金屬礦山環(huán)境影響評(píng)價(jià)模式研究

摘要礦床本身及其開發(fā)過程中對(duì)環(huán)境造成的影響，在過去的一百多年的工業(yè)化進(jìn)程中，隨著對(duì)礦產(chǎn)資源量需求的急劇增加，礦業(yè)活動(dòng)造成的環(huán)境危害越來(lái)越嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為國(guó)土資源環(huán)境承載力下降引起的牛態(tài)破壞和環(huán)境污染.并直接影響到礦區(qū)人民生活質(zhì)量和生命健康安全。面對(duì)如此嚴(yán)峻的金屬礦山環(huán)境現(xiàn)狀，如何評(píng)價(jià)金屬礦山開發(fā)對(duì)周圍介質(zhì)環(huán)境的影響具有重要的意義。礦山環(huán)境中污染物釋放后，通過各種途徑進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)中，并在各種環(huán)境介質(zhì)中遷移。金屬礦山環(huán)境中承載污染物的主要環(huán)境介質(zhì)包括地表水、地下水、土壤，最終通過飲用水和作物的攝取逐步累積到人體。遵循金屬礦山環(huán)境的演化規(guī)律，以污染物的釋放-污染物的遷移-污染物歸宿為路線，建立了金屬礦山環(huán)境影響評(píng)價(jià)模式。關(guān)鍵詞：金屬礦山；地質(zhì)環(huán)境模型；重金屬；環(huán)境影響評(píng)價(jià)

引言我國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，隨著礦山數(shù)量和規(guī)模不斷增加，礦業(yè)開發(fā)的負(fù)面影響也將日益擴(kuò)大。正在開采或已廢棄的金屬礦山是人為和天然的土、水生態(tài)環(huán)境污染源。礦坑排出的富含金屬離子的酸性廢水、廢石尾礦冶煉渣中所含有毒成分的氧化淋濾、殘存于尾礦中的硫化物及富含氰（氯）化物的選礦藥劑等，以直接方式或經(jīng)介質(zhì)傳輸進(jìn)入周圍環(huán)境，造成周圍十壤、水系等生態(tài)系統(tǒng)極其嚴(yán)重的污染。重金屬Pb、Hg、Cd、Cr和類金屬As是水、土生態(tài)環(huán)境的重要毒害元素，Zn、Cu、Ni、Co、Sn等常量金屬也有一定毒性，采選冶是向土壤環(huán)境釋放重全屬污染物的最主要途徑和場(chǎng)所。金屬元素在礦（巖）石一土壤—水源或植物一人（生物）體系統(tǒng)中的遷移（物理、化學(xué)、生物遷移）構(gòu)成了無(wú)機(jī)與生物間地球化學(xué)的循環(huán)。重金屬污染、酸性水污染嚴(yán)重，砷.鎘.汞中毒等以及肝癌、肺癌等疾病發(fā)病音遍高于全國(guó)其它城市地區(qū)。以上這些危害是由礦床本身及其開發(fā)過程中對(duì)環(huán)境造成的影響，在過去的一百多年的工業(yè)化進(jìn)程中，隨著對(duì)礦產(chǎn)資源量需求的急劇增加，礦業(yè)活動(dòng)造成的環(huán)境危害越來(lái)越嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為國(guó)土資源環(huán)境承載力下降引起的生態(tài)破壞和環(huán)境污染，并直接影響到礦區(qū)人民生活質(zhì)量和生命健康安全。為此，從環(huán)境保護(hù)、礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)人類身體健康高度，研究礦山開發(fā)對(duì)礦山環(huán)境的時(shí)空影響并對(duì)金屬礦山環(huán)境影響評(píng)價(jià)模式進(jìn)行深入研究是十分必要的。1金屬礦山環(huán)境中重金屬釋放估算1.1金屬礦山環(huán)境污染源估算方法通過對(duì)金屬礦山環(huán)境特征的研究提出以下金屬礦山環(huán)境污染源估算方法。