、流量计和溢流箱组成。小区用1 mm厚钢板围蔽而成,钢板插入地下0.25 m以上深处,地上出露0.1 m以上。小区坡度为25°,长2.0 m,宽0.5 m,下方设置集流槽。试验冲刷流量为500 L·h-1,冲刷时间为20 min。试验时,通过调节电位器来控制冲刷流量,通过溢流箱的缓冲使水流均匀地以薄层水流形式进入径流小区。

试验过程中,小区产流后用径流桶在集流槽出水口每隔2 min收集该时段全部径流和泥沙样。将径流桶收集的水样充分搅拌,用量杯取浑水样,采用过滤烘干法测定量杯所取浑水样的径流体积和含沙量,以此推算该时段小区径流量和侵蚀泥沙量[13]。将径流桶剩余水样静置澄清,小心倒去上部清水后将泥沙晾干,运回实验室风干后过0.15 mm孔径尼龙筛,采用HF-HClO4-HNO3消解、定容,制备待测液,用美国PE公司生产的电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-4300DV)测定泥沙样中Cd、Pb、Zn和Cu含量。其中,重金属流失率表示单位时间、单位面积重金属流失量[10],计算公式如下:

Vi=(Ci×Qi)/(s0×Ti)。

(1)

式(1)中,Vi为第i时段重金属平均流失率,mg·min-1·m-2;Ci为第i时段泥沙重金属含量,mg·kg-1;Qi为第i时段泥沙流失量,kg;s0为径流小区面积,m2;Ti为第i时段冲刷时间,min。

2.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据处理与分析。

3 结果与分析

3.1 不同类型堆积土水土流失随时间的变化特征

由图1可知,在20 min内,大宝山矿区不同类型堆积土径流量均随时间变化呈上升趋势,新弃土和老弃土平均径流量分别为6.52和5.75 L·min-1,远高于自然土(0.69 L·min-1)。新弃土和老弃土20 min累积径流量分别为130.40和115.00 L,分别是自然土(13.80 L)的9.45倍和8.33倍,相同时段新弃土、老弃土累积径流量要远远高于自然土(图1)。

不同时刻径流含沙量和产沙率见图1。从变化趋势来看,不同类型堆积土径流含沙量和产沙率均随冲刷时间的延长而逐渐减小。新弃土、老弃土和自然土径流中平均含沙量分别为156.79、51.68和23.99 g·L-1,平均产沙率分别为0.99、0.27和0.03 kg·min-1,新弃土平均含沙量、产沙率最高,老弃土次之,自然土最低。

图1 不同类型堆积土水土流失随时间变化过程

3.2 不同类型堆积土重金属随径流泥沙的迁移特征

由表2可见,新弃土、老弃土和自然土侵蚀泥沙中Cd平均含量为3.36 ～38.41 mg·kg-1,Pb平均含量为304.57～1 647.75 mg·kg-1,Zn平均含量为177.66～1 818.16 mg·kg-1,Cu平均含量为322.89～1 683.91 mg·kg-1。可以看出,3种样地类型中新弃土侵蚀泥沙中重金属平均含量最高,Cd、Pb、Zn和Cu平均含量分别是自然土的11.43、5.41、10.23和5.22倍。老弃土侵蚀泥沙中重金属含量与新弃土相差不大,但也明显高于自然土。

从重金属流失率来看,20 min内新弃土和老弃土侵蚀泥沙Cd平均流失率为32.55和12.18 mg·min-1·m-2,远高于自然土(0.09 mg·min-1·m-2);类似地,新弃土、老弃土和自然土Pb平均流失率为1 648.98、432.10和8.07 mg·min-1·m-2,Zn平均流失率为1 854.35、460.14和4.92 mg·min-1·m-2,Cu平均流失率为1 742.63、429.47和8.69 mg·min-1·m-2。可以看出,重金属平均流失率最高的是新弃土,其次为老弃土,自然土最小。新弃土侵蚀泥沙Cd、Pb、Zn和Cu流失率分别是自然土的361.67、204.33、376.90和200.53倍,老弃土则分别是自然土的135.33、53.54、93.52和49.42倍。

表2不同类型堆积土侵蚀泥沙在不同时刻的重金属含量和流失率

Table2Heavymetalcontentanderosionrateofdifferenttypesofaccumulativesoilatdifferenttimes

样地类型时间/minw/(mg·kg-1)流失率/(mg·min-1·m-2)CdPbZnCuCdPbZnCu 新弃土419.171 703.171 996.461 957.2745.083 990.704 907.974 604.21 841.341 569.761 530.131 504.4756.032 107.122 056.602 018.53 1260.771 632.211 808.741 630.8333.88902.44999.07903.43 1644.161 712.181 784.731 595.9523.74985.03988.67903.22 2026.611 621.431 970.741 731.024.01259.60319.46283.77 平均值38.411 647.751 818.161 683.9132.551 648.981 854.351 742.63 老弃土446.681 544.651 718.431 639.8234.221 224.181 387.391 326.52 859.471 639.391 584.151 427.1519.17573.75552.26501.06 1244.111 608.601 636.511 417.335.23189.71192.95167.20 1618.391 592.361 599.821 461.321.2787.0589.1380.80 2019.451 650.431 518.991 380.021.0185.8178.9771.76 平均值37.621 607.081 611.581 465.1312.18432.10460.14429.47 自然土43.08307.97166.68328.470.033.371.833.59 83.66309.03181.87306.420.076.223.626.18 123.01300.54171.21301.580.065.983.456.00 163.31286.94182.32320.940.2723.8315.1226.61 203.74318.36186.20357.020.010.950.561.07 平均值3.36304.57177.66322.890.098.074.928.69

