（环境工程专业论文）秦岭寺沟铅锌矿区重金属污染效应研究.pdf

论文题目：秦岭寺沟铅锌矿区重金属污染效应研究 嘉士兰! 蕃境主程。签名，短复硕士生：何勇( 签名) 2 1 翌毖 指导教师：薛喜成 ( 签名) 呈耋盥 摘要 寺沟铅锌矿区是陕西省重要铅锌矿产基地之一。由于多年不合理的矿产资源开发， 不仅诱发了多种矿山地质灾害，而且还导致严重的环境污染问题，尤其是矿山“三废 ( 废水、废渣、废气) 产生的重金属污染问题。重金属在人体内持续累积，不仅会导致 人体急性或慢性中毒，而且还会造成畸变、癌变和基因突变。由此可见，深入研究铅锌 矿山的重金属污染效应问题，并对其进行有效防控已经迫在眉睫。 论文以位于秦岭腹地的寺沟铅锌矿区为研究范围，通过现场调研和系统采集铅锌矿 弃渣、地表水、底泥和植物样品，室内借助火焰原子吸收分光光度计对样品中p b 、z n 、 c r 、c d 、c u 五种重金属进行了含量重金属测试。结果显示寺沟矿区已经受到重金属污 染且属于严重等级，下游污染更严重，c d 的污染指数最高；底泥易于富集地表水中重 金属，富集能力顺序为p b z n c r c d ，且泥水浓度呈正比；油松样品富集重金属能 力的顺序是p b z n c u c r c d ，累计富集量为松枝 松塔 松针；草样中重金属含 量为茎叶 根。 利用t e s s i e r 五步连续提取法完成了采矿弃渣中重金属形态测试，结果表明弃渣中 重金属的存在方式以残渣态为主，向环境中释放时主要受可交换态控制。通过弃渣淋滤 试验模拟了自然条件下弃渣中重金属的释放过程，发现淋滤前期，淋滤液中p b 、z n 存 在先下降后上升的过程，p b 、c d 整体呈上升趋势。 关键词：秦岭；铅锌矿区；重金属；形态分析；淋滤试验；污染效应 研究类型：理论研究 s u b j e c t：s t u d yo n s p e c i a l t y h e a v ym e t a l s p o l l u t i o n m i n i n g a r e ai nq i n l i n gm o u n t a i n s ：e n v l r o n m e n te n g i n e e n n g 1 n 1 一 n a m e：h ey o n g s u p e r v i s o r ：x u ex i c h e n g a b s t r a c t e f f e c t so fs i g o ul e a d z in c ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) s i g o ul e a d z i n cm i n i n ga r e ai so n eo ft h ei m p o r t a n tl e a d - z i n cm i n e r a lr e s o u r c eb a s e so f s h a a n x ip r o v i n c e f o ry e a r su n r e a s o n a b l ee x p l o i t i n g ，t h em i n i n gs o u r c e sh a si n d u c e dn o to n l y v a r i o u sm i n eg e o l o g i c a ld i s a s t e r sb u ta l s os e r i o u sp o l l u t i o n s ，e s p e c i a l l yt h eh e a v ym e t a l p o l l u t i o n sw h i c h l e db y “t h ew a s t e so f3 ”( w a s t ew a t e r , w a s t em i n e r a lr e s i d u ea n dw a s t e g a s ) c o n t i n u ea c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l si nh u m a nb o d yc a nn o to n l yc o n d u c e dd i s t o r t i o n ， c a n c e ra n dg e n em u t a t i o n ，b u ta l s oc a u s e da c u t eo rc h r o n i cp o i s o n i n g i tc a nb es e e nt h a t t h o r o u g h l yr e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s mo fh e a v ym e t a l sc o n t a m i n a t i o no fm i n ea n dc a r r y i n g o u te f f e c t i v ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lh a v e b e