金屬礦山環(huán)境污染源估算方法主要包括兩類∶一是通過靜動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)室模擬方法對(duì)金屬礦山產(chǎn)酸潛力進(jìn)行直接估算;二是通過以礦山環(huán)境中金屬硫化物氧化反應(yīng)機(jī)理為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型的模擬，對(duì)礦山環(huán)境中酸性廢水及重金屬釋放量進(jìn)行估算。這兩種方法的選擇主要根據(jù)礦床地質(zhì)環(huán)境模型數(shù)據(jù)的豐富與否決定，即如果要進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)的礦山基礎(chǔ)資料較為全面，能夠達(dá)到數(shù)學(xué)模型的要求，才能采用數(shù)學(xué)模型的方式，對(duì)礦床開發(fā)釋放出的污染物進(jìn)行定量估算。如果對(duì)于礦山的地質(zhì)環(huán)境概況不是很清楚，掌握的用來(lái)定量計(jì)算的參數(shù)較少，那么只能采用實(shí)驗(yàn)室模擬的方法，對(duì)污染源的釋放量進(jìn)行粗略的估算。實(shí)驗(yàn)室模擬方法主要包括靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方法和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方法主要是通過各種檢測(cè)手段得到固體廢棄物中硫的總量，然后進(jìn)行酸釋放潛力的估算，用酸釋放潛力來(lái)表征污染源酸性廢水釋放量。而動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法比較典型的是批次試驗(yàn)與柱體淋漓實(shí)驗(yàn)，通過模擬自然條件下固體廢棄物釋放污染物的情景，進(jìn)行粗略估算。下面主要探討通過對(duì)固體廢棄物釋放污染物的機(jī)理探討，建立描述釋放過程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其釋放量進(jìn)行計(jì)算。1.2重金屬釋放數(shù)學(xué)模型1.2.1露天采場(chǎng)重金屬釋放統(tǒng)計(jì)模型露天采場(chǎng)重金屬的釋放主要有兩個(gè)途徑，一是降水對(duì)露天采場(chǎng)表生帶金屬硫化物氧化產(chǎn)物的沖刷造成的，二是由干地下水通過巖石破裂帶引起含有重金屬的酸性廢水的流動(dòng)。由于表生帶分布狀態(tài)的復(fù)雜性以及目前對(duì)露天采場(chǎng)許多參數(shù)的測(cè)定不足，不能采用概化的數(shù)學(xué)模型去定量描繪由于表生帶金屬硫化物氧化造成酸性廢水及重金屬污染物釋放量。但是可以通討不同時(shí)間段露天采場(chǎng)外排水的酸性廢水水質(zhì)的檢測(cè)，估算一定時(shí)間內(nèi)，露天采場(chǎng)重金屬污染物的釋放量。露天采場(chǎng)地表徑流以及采場(chǎng)基巖裂隙水全部集到采場(chǎng)的低洼處，采礦坑內(nèi)酸性積水一般是通過排泄設(shè)備排出礦坑，造成坑外環(huán)境的污染，因此露天采場(chǎng)疏干排水是礦山環(huán)境的主要污染源之一。對(duì)于露天采場(chǎng)污染物釋放量的計(jì)算是進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。重金屬污染物量，可以通過酸性廢水中污染物濃度與單位時(shí)間內(nèi)酸性廢水排泄量乘積獲得。1.2.2重金屬釋放遷移機(jī)理在酸性廢水作用下，重金屬的釋放遷移機(jī)理主要包括兩部分，一為化學(xué)和物理化學(xué)過程;二是對(duì)流和彌散等物理過程。兩個(gè)過程是同時(shí)發(fā)生且相輔相成的。酸性廢水及重金屬釋放是由于固體廢棄物中金屬硫化物的氧化引起的。即由于硫化礦物在大氣降水的溶蝕下氧化而產(chǎn)生的，這一氧化過程主要是以廢石中的硫化礦細(xì)菌參與下完成的，生成硫酸、硫酸亞鐵和硫酸鐵，這些生成物進(jìn)一步與其它金屬硫化物作用，生成硫酸鹽溶于水中，形成含重金屬離子的酸性廢水。對(duì)于酸性廢水的成因，許多學(xué)者作了大量研究，指出酸性廢水是全球性問題，它不僅與礦山水文地質(zhì)條件有關(guān)，而且與任何硫化礦物的開采加工過程等都有關(guān)。