3.3 堆积土水土流失量与重金属迁移量的相关性

由表3可见,径流泥沙中Cd、Pb、Zn和Cu含量与径流量呈极显著正相关关系(P<0.01),径流泥沙中Cd、Pb、Zn和Cu流失率与径流含沙量、产沙率呈极显著正相关关系(P<0.01),表明径流及泥沙流失对重金属的迁移有显著影响。

表3水土流失量与径流泥沙中重金属迁移量的相关系数

Table3Correlationcoefficientbetweensoilerosionandheavymetalmigration

指标Cd含量Cd流失率Pb含量Pb流失率Zn含量Zn流失率Cu含量Cu流失率 径流量0.777∗∗0.558∗0.991∗∗0.457 0.984∗∗0.429 0.971∗∗0.424 含沙量0.2440.853∗∗0.3920.987∗∗0.4430.982∗∗0.521∗0.985∗∗ 产沙率0.2930.867∗∗0.4670.999∗∗0.514∗0.991∗∗0.588∗0.993∗∗

*α=0.05显著水平,**α=0.01显著水平。n=15。

4 讨论

野外原位试验结果显示,大宝山矿区2种类型堆积土(新弃土、老弃土)水土流失量均远大于自然土,表明受采矿活动影响,矿区土壤扰动堆积后,土壤结构遭到破坏,土壤的抗冲、抗蚀力减弱,在径流冲刷外营力作用下更容易发生侵蚀[14-15],导致其土壤侵蚀量较自然土要大很多倍。与此同时,伴随着水土流失,土壤中Cd、Pb、Zn和Cu等重金属同步发生迁移[16-18],亦表现出堆积土重金属迁移量要显著高于自然土的现象。重金属随暴雨径流的迁移包括水相和沉积相(泥沙)的迁移[19]。据梁涛等[10]的研究,水相迁移量仅占沉积物相迁移量的0.1%～4.9%,重金属主要随径流中泥沙颗粒向下游迁移[20]。由于受野外试验条件的限制,笔者研究中没有测定重金属随径流水相的迁移量。但对比堆积土含沙量、产沙率与重金属流失率的变化过程曲线,其变化趋势、幅度及变化过程均表现出高度一致性,相关分析结果也表明含沙量、产沙率对重金属迁移量有极显著影响。可见,若要控制重金属对外部环境的危害,必须治理矿区水土流失,控制泥沙随径流下泄进入下游生态系统。

比较2种不同类型堆积土的水土流失及重金属迁移量可知,在相同试验条件下新弃土径流量、含沙量和产沙率分别为老弃土的1.13、3.03和3.67倍,新弃土Cd、Pb、Zn和Cu流失率是老弃土的2.67～4.06倍,新弃土水土流失量及重金属迁移量均明显高于老弃土,表明堆积时间对堆积土水土流失及重金属迁移量有明显影响,堆积时间越短,其水土流失量及重金属迁移量就越大。可能的原因是新弃土堆积时间较短,土壤容重较小,结构更松散,土壤抵抗径流冲刷的能力相对较差[21-22],导致其土壤侵蚀量和重金属迁移量更大。因此,矿区采矿剥离弃土堆积后,应及时跟进水土保持措施,以减缓水土流失,从而减少重金属随径流泥沙向下游的迁移量。

从土壤冲刷过程来看,自然土含沙量、产沙率和重金属流失率变化较平稳,这可能与自然土有较好的均质性有关。而堆积土含沙量、产沙率和重金属流失率随时间变化的波动较大,新弃土和老弃土前2 min径流含沙量分别为461.08和233.64 g·L-1,分别为其20 min平均含沙量的2.94和4.52倍;新弃土和老弃土前2 min径流产沙率分别为2.94和1.11 kg·min-1,分别为其20 min平均产沙率的2.97和4.11倍。重金属流失率亦表现出相同特点,新弃土4 min时Cd、Pb、Zn和Cu平均流失率分别为20 min时的11.24、15.37、15.36和16.23倍,相应的老弃土分别为33.88、14.27、17.57和18.49倍。由此可见,堆积土在受径流冲刷时有十分明显的“初期冲刷”效应[23-24],即在径流产沙初期,堆积土径流中含沙量、产沙率和重金属流失率均很高,而后随着时间快速下降。所以在产流初期对堆积土水土流失的防控十分关键。

5 结论

(1)在相同试验条件下堆积土径流量、平均含沙量、产沙率及泥沙重金属平均含量、重金属流失率均远高于自然土,矿区土壤扰动堆积后其水土流失量及重金属迁移量明显增加。

(2)新弃土水土流失量和重金属迁移量均高于老弃土,堆积时间对堆积土水土流失及重金属迁移量有明显影响。堆积时间越短,水土流失量和重金属迁移量就越大。

(3)堆积土含沙量、产沙率和重金属流失率随时间变化的波动较大,且有明显的“初期冲刷”效应,即在产流初期含沙量、产沙率和重金属流失率较高,而后随冲刷时间快速下降。而自然土在整个冲刷过程中的含沙量、产沙率和重金属流失率变化较平稳。

(4)径流及泥沙流失对重金属迁移量有明显影响。若要控制重金属对外部环境的危害,必须治理矿区水土流失。