e ni m m i n e n t t h i sp a p e rc h o o s e ds i g o ua st h er e s e a r c hs c o p ei nq i n l i n gm o u n t a i n s i n f o r m a t i o n sw e r e i n v e s t i g a t e di nt h ef i e l d l e a d z i n cr e s i d u e ，s u r f a c ew a t e r , s e d i m e n ta n dp l a n ts a m p l e sw e r e g a t h e r e d t h e s es a m p l e sw e r et e s t e d ，p b ，z n ，c r , c d ，c u ，f i v eh e a v ym e t a l sw i t hf l a m ea t o m i c a b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t e ri nt h el a b o r a t o r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts i g o um i n i n ga r e a h a db e e np o l l u t e da n dt h ep o l l u t i o nb e l o n g e dt oh i g hl e v e l ，w h i l et h ed o w n r i v e r sw a sm o r e s e r i o u s t h ec o n t a m i n a t i o ni n d e xo fc dw a st h eh i g h e s t t h em u de n r i c h e dt h eh e a v ym e t a l s q u i t ee a s i l y t h es e q u e n c eo ft h ea b i l i t yo fe n r i c h m e n tw a sp b z n c r c d t h e c o n c e m t r a t i o no fs e d i m e n ta n ds u r f a c ew a t e rw a si nd i r e c tp r o p o r t i o n t ot h ec h i n e s ep i n e s a m p l e s ，t h ea c c u m u l a t i o na b i l i t yo f h e a v ym e t a l sw a sp b z n c u c r c d t h eg r a d a t i o n o ft o t a lm e t a l sw a sp i n eb r a n c h p i n ec o n e p i n en e e d l ew h i l et ot h eg r a s s e ss a m p l e sw a s h e r b a g e r o o t t e s s i e rf i v e s t e ps e q u e n t i a le x t r a c t i o nm e t h o d sw e r eu s e dt ot e s tt h em o d a l i t yo fh e a v y m e t a l s t h eo u t c o m e si n d i c a t e dt h a th e a v ym e t a l sw e r em a j o r l yr e s i d e n to fr e s i d u a lf o r ma n d c o n t r o l l e db ye x c h e n g e a b l ec o n f i g u r a t i o ni fs e n tt ot h ee n v i r o n m e n t l e a c h i n gt e s tw a su s e d t os i m u l a t et h er e l e a s ep r o c e s so fh e a v ym e t a l si nt h er e s i d u eu n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n s t h e c o n c e r t r a t i o n so fp ba n dz nd e s c e n d e df i r s t ，a n dt h e na s c e n d e d i n e a r l yp e r i o d t h e c o n s i s t e n c i e so f p ba n dc dw e r ea s c e n s i v e k e y w o r d s ：q i n l i n gm o u n