以黃鐵礦為例，酸性廢水形成的化學(xué)機(jī)理已基本清楚。黃鐵礦主要有三種水相氧化途徑，即化學(xué)氧化、微生物氧化和電化學(xué)氧化。后者被證明僅在110攝氏度和2-7個(gè)大氣壓下的濕法冶金條件下才為重要的氧化途徑（Bailey，1976），化學(xué)氧化和微生物氧化是自然條件下，黃鐵礦氧化的重要途徑。從鐵的氧化還原循環(huán)可以看出，黃鐵礦在氧的參與下進(jìn)行緩慢氧化，導(dǎo)致了硫酸鹽、氫離子、亞鐵離子和重金屬的釋放。二價(jià)鐵離子在充足的溶解氧的作用下，進(jìn)一步氧化成三價(jià)鐵離子。溶解氧存在的條件下，三價(jià)鐵離子也是比較穩(wěn)定的氧化劑。在黃鐵礦氧化過程中，當(dāng)有三價(jià)鐵存在時(shí)，分子氧的直接作用是次要的，而三價(jià)鐵的催化作用是主要的。所以二價(jià)鐵離子氧化成三價(jià)鐵離子的速率是決定這個(gè)系統(tǒng)中黃鐵礦的氧化速率。三價(jià)鐵離子是整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)的重要因素。三價(jià)鐵離子與水相互作用形成沉淀以及氫離子，這也是酸性水產(chǎn)生的途徑。而三價(jià)鐵離子作為氧化劑又可以參與金屬硫化物的氧化，源源不斷的產(chǎn)生二價(jià)鐵離子，這樣形成了一個(gè)相互影響相互作用的循環(huán)體系，使大量的氫離子以及金屬離子釋放到孔隙水中，導(dǎo)致pH降低，重金屬含量增高。在黃鐵礦的氧化過程中，微生物起著十分重要的作用。許多研究表明氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌能加速黃鐵礦的氧化。在微生物催化氧化黃鐵礦時(shí)，認(rèn)為細(xì)菌加速黃鐵礦氧化的機(jī)制有兩種，一是間接作用，即由細(xì)菌的排泄物加速微生物與固體表面接觸使黃鐵礦氧化加速;另一種直接作用，即細(xì)菌的細(xì)胞和黃鐵礦固體之間的緊密接觸而發(fā)生的生物化學(xué)作用。酸性廢水的釋放另一重要機(jī)理為溶解在水中的氧化產(chǎn)物，隨著孔隙水的流動(dòng)進(jìn)行運(yùn)移，由于酸性廢水的流動(dòng)引起黃鐵礦周圍介質(zhì)特征的改變，加速黃鐵礦的進(jìn)一步氧化。同時(shí)氧化產(chǎn)物隨水遷移也是導(dǎo)致酸性廢水外排的主要原因。2金屬礦山環(huán)境地表水重金屬污染評(píng)價(jià)模式金屬礦山水環(huán)境主要污染物為重金屬，根據(jù)第二章中對(duì)金屬礦山地質(zhì)環(huán)境模型的描述，礦山開采后地表水環(huán)境將受到影響。目前，應(yīng)用于水環(huán)境中重金屬污染評(píng)價(jià)方法主要包括化學(xué)、生態(tài)以及毒理學(xué)方法。但這些方法都具有一定的限制。物理和化學(xué)方法雖然是較為常用的方法，但卻不能直接反應(yīng)地表水體對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。而且沉積物作為水環(huán)境中重金屬主要的儲(chǔ)蓄庫(kù)，可以反應(yīng)河流受重金屬污染的狀況，但沉積物的總量測(cè)定也不能反應(yīng)生物有效態(tài)的濃度。需要對(duì)水體及沉積物中重金屬的形態(tài)分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不同的形態(tài)產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)。引入毒性強(qiáng)度（何孟常，1998）指標(biāo)反應(yīng)污染物對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的毒性作用。由此地表水環(huán)境中的污染評(píng)價(jià)比較復(fù)雜，在實(shí)際工作中，很難用單一的評(píng)價(jià)方法，來(lái)解決這種復(fù)雜的環(huán)境問題，所以需要將化學(xué)方法、毒理學(xué)方法與生態(tài)學(xué)等多學(xué)科多種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合。