旬阳铅锌矿带地质环境问题现状及治理对策

杨 敏,杨 兵*,陈华清,聂兴信,张 鑫,贺攀阳

(1.西安建筑科技大学资源工程学院; 2.中国地质调查局西安地质调查中心)

引 言

长期以来,铅锌矿作为重要的工业原料来源,许多国家都在大力勘探和开发利用,并且取得了巨大的经济收益。矿山作为矿产资源开发的主体,高强度、粗放式的采矿活动不但破坏了矿区周边的地质环境,而且还在一定程度上造成了土地损毁,甚至引起采空区塌陷、滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害[1],严重危害矿山人民生命财产安全。

旬阳铅锌矿带地处秦岭南坡,而秦岭作为中国重要的生态环境屏障,于2023年7月1日实施的《陕西省秦岭生态环境保护条例》禁止秦岭范围内开山采石等行为,并提出了秦岭生态环境监管与修复项目[2]。因此,为了保护旬阳铅锌矿带地质环境,减少矿产资源开采活动造成的矿区地质环境破坏,保护矿区人民生命财产安全,促进矿产资源的合理开发利用和资源环境、经济社会的协调发展,依托中国地质调查局牵头开展的“重要矿集区生态地质调查”项目,查明了旬阳铅锌矿带地质环境现状及铅锌矿开发对地质环境影响程度,提出了针对旬阳铅锌矿带及周边地区的地质环境保护与治理的对策建议。

1 研究区概况

陕西旬阳县矿产资源丰富,已探明矿产资源有汞、锑、铅、锌、镁、石灰石、重晶石、白云石、石煤等39种,产地100余处[3]。其中,汞、锑、铅、锌、石灰石、白云石等矿产资源储量大。旬阳铅锌矿带东西长约100 km,南北宽10～50 km,铅锌矿主要产于中志留统双河镇组和下志留统梅子垭组,有泗人沟-南沙沟、杨柳-任家沟-小沟、长沙-西营-黄石板3个铅锌(铜)矿集区[4]。在该矿带内发现20余处铅锌(铜)矿床(点),探明铅锌储量94万t,远景储量250万t[5]。旬阳铅锌矿带主要分布于省道316北侧,自西向东分布于甘溪镇、白柳镇、城关镇、构元镇、关口镇等,直至蜀河镇,分布面积达到365 km2[6]。

旬阳县现有铅锌矿山27家,均为微、小型矿山,具体情况见表1。由于铅、锌价格下跌,加之多年开采,埋藏较浅的铅锌矿已经基本采空,只有埋藏较深的部分铅锌矿有待开采。目前,该铅锌矿带只有部分私营企业(12家)进行小规模开采,其他国有矿山企业(15家)都已停止开采。

表1 旬阳铅锌矿带矿山企业Table 1 Mining enterprises in Xunyang Lead-Zinc Belt

旬阳地区由于铅锌矿体厚度较薄,因此不论矿山规模大小,均为地下开采,且采空区塌陷地质灾害较少。目前,主要矿山地质环境问题为由矿区内尾矿库和弃渣场产生的土地资源损毁,河流、农田污染及矿山地质灾害隐患。

2 地质环境污染现状

2.1 河流污染

2.1.1 河水评价

研究区154个河流断面水体pH值为6.86～8.40,大部分河水为中-偏碱性,占比97.40 %;酸性水样点仅有4个,占2.60 %。根据各元素的平均含量/对照值,单项污染指数从大到小依次为:Cu(2.71)>Cr(1.75)>Pb(1.49)>Cd(1.27)>As(1.25)>Zn(1.08)>Hg(1.00),说明除了Hg外,其余元素均受到不同程度的人类活动影响;研究区内汉江流域、乾佑河流域、旬河流域、公馆-竹筒河流域、蜀河流域及西岔河流域等所有水系的154个断面水质均满足GB 3838-2002 《地表水环境质量标准》[7]Ⅱ类标准,水质好,几乎无污染。此外,除个别点位Cd和Zn元素超标外,其余点位水质均满足GB 3838-2002 《地表水环境质量标准》Ⅰ类标准。旬阳铅锌矿带河水重金属综合污染评价情况见图1。

图1 旬阳铅锌矿带河水重金属综合污染评价图(1∶5万)Fig.1 Comprehensive evaluation map for river water heavy metal pollution in Xunyang Lead-Zinc Belt(1∶50 000)

以单元素超标倍数法评价水质,结果显示所有断面7种重金属元素的超标倍数均小于0,即所有断面均未受到污染,水质良好。以综合污染指数法评价,6个断面水质为清洁,占比3.90 %,且均为支沟;其余148个断面水质为尚清洁,占比96.10 %。这说明水质目前尚未污染,但总体上已经达到警戒线,需要引起注意,防止矿业开发对河流污染。