t a i n s l e a d z i n cm i m n ga r e a h e a v ym e t a l ss p e c i a t i o n a n a l y s i s l e a c h i n gt e s t p o l l m i o ne f f e c t s t h e s i s ：t h e o r e t i c a ls t u d y 姿料技夫攀 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文, p j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：何旁 日期： 乙射j j3 t 宫 ， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查i 列和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：何匆 指导教师签名：窀芎f y 多年月日 1 绪论 1 绪论 矿产资源是人类赖以生存和发展的重要物质基础之一。我国是矿业大国，矿产资源 总储量位居世界前列。矿产资源的开发在促进社会经济快速增长的同时，不仅会引发多 种地质灾害，如崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等，还会进一步导致许多环境问题的产 生，如冶炼导致大气污染、采选矿导致水污染、大量废弃矿渣占用土地等。矿产资源往 往伴生多种金属元素，其中，以重金属元素对人类造成的威协最大。这些重金属元素会 在矿产资源开发过程中转移到周围环境中，对环境产生各种各样的影响，如我国甘肃徽 县血铅超标事件、日本镉米事件、罗马尼亚金矿含氰化物废水泄漏事件等，不仅造成生 物绝迹，还导致多人丧生。矿产资源开发引发的各种环境问题已经成为全球性的问题， 越来越受到普遍关注。 1 1 选题背景和研究意义 1 1 1 选题背景 ( 1 ) 我国铅锌资源现状 在铜、铝、铅、锌四种常用有色金属中，铅、锌一直是我国传统优势矿产资源，并 成为我国目前发展速度最快、出口量与创汇额最多、效益相对较好的二种有色金属产品 f 1 】。我国会属铅己连续5 年、金属锌己连续1 5 年产量位居世界第一【2 1 。根据我国铅锌工业 生产能力发展预测及年各阶段铅锌消费总需求量【3 】( 表1 1 ，表1 2 ) 来看，未来几年， 我国铅锌矿消费总需求量远远大于生产能力。若要满足对铅锌的消费需求，我国势必要 加大对铅锌矿的采、选、冶力度。但是，根据我国现阶段矿产资源开发与环境的关系来 看，加大矿山铅锌生产能力造成的环境影响不容乐观。 表1 1 我国铅锌工业生产能力发展预测( - 0 - 位：1 0 4 t ) 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 我国铅锌资源特点 我国铅锌资源的特点和开发的总体条件是特大型、大型矿山数量较少，贫矿多富矿 少，但储量较丰富。除沿海部分城市如上海、广州、天津外，各地均有分布。我国铅锌 资源主要分布在滇西兰坪地区、滇川地区、南岭地区、秦岭祁连山地区以及内蒙古 狼山渣尔泰地区。由于铅锌矿为多金属矿床，共生、伴生矿床多，单一矿床岁4 1 ， 除铅、锌外，矿石中还伴有铜、镉、汞、铬等重金属元素，矿石类型复杂。再加之我国 现阶段多采用单一开采模式，矿山选冶回收率低，矿产综合利用率低，这不仅造成极大 的资源浪费，还导致严重的环境污染、生态破坏和地质灾害隐患。因此，矿山资源开发 利用的秩序和矿山环境治理需要加强1 5 j 。 ( 3 ) 重金属污染危害 重金属是指相对密度在4 0 以上的约6 0 种金属元素或相对密度在5 0 以上的4 5 种金属 元素。由于砷和硒的毒性和某些性质与重金属相似，所以将砷、硒也列入重金属范围内。 重金属( 包括砷和硒) 及其化合物可以以气体、蒸汽或气溶胶、水溶液形式存在。重金 属被人体吸收以消化道为主，其次为呼吸道吸收，通过皮肤进入机体最少，而后多数很 快与蛋白质或氨基酸结合进行转运储存。人体内的重金属，除了一部分通过自身代谢作 用排出体外，其余的则在体内聚积，并可生成其他形式的化合物。某些重金属形态发生 变化后，毒性更强，如无机汞甲基化可生成剧毒物质甲基汞。重金属对机体可分别 产生慢性中毒和急性中毒，其损害包括：对人体外部器官的损害，如对眼、鼻、皮肤的 损害；对人体内部器官的损害，如对肝、肾的损害；少数重金属还有致癌性、致畸性和 对神经及血液的损害。 ( 4 ) 矿产资源开发与重金属污染 矿产资源开发不仅会造成矿山地表剥蚀、山体裂开、巷道大面积采空，导致崩塌、 滑坡、地面塌陷、矿山泥石流等地质灾害，包括采、选、冶等矿产资源开发过程还会对 大气环境、水文系统、土地资源、生态功能等造成不同程度的环境污染危害，威胁人类 的生命健康。矿产资源丌发过程中产生的重金属污染问题已经成为世界性难题，引起许 多国家的注意，如美国多诺拉烟雾事件、日本镉米事件和水俣病事件等已经成为世界性 2 1 绪论 公害事件。 重金属对大气环境的影响 重金属对大气环境的影响主要表现在采矿时产生的粉尘，冶炼时产生的烟气等，其 中包括与某些气体产生的联合污染。