由此本文引入了這種綜合的評(píng)價(jià)方法見圖1，對(duì)金屬礦山環(huán)境地表水體污染進(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià)。尤其強(qiáng)調(diào)了污染物對(duì)礦山環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的影響。上述方法是通過對(duì)污染物的研究，與生態(tài)效應(yīng)建立某種聯(lián)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)水體中重金屬污染的生態(tài)危害性。重金屬污染物從其污染源排入水體后，發(fā)生遷移和形態(tài)的轉(zhuǎn)化，逐漸累積，進(jìn)而導(dǎo)致水體生態(tài)系統(tǒng)的破壞，這是污染物對(duì)地表水體最大的影響，金屬礦山的開發(fā)對(duì)地表水體的影響也主要體現(xiàn)在這一點(diǎn)上。何孟常（1998）系統(tǒng)的研究了河流中重金屬污染評(píng)價(jià)及生態(tài)綜合模型，這一模型比較全面的考慮了各種影響因素，把重金屬污染與生態(tài)效應(yīng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，這一模型是一個(gè)有效的且實(shí)用的污染評(píng)價(jià)模型。此處引用這一模型對(duì)金屬礦山地表水環(huán)境進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。金屬礦地表水環(huán)境污染影響評(píng)價(jià)模型主要包括兩種介質(zhì)，一是水體，二是沉積物。根據(jù)兩種環(huán)境介質(zhì)的不同，分別選擇適合其特點(diǎn)的模型進(jìn)行計(jì)算。在水體中需要預(yù)測(cè)水體中重金屬含量以及重金屬存在形態(tài)，然后確定形態(tài)中的生物有效態(tài)，再根據(jù)毒性強(qiáng)度估算方法進(jìn)行毒性強(qiáng)度的計(jì)算，最后形成評(píng)價(jià)結(jié)果。同理可得到沉積物中評(píng)價(jià)結(jié)果。2.1重金屬在地表水體中遷移模型地表水中重金屬主要以溶解態(tài)、懸浮態(tài)和底泥態(tài)三種形態(tài)遷移，許多反應(yīng)過程都表現(xiàn)為這三種形態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化。河流中以溶解態(tài)存在的重金屬化合物經(jīng)過反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為懸浮態(tài)，而懸浮態(tài)在一定條件下又可沉降進(jìn)入底泥，進(jìn)入底泥的重金屬還可再次揚(yáng)起而變成懸浮態(tài)，懸浮態(tài)和底泥態(tài)又可轉(zhuǎn)化為溶于水的溶解態(tài)。這些轉(zhuǎn)化過程一般是可逆的，在一定條件下處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)。重金屬在水體中的遷移取決于重金屬在三相中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。任取水體中一單元水體，基于質(zhì)量守恒原理，可以定量描述重金屬在水體中的物理及化學(xué)反應(yīng)。從單元水體的質(zhì)量守恒分析，可以建立重金屬在水體中遷移的數(shù)學(xué)模型。重金屬的遷移轉(zhuǎn)化方程是高度非線性的偏微分方程組，從水動(dòng)力學(xué)以及水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理出發(fā)，描述了重金屬濃度的時(shí)空變化。如果要獲得與實(shí)際河流相一致的結(jié)果，必須在給定的初始條件和邊界條件下求解，其中還要確定模型各個(gè)參數(shù)。