据我国1 9 8 5 年调查，矿产开发排放的废气最高达 5 4 1 4 万m 3 ，云、贵、川三省土法炼硫磺，年排放含有重金属的二氧化硫和硫化氢达2 6 万吨，堆积含硫废渣2 0 0 0 多万吨，整个炼磺区空气中二氧化硫浓度超过国家标准5 5 0 倍， 形成的酸雨p h 值3 4 ，造成大片耕地寸草不生，几十年难以恢复( 邹知华，1 9 9 4 ) 。瑞典 法伦铜矿开采1 0 0 0 年来向大气中排放了大量的二氧化硫和重金属。在1 7 世纪的生产高峰 期，每年排放的二氧化硫约为4 0 0 0 0 吨，高浓度的二氧化硫对周围的大气、湖泊、森林 造成了严重的影响( a n n 2 0 0 1 ) 。震惊世界的环境公害事件，如比利时马斯河谷事件、 日本四日市哮喘事件等，都是工业排放的烟雾所造成的严重大气污染事件。 重金属对水文系统的影响 矿山开采过程中，除了矿坑水浸溶、携带重金属元素外，采矿废石、尾矿等暴露于 空气中经过风化作用、生物作用等，其中的硫化物被氧化，再经过雨水淋溶形成具有较 低p h 值的酸性矿山废水，并且富集可溶性的f e 、m n 、c a 、m g 、a 1 、s 0 4 2 。等，以及重金 属元素p b 、z n 、c u 、c r 、c d 等。另外，尾矿库沉淀水、未经处理排放的洗选废水等重 金属污染也非常严重。矿业废水通过地表径流或下渗到地下水中，造成整个矿区甚至流 域污染。 重金属对土地资源的影响 矿山开采产生的废石、选矿产生的尾矿及冶炼废渣，不仅侵占大量土地，其中含有 的重金属元素经风化淋滤转移到土壤中，造成土壤环境质量下降，污染植物( 包括农作 物) 和微生物。重金属元素最终通过食物链，危害人类健康。 重金属对生态功能的影响 重金属在环境中具有隐蔽性、潜伏性、不可逆性和长期性【6 1 。某些重金属元素，如 z n 、c u 、m n 等是生物体必需的微量元素。但是，当环境中的重金属数量超过某一临界 值时，就会对生物体产生毒害作用，使生物体内的代谢过程发生紊乱，生长发育受到抑 制，后代发生基因突变和畸变，生活习性发生改变，甚至导致生物死亡。如果环境中的 重金属超过了自净能力，生态平衡便遭到破坏，影响生态系统的正常功能。南昌有色冶 金设计院对我国5 个铜矿污水水质分析( 表1 3 ) 发现，这些铜矿废水流入河、湖后，被 引灌农田，致使土壤中重金属含量显著增加，污灌区土壤铜含量为对照区土壤铜含量的 1 6 5 倍。铜矿附近农田累积受害面积近7 0 0 0 亩，造成水稻产量急剧下降，1 9 7 4 年至1 9 8 0 年间总赔偿达1 5 0 万元( 闵茂中等，1 9 9 4 ) 。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 1 2 研究意义 ( 1 ) 理论意义 矿产资源既是我国国民经济重要的物质基础，也是国防建设的重要支柱。矿山做为 矿产资源的供应源头，一方面需要保证稳定的材料供给，另一方面还需要具有可持续发 展的能力。但是，根据我国矿产资源的丌发现状和秦岭山区特殊的矿山条件，高强度的 持续开发矿产资源已经造成了极为严重的环境问题。大气、水文、土壤、生态等自然环 境受人类采矿活动影响，分别受到不同程度污染和损害。环境问题的反馈结果，使人类 的生命健康也时刻受到了威胁，绝对不容忽视。重金属污染问题是矿山开发建设过程中 产生的一个突出的环境污染问题。无论是血铅超标事件、镉米事件还是水俣病事件、烟 雾事件，都是由于重金属污染参与了这些过程。如果称这些问题为重金属污染造成的显 性问题，那么那些已经受到重金属污染，但是尚未表现出性状的隐性问题更加需要引起 人们的重视。但是，一方面矿山重金属在环境中产生负效应问题的机理非常复杂，另一 方面采矿者对重金属污染问题并未引起足够的重视。因此，以寺沟铅锌矿区为例，研究 重金属在时间和空间的分布规律、迁移转化的机理和污染效应，能为控制重金属进入环 境、减轻重金属对环境的威胁、提高人们对秦岭地区矿山重金属污染的认识提供科学依 据。 ( 2 ) 实践价值 秦岭地区铅锌矿产资源丰富，矿山分布较为密集，环境污染及生态破坏极为严重。 对于单组分重金属或多组分重金属复合污染农田土壤和水体，前人多有研究和报道。对 于矿山重金属污染问题，南方有色金属矿山研究较多，而秦岭地区铅锌矿山报道较少。 但是由于地域分布、成矿地质条件、地球化学背景、矿物成分的差异，其它地区的重金 属迁移转化机理和污染效应不一定都适合秦岭地区的铅锌矿区。矿山性排水( 矿坑排水、 生活污水等) 、长期不合理堆积的矿渣中都含有重金属物质，再经过风化、雨水淋滤等 作用可以使这些重金属污染物转移到大气、河流、地下水、土壤中并造成污染。鉴于重 4 1 绪论 金属危害存在着生物累积和放大作用，因此，重金属的复合污染对该地区野生动植物的 生长可能造成严重威胁，并影响到当地居民的身体健康。一旦重金属污染物浓度和数量 超过环境承载力，将对当地环境组成和功能产生极大的破坏。研究秦岭寺沟铅锌矿区重 金属污染效应对保护当地生态环境；保持生物多样性；防止重金属污染物污染矿山下游 流域耕地，带来经济效益与社会效益；指导该地区矿山治理和环境保护工作；为其他矿 山的治理和环境保护工作，提供有益经验。 1 2 研究动态 1 2 1 国外研究动态 以美国和日本等为代表的发达国家强调国内资源和环境的保护，矿产资源的战略储 备和资源的循环使用【7 j 。f 1 2 0 世纪7 0 年代以来，美国、英国、德国、日本等发达国家就 开始研究重金属在土壤一植物中的迁移转化规律。 环境中的重金属污染与危害决定于重金属在环境中的含量分布、化学特征、环境化 学行为、迁移转化及重金属对生物的毒性【8 d 引。然而总量单一指标很难反映重金属的毒 性、生物可利用性和迁移性，而重金属在环境中存在的形态能够有效的评价其化学行为 1 1 9 2 1 o t a y l o r 等( 1 9 8 1 ) 发现，外源铅进入土壤后，一般就被固定在表土层，水平移动和 垂直移动都很困难【2 2 】。t a y l o r 把1 0 0 m g k g 的铅加入土壤中后，经过3 0 周的间歇淋洗，铅 仍主要集中在表层几厘米的土层中，未被水向下淋洗移动。 茅野充男( 1 9 8 8 ) 与k u b o i ( 1 9 8 9 ) 等研究表明重金属对植物的毒害作用及植物的 耐受性取决于植物对重金属的吸收与运输、在植物体内各部分的分配、与体内物体的结 合形态等等【2 3 1 。他们在植物个体及群体水平上研究表明了，潜在土壤一植物系统的迁移 活性较低，吸收的铅多积累于根部，较少地向上运输【川。 l u t f u li k h a n 等( 1 9 9 4 ) 对电动力法与水力梯度法的联合运用去除土壤中的重金属 研究，发现单一的电动力学方法和单一的水力淋滤法都不能有效地去除土壤中以沉淀形 式存在的重金属【2 引。b e n j a m i n ( 1 9 8 1 ) ，m c g e r g o r ( 1 9 9 8 ) ，b e r g e r ( 2 0 0 0 ) 等对尾矿堆 中p b 、z n 、c u 、c r 、c d 的释放、迁移和归宿研究发现重金属存在水解、沉淀、吸附、 离子交换等迁移方式1 2 6 。 重金属元素经过一系列地球化学过程进行迁移和转化，最终以一种或多种相对稳定 的形态长期驻留在环境中，造成永久性的潜在危害( l ue ta l ，2 0 0 5 ；a k c i la n dk o l d a s ， 2 0 0 6 ) 。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究动态 国内的专家和学者也对环境中的重金属污染与危害进行了研究1 27 。3 5 】。从上世纪7 0 年 代末开始，重金属污染生态环境渐渐在国内成为热点问题。早期侧重于重金属对土壤， 特别是植物的影响研究。例如中国科学院植物研究所生态室环境组( 1 9 7 9 ) 的研究发现， 重金属可通过食物链在生物体内进行积累和转化。黄欣( 1 9 9 0 ) 发现大量重金属在土壤 中沉积，破坏了土壤生态系统原有的微量元素的动态平衡，土壤的生物化学过程也随之 受到影响。从9 0 年代开始，研究者们愈加重视超累积植物的研究。此时，矿山环境的重 金属问题也得到了重视。曾清如，杨仁斌等( 1 9 9 5 ) 调查了铅锌矿尾矿污染区重金属的 形态分布特征。魏益民，陈天金等( 2 0 0 6 ) 对出产铁矿、铅锌矿以及金矿的某矿区周围 自然村调查发现，该矿区居民饮用水铅暴露量较高，居民健康已经受到铅污染的威胁p 6 | 。 孙健、铁柏清等( 2 0 0 5 ) 研究了c d 、p b 、c u 、z n 、a s 复合污染对杂交水稻苗的联 合生理毒性效应及临界值【3 7 1 。李永华，姬艳芳等( 2 0 0 6 ) 研究了铅锌矿区水体中p b 、z n 、 h g 等元素的污染状况及成因，发现该矿区p b 、z n 、h g 存在复合污染，p b 平均含量超过 国标类水质量标准2 9 倍，h g 超过国标i i i 类水质量标准1 7 5 倍，z n 符合i i i 类水质量要 求【3 引。朱云，杨中艺( 2 0 0 6 ) 研究了铅锌矿废水灌溉的农田，发现污灌区土壤c d 、p b 和z n 浓度均超出了国家土壤环境质量标准二级土壤的最高限值【j 圳。 孙庆业，蓝崇钰等( 2 0 0 0 ) 研究了铅锌尾矿废弃地的化学性质，发现铅锌尾矿废弃 地基本化学性质表现为：p h 中性一微碱性，营养贫瘠，铅、锌含量高j 。 张汉波，段昌群等( 2 0 0 3 ) 对不同年代废弃的铅锌矿渣堆中重金属的动态变化研究 表明，表层重金属随时间延长会以可溶态的形式向下迁移。由于矿渣的特殊构造，有机 物质含量不表现出常规土壤的规律，处于下层的地方，有机物质的含量反而较高。同一 年代的矿渣，不同深度的重会属总量呈现一定的变化规律，即表层的重金属含量偏低， 中层和下层相对较高。堆积年代越长的矿渣堆，该趋势越明显j 。张汉波( 2 0 0 3 ) 还分 别对微生物群落水平和微生物种群水平上的重金属污染效应进行了研究 4 2 j 。 1 2 3 研究现状评述 综上所述，对于重金属在环境中的迁移、转化规律，前人虽已有研究，也取得了一 些研究成果，如复合污染的提出，利用超积累植物提取重金属等。但是重金属元素在环 境中迁移转化过程非常复杂，鉴于秦岭地区特殊的成矿地质条件、地球化学背景、矿物 成分、气候、水文以及土壤肥力、p h 值，其他地区的研究成果不一定全部适合秦岭地区。 