三維水質(zhì)模型的求解，在理論上是可行的，但由于河流以及水庫(kù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料的限制，三維模型在實(shí)際中的應(yīng)用目前還存在較大的困難，而不得不將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和假定。依據(jù)河流監(jiān)測(cè)斷面的水文、水質(zhì)資料，將遷移模型轉(zhuǎn)化為一維重金屬遷移轉(zhuǎn)化方程。通過參數(shù)識(shí)別和求解，獲得濃度時(shí)空分布的模擬結(jié)果。具體做法是∶依據(jù)監(jiān)測(cè)斷面等實(shí)際情況，將研究的水域劃分為一個(gè)或多個(gè)區(qū)段。分別建立每個(gè)區(qū)段的一維重金屬遷移模型，并確定其參數(shù)和求其解。最后，組成一個(gè)整體進(jìn)行模擬分析與預(yù)測(cè)。2.2水質(zhì)評(píng)價(jià)方法水污染是由于水體中的污染物質(zhì)沒有得到充分稀釋和凈化，造成污染物在水體中的積累和富集而形成的。其結(jié)果影響了水體功能，構(gòu)成了對(duì)水生生物和人體健康的威脅。水污染程度一般用水污染指數(shù)來(lái)標(biāo)度，水污染指數(shù)大致可以分為以下三種類型∶一是以相對(duì)污染濃度值構(gòu)造的疊加指數(shù)型;二是以絕對(duì)污染濃度構(gòu)造的分級(jí)型或評(píng)分型;三是以絕對(duì)污染強(qiáng)度出現(xiàn)的概率構(gòu)造的統(tǒng)計(jì)型。2.3地表水體中的形態(tài)模型基于質(zhì)量守恒定律、質(zhì)量作用定律以及電荷守恒定律的水化學(xué)平衡模型是控制水化學(xué)作用下溶質(zhì)形態(tài)分布的三大定律。形態(tài)模型即為溶質(zhì)的多組分水化學(xué)平衡模式，這種模式研究的是在各種復(fù)雜的水化學(xué)作用下溶質(zhì)形態(tài)分布的情況。通過形態(tài)模型的計(jì)算可以得到污染物各形態(tài)的濃度。比較典型的地球化學(xué)平衡模型包括PHREEQC、MINTEQA2、EO3/6、WATEQ4F等。通過這些軟件進(jìn)行定量計(jì)算，可以考查地表水體及沉積物中重金屬形態(tài)分布。2.4金屬礦山地表水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)等級(jí)根據(jù)金屬礦山表層河水的水質(zhì)指數(shù)、沉積物風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、平均生物多樣性指數(shù)比值、毒性強(qiáng)度的大小，將重金屬對(duì)金屬礦山地表水體和沉積物的污染以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響劃分為五個(gè)等級(jí)?？偨Y(jié)本文研究了金屬礦山環(huán)境系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型與評(píng)價(jià)方法。污染物釋放量預(yù)測(cè)方法主要包括實(shí)驗(yàn)室模擬以及地球化學(xué)平衡模型預(yù)測(cè)。主要特色為在酸性廢水及重金屬釋放機(jī)理的基礎(chǔ)上，引入了地球化學(xué)平衡模型作為污染源項(xiàng)預(yù)測(cè)模型，使污染物的釋放量的預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)了定量化。針對(duì)地表水子系統(tǒng)采用化學(xué)、生態(tài)以及毒理學(xué)綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)地表水體重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。此模型的特色為采用毒性強(qiáng)度值表征地表水體的毒性特征，并且充分考慮了重金屬在水體中的形態(tài)分布，將重金屬的形態(tài)作為評(píng)價(jià)水體污染程度的重要指標(biāo)之一。

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