加之现阶段，我国南方有色金属矿山研究成果较多，而秦岭地区的研究较少。秦岭地区 铅锌矿山较多，采矿密度和强度均很大。论文选取秦岭典型铅锌矿区寺沟矿区为研 究对象，通过测试采矿弃渣、地表水、底泥、植物中重金属含量，进而研究重金属的污 6 1 绪论 染效应，分析重金属污染物在环境中迁移、转化规律的关系，为减轻重金属污染及指导 秦岭地区铅锌矿安全治理提供一定的理论依据与技术支持。 7 西安科技大学硕士学位论丈 2 1 研究区概况 2 研究区概况与环境现状 2 1 1 自然地理 寺沟铅锌矿区位于陕西省凤县县城s e e l1 6 0 方向l l k m 处，在行政区划上属风县南星 乡寺沟村管辖。凤县地处秦岭西段南麓，是长江主要支流嘉陵江和汉江的源头。地理坐 标为东经1 0 6 0 2 4 5 4 ”1 0 7 0 0 7 3 0 ”，北纬3 3 0 3 4 5 7 ”3 4 0 1 8 2 l ”。东邻太白县，南连留坝、勉 县，西接甘肃天水市和两当县，北倚宝鸡市区，南北长8 0 。5 k m ，东西宽7 0 9 k m ，总面积 3 1 6 3 9 7 k m 2 。辖1 0 镇( 双石铺、凤州、红花铺、黄牛铺、唐臧、留凤关、三岔、平木、 坪坎、河口) 、5 乡( 红光、岩湾、草店、瓦房坝、温江寺) 、1 5 0 个村委会和1 1 个居委会， 共2 7 5 5 1 万户、9 8 1 6 8 万人，行政区划归陕西省宝鸡市管辖。 矿区中心点坐标东经1 0 6 0 3 7 2 7 ”，北纬3 3 0 5 2 1 5 。位于交通干线附近，从矿区沿简 易公路南行8 k m 可达留风关，从留风关沿川陕公路西北行2 5 即达宝成铁路的双石铺车 站，交通条件方便( 图2 1 ) 。 2 1 2 气候特征 凤县地处亚热带与温带分界线上，海拔在9 1 5 m 至2 7 3 8 m 之间，属暖温带半湿润山地 气候，气候垂直分带明显，是秦岭绿色屏障的重要组成部分。区内年平均气温1 1 4 。c ， 极端最高气温3 7 5 ，极端最低气温1 6 7 。降雨量年份差别较大，具有旱年和涝年之 分。降雨量季节差异更大，一般冬春季干旱，夏秋季多雨，暴雨多集中在7 、8 月份。年 均降水量变化于4 5 0 9 7 2 m m 之间，年均降水量6 4 2 m m ，无霜期1 8 8 天。 寺沟矿区位于秦岭南部山区，嘉陵江上游，属于具有典型山地气候特征的暖温带半 湿润大陆性季风气候区。气温垂直分带明显，并随季节变化较大。年平均气温1 1 4 。c ， 一月平均气温0 8 ，极端低温1 6 5 ；七月平均气温2 2 1 ，极端高温3 5 8 。霜冻期 约1 7 0 d 。 矿区夏、秋季潮湿多雨，冬、春季寒冷干燥。年降雨量4 2 8 6 9 7 2 4 m m ，年平均降 雨量6 2 8 m m 。降水多集中在7 9 月，约占全年总降雨量的6 0 以上，且夏季多雷暴雨， 最大月降雨量4 1 0 4 m m ，最大日降雨量1 0 5 3 m m ，最长连续降水天数1 3 d 。年蒸发量 1 2 5 9 1 4 1l m m ，平均年蒸发量1 3 4 7 1 m m 。 8 ! 窒童垦兰兰皇兰兰竺兰 图2 i 寺沟曰吒变通位置图 2 1 3 水文条件 寺沟矿区地势陡峻，北部边缘为近东西向展布的中t h 山峰，最高海拔2 1 0 95 5 m ，向 南为扇型沟头，海拔逐渐降低，最低海拔1 4 8 l6 m ，相对高差6 2 8 m 。区内沟谷纵横，属 深切割中山沟各地貌。矿区采矿坑n 主要分布在寺沟沟头北东向衍沟( 黑崖沟) 之中， 寺沟沟道断面为典型“v ”字型，沟谷两侧山坡坡度3 0 。5 0 0 沟谷纵坡降1 3 7 ，主沟 长度58 k m ，汇水面积1 04 9 k m 2 植被以草灌类为主，因受采矿与坡耕影响，发育程度 较差。由于地形比差大，不利地表储水，因此降水量的大音| 5 分在短期内即被泄走，故平 时寺沟常间歇有流水，且流量季节性变化显著，夏、秋常有山洪暴发。寺沟流水向南汇 西安科技大学硕士学位论丈 入东沟河。 东沟河流经矿区南面，发源于凤县苇子坪，向西流经杜家河、三龠、留凤关、酒奠 沟汇入旺峪河，经温江寺于李家河车站以北汇入嘉陵江，全长约5 0 k m 。该河水量充沛， 河床坡降小，宽度大，自三俞乡向西河床宽度在1 5 0 4 5 0 m 之间。河水最大流量3 2 4 m 3 s 。 2 1 4 社会经济概况 凤县全县耕地面积3 0 3 3 3 h m 2 ，粮食作物以玉米、小麦为主，豆类、洋芋次之，多为 一年一熟；全县林地面积1 6 6 1 5 h m 2 ，森林覆盖率6 5 3 。现有黄牛铺、凤洲、河口、留 凤关等6 个县级林场，以及宝鸡市直辖的辛家山、马头滩两林场。境内有灌木、乔木3 6 0 余种，野生果树2 1 科、1 1 3 种。优势树种为栎类、油松、红桦、山杨等。经济林木以节 果、漆、花椒、核桃、板栗、柿子较多，是我省苹果、花椒、生漆、漆木油的最集中产 区之一；区内中草药资源近4 1 0 种，以党参、黄芪、贝母和杜仲等为主。近年来，凤县 充分发挥资源优势，积极实施多种经营，使木耳、香菇等食用菌生产初具规模，前景良 好。 凤县现有化工、采矿、建材、电力、煤炭、机械、食品、服装、印刷等1 0 个工业部 门，县办工业企业达到2 0 多家。 2 1 5 矿产资源开发现状 凤县特殊的地质历史和优越的成矿地质条件孕育了丰富的矿产资源。经地质部门勘 探，现有铅、锌、金、银、铜、锑、镉、磷、铁、煤、石灰石、电石灰岩、透辉石、硅 石、钠长石、花岗岩、石英石和石墨等矿藏4 0 余种，尤以铅锌矿和会矿为优势矿种。其 中铅锌储量3 6 0 万吨，约占全省铅锌矿储量的8 0 ，是全国四大铅锌矿基地之一。境内 现有银母寺、八方山、铅硐山、银洞梁和手搬崖5 个国家有色金属规划矿区。现已发展 至u 1 6 6 个矿山企业。其中银母寺、八方山、二里河、铅硐山和银洞梁为5 个国营大中型铅 锌矿山企业，另外还有集体与个体铅锌矿山企业1 3 1 个。 2 1 6 矿区开发现状 1 9 8 4 年以来，西北有色地质勘查局7 1 7 总队对寺沟矿区进行了地质详查工作，随着 地质勘查工作的逐渐深入，乡镇和个体采矿坑道日益增多。截止目前，矿区已有1 8 家矿 主( 不含非法矿主) 在此开矿，采矿坑口总数( 含已废弃坑道和非法坑口) 达到4 0 个。 采矿坑道西起k 3 6 坑，东至k 1 9 坑，北起k l 坑，南至k 3 6 坑，东西长1 2 0 0 m ，南北宽1 4 1 8 m 。 采矿标高1 4 8 1 1 9 0 0 m ，垂深4 1 9 m 。个别开坑标高降低至7 1 7 队详、普查报告中所控制矿 体的边部进行边探边采。截止1 9 9 9 年，寺沟矿区目前已采出矿石11 3 1 0 0 t 。 寺沟矿区主要开采2 6 、2 5 、4 3 号矿体。丌采方式全部为地下开采，开拓方式多为 1 0 2 研究区概况与环境现状 平峒溜井开拓。采矿方法主要为浅孔留矿法和小分层空场崩落法。 2 2 环境现状 2 2 1 采矿弃渣 截至2 0 0 7 年底，寺沟矿区因采矿形成弃渣共3 8 处，总量2 6 8 6 9 5 m 3 ，占地面积5 2 3 1 2 m 2 。 采矿坑口场地、弃渣堆、工棚和矿山简易公路均占据了大量山地，直接破坏了原有的植 被。按照全国矿山地质环境调查技术要求实施细则中常见地质灾害规模等级划分标 准( 沟谷松散堆积物体积 2 0 x 1 0 4 m 3 以上为大型泥石流) ，寺沟属于一条大型泥石流隐 患沟。按照谭炳炎的数量化综合评价方法对该泥石流沟严重程度进行了综合评价，获得 其综合评判得分为9 l ，属严重等级。寺沟泥石流隐患直接威胁到一个村庄6 0 0 多人、矿 区2 0 0 多人、沟口选矿厂及其尾矿库的安全，其危害程度严重，稳定性差，危险性高， 是一条亟待治理的高易发矿山弃渣泥石流隐患沟。 2 2 2 地表水 受采矿活动影响，矿坑排水、工人的生活污水、大气降水等汇入沟谷地表流水。流 水流动过程中穿越采矿弃渣，携带含量较高的悬浮物和其他杂质，一般呈淡乳白色，较 为混浊。部分区段水流极浅，虽然清澈但杂质较多。河流底泥呈银白或灰白色，且厚度 较大。寺沟流水向南汇入东沟河。 2 2 3 大气 寺沟整体能见度较高，但空气较为污浊，调查时空气中有少量粉尘，尤其运输车经 过时，卷起大量灰白色粉尘，造成呼吸困难。未发现有酸味、臭味、刺激性气味等气体。 2 2 4 植被 寺沟沟道植被以草灌类为主，因受采矿与坡耕影响，发育程度较差，零星有低矮乔 木分布。受汽车运输矿石影响，植被表面覆盖了较厚的灰白色粉尘，道路两侧很少有植 被生长。采矿坑口、矿区运输区域已有植被则不能正常生长，一般表现为叶片发黄、枝 干干枯等。 2 3 研究方案与技术路线 基于研究区现状，论文采取现场调查研究、采样测试分析与污染机理分析相结合的 综合研究方法，并通过淋滤试验模拟重金属的释放过程( 图2 2 ) 。 根据寺沟沟道的延展分布和实际条件，为了探讨重金属与周围环境的关系，分别随 西安科技大学硕士学位论文 机选取矿渣样品、地表水样品、底泥样品、植物样品，并尽可能使采样具有相关性( 如 在同一采样点采集地表水和底泥样品) 。 然后针对不同的随机样品，分别测定基本物化性质、重金属全量及存在形态，作为 探讨作物重金属污染的依据。基本物化性质主要测定其矿物成分、化学元素、p h 值、含 水率等。重金属全量主要借助原子吸收分光光度计测定p b 、z n 、c d 、c r 、c u 的总量。 在此基础上，利用t e s s i e r 连续提取法测定p b 、z n 、c d 、c r 、c u 在环境中的存在形态， 近而分析p b 、z n 、c d 、c r 、c u 与环境因子的联系。采回的植物样品分不同组织部位进 行p b 、z n 、c d 、c r 、c u 总量的精确测定。 在上述工作基础上，综合分析，探讨p b 、z n 、c d 、c r 、c u 在矿渣、地表水、底泥 和植物之间的迁移转化规律，不同植物对不同重金属的吸收富集及同种作物不同组织部 位对p b 、z n 、c d 、c r 、c u 的吸收迁移规律，并应用单项污染指数法实现寺沟铅锌矿区 重金属污染现状评价。 最后，自行设计了模拟条件下的小型铅锌矿弃渣淋滤试验，以探求接近真实条件下 重金属污染物在环境中释放转移的过程和规律。 2 4 本章小结 图2 2 技术路线图 介绍了凤县寺沟铅锌矿区开发及环境现状，并据此选择相应的研究方案，制定实施 该方案的技术路线。选择寺沟典型铅锌矿区进行研究，对秦岭其他类似条件的有色金属 矿区进行治理恢复具有一定的指导意义。 1 2 3 样品的选取与预处理 3 样品的选取与预处理 3 1 样品的选取 采样地点为陕西省凤县寺沟铅锌矿区。采样种类包括采矿弃渣、地表水、底泥、沟 道植物。水温，p h 值等指标进行现场测定。 3 1 1 矿渣采样 根据寺沟铅锌矿区沟道和采矿坑口分布，随机采取1 撑寺沟沟脑、2 拌采矿坑口、3 群下 游3 堆采矿弃渣作为分析对象，在不同采矿坑口处选取新鲜矿渣，取多种粒径混合样， 最后装入采样袋中并做好标记。 3 1 2 地表水采样 选取1 撑上游水( 未污染) 、2 矿坑口排水、3 撑下游水各取3 个样品，现场利用温度计、 p h 试纸测定平均水温为1 1 、p h 为6 7 。采样瓶采集样品前用采样点水样润洗3 4 次， 因地表水深度较浅，故此只在表层采样。地表水采集后，现场迅速用硝酸酸化p h 值至2 以下，并放阴凉处通风处保存。 3 1 3 底泥采样 在地表水采样点处的底泥约1 4 c m 厚，采集底泥样本。清除砾石和根茎等杂物，风 干半小时左右，去除多余水分，封入塑料袋中，带回实验室以备分析。 3 1 4 植物采样 选取当地具有代表性的植物，其中包括草样本2 种( 莎草一种，艾草一种) ，松树样 本1 种( 油松) 。在植物分布密集、生长旺盛地区采鲜活样。每种植物采样取混合样，用 铲子采集完整根部，抖落泥土过程中尽量保持根系的完整。采集后立即装入采样袋，以 免污染。 1 3 耋茎窒兰查薹丝兰兰竺竺圣 32 样品的预处理 a 3 21 弃渣样品的预处理 图例 渣石堆 。崩塌 。曩地面塌陷 v 坑口 弃渣采样点 地表水及底泥采样点 植物采样点 图3l 采样点分布不意图 采集回来的弁渣，首先剔除外侵入体，置于| i j 凉通风处肛l 干。止l 干后的弃渣，分为 3 组标记备用。 3 22 植物样品的预处理 采集到的植物样用清水洗干净后，再用蒸馏水冲洗，平铺在桌而卜自然飙十。等自 然风干后，利用植物粉碎机粉碎后过尼龙p $ 制成面粉样品，混合均匀，装问采样袋中标 记后贮存备测。 3 2 3 底泥样品的预处理 在采集后立即将其装入采样袋中，做好标记。带回实验室后，将其平铺在沙盘中自 然风十。待底泥风干后，用玛瑙棒研压，通过2 m m 尼龙筛( 除去2 m m 以上的沙砾) ，混 匀。用玛瑙研钵体将通过2 m m 尼龙筛的土样研磨至全部通过1 0 0 日( 孔径01 4 9 m m ) 尼 龙筛，混匀后装入采样袋中标记备用。 32 4 水样的预处理 在采样后奇即向水样中加入硝酸，调节p h 值在1 2 2 n 。密封在采样瓶中，做好标 1 4 3 样品的选取与预处理 记，备后面测定使用。 3 3 含水率的测定 3 3 1 实验原理和方法 含水率是待测样品重要的基本物理性质之一，水不仅是载体，也是良好的溶剂。水 既可以做为介质发生化学变化，也可以做为化学反应物直接参与各种反应，同时，也是 生物生命活动的必需物质。含水率的高低影响重金属物质在环境中的组成和形态。测定 时把样品放在1 0 5 1 1 0 的烘箱中烘至恒重，则失去的质量为水分质量，即可计算含水 百分数。称取通过1 0 0 目尼龙筛的风干样品1 0 9 ( 弃渣样品先磨成粉末状) ，置于称量瓶 中，在1 0 5 烘箱中烘干至恒重。 3 3 2 实验仪器 1 0 0 目尼龙筛、铝盒( 或称量瓶) 、2 0 2 a 1 型恒温干燥箱、a b l 0 4 n 型分析天平。 3 3 3 测定结果 弃渣和干底泥的含水率可由公式( 3 1 ) 计算得出： w w 厂( ) = l 二1 0 0 ( 3 1 ) 式中：厂- 样品水分含量，； w i 一烘干前样品的质量，g ； 耽一烘干后样品的质量，g 。 表3 1 弃渣( 粉末) 、干底泥含水率 3 4p h 值的测定 3 4 1 实验原理和方法 p h 值是待测样品重要的基本性质，土壤酸度对重金属化合物的溶解与沉淀平衡的影 响较为复杂。土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在的，其可溶性受p h 值控制，即土壤 中重金属随着p h 值增加而发生沉淀，进而影响到植物的吸收与利用。首先，随着土壤溶 1 5 西安科技大学硕士学位论文 液p h 值降低，大多数重会属元素在土壤固相的吸附量和吸附能力减弱。其次，土壤溶液 的p h 值影响到重金属元素的离子活度。最后，土壤溶液p h 值对重会属的植物利用性影 响可能不是单一的递增关系或递减关系。p h 值偏酸性时，有利于金属元素的溶出。故测 定土壤的p h 值对于研究重金属的迁移转化显得至关重要。对底泥和弃渣进行深层次研究 时，p h 值是不可缺少的研究条件。用水浸提液或土壤悬液测定p h 值时，用指示电极 p h s 3 c 复合电极测定该试液或悬液的电位差。电位差的大小取决于试液的氟离子活度， 在酸度计上可直接读出p h 值。 p h 值采用p h s 3 c 型精密p h 计测定，水粉1 ：1 5 2 5 ：1 。分别称取通过l m m 孑l 径筛子的风