2.1.2 河流底泥重金属累积评价

16件河流底泥样品的pH值为8.31～9.32,平均值为8.83。Zn平均质量分数最高,为165.744 mg/kg,其次是Cr、Pb、Cu、As、Cd、Hg,与GB 15618-2018 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[8]中的风险筛选值相比,Cd存在超标现象,是标准的1.34倍,其他元素的平均值均满足标准要求。分析各元素最大值与风险筛选值,发现Cd和Zn元素存在超标现象,分别为标准的3.93倍和1.66倍,其余元素最大值满足标准要求,说明研究区部分河段存在Cd和Zn元素生态风险,需要引起注意。相对于邻区对照值,各元素的平均累积倍数从大到小依次为Cd、Zn、As、Cu、Pb、Cr、Hg,除了Hg元素外,其余元素均存在累积效应,但累积强度较小。采用研究区上游3件河流底泥样品重金属含量平均值作为对比评价的标准值,旬阳铅锌矿带河流底泥综合累积程度评价情况见图2。

图2 旬阳铅锌矿带河流底泥综合累积程度评价图Fig.2 Comprehensive evaluation map for riverbed slime accumulation degree in Xunyang Lead-Zinc Belt

河流底泥综合累积指数分析结果表明:研究区16件底泥样品中,11件为轻度污染,占比68.75 %;其余5件为清洁,占比31.25 %;即大部分存在不同程度的污染,少部分为清洁无污染。旬河水系8个点位中,3个点位为清洁(包含其中2条支沟),5个点位为轻度污染,说明旬河水系水质总体一般,但上游汇水支沟水质较好;汉江水系8个点位中,仅有2个点位为清洁,6个点位为轻度污染(包含2条主河道和4条支沟),说明汉江水系水质总体较差,可能与个别上游支沟存在矿业活动区有关。

2.2 农田污染

2.2.1 农田土壤重金属含量特征

野外工作采集了78件农田土壤样品,pH值为6.67～8.80,平均值为8.28,93.59 %样品pH值大于7.5,为偏碱性土壤。研究区土壤Hg、Cd、Zn的变异程度极强(变异系数大于1);Zn的离散程度极高,标准离差达445.27;Hg和Pb的离散性也较高,标准离差分别为20.15,32.14;As、Cr和Cu也具有一定程度的离散性,标准离差分别为11.63,10.32和7.20;表明区域上7种土壤重金属元素的含量差异明显。这可能与研究区涵盖三大不同矿集区及开采强度不同有关。部分点位重金属含量相当高,如Zn最大值高达3 940 mg/kg,Pb最大值达222 mg/kg,Cr和Hg最大值分别为107 mg/kg、101 mg/kg;说明人类活动导致的重金属含量变异极强。

邻区土壤对照值重金属Pb、Cd、Cr、Cu和Zn含量相对较高,分别是中国土壤背景值[9]的3.13倍、6.60倍、1.55倍、2.00倍和2.44倍,是关中平原土壤背景值[10]的5.00倍、5.50倍、1.44倍、1.92倍和2.75倍;Hg和As略低于中国土壤和关中平原土壤背景值含量。说明研究区土壤Pb、Cd、Cr、Cu和Zn元素背景值较高,属于原生地球化学异常,与研究区存在的三大矿集区密切相关。旬阳铅锌矿带农田土壤重金属单项累积特征具体情况见表2。

表2 旬阳铅锌矿带农田土壤重金属单项累积特征Table 2 Single-element heavy metal accumulation characteristics in farmland soils in Xunyang Lead-Zinc Belt

与邻区农田土壤重金属平均含量比较,土壤重金属累积点位率排序为Hg(97.44 %)>As(85.9 %)>Zn(20.51 %)>Cd(19.23 %)>Cr(11.54 %)>Cu(8.97 %)>Pb(7.69 %),说明大部分土壤存在Hg、As累积作用影响,小部分土壤存在Zn、Cd、Cr、Cu、Pb累积作用影响。平均累积倍率排序为Hg(204.789)>As(0.781)>Cd(0.152)>Zn(0.141)>Cr(-0.135)>Cu(-0.239)>Pb(-0.467),说明Hg元素的平均累积强度最强,受人类活动影响最大。这可能与研究区汞锑矿的开采、冶炼有关,人类活动改变了地壳中Hg元素的赋存状态,加速其迁移、转化等地球化学循环速度,之后陆续地释放到地表环境中。

2.2.2 农田土壤污染评价

根据GB 15618-2018 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[8],土壤重金属风险筛选值的超标点位率排序为Cd(25.64 %)>Hg(24.36 %)>Zn(8.97 %)=As(8.97 %)>Pb(1.28 %)>Cr(0)=Cu(0),说明部分农田土壤存在Cd、Hg、Zn、As、Pb等5种重金属超标现象,具有健康风险,其中Cd和Hg污染土壤范围最大;风险管制值的超标点位率排序为Hg(15.38 %)>Cd(1.28 %)>Pb(0)=Cr(0)=As(0),说明研究区农田土壤以Hg和Cd为主要污染元素,并且部分土壤已经达到了需要治理的程度。平均超标倍率排序为Hg(1.300)>Cd(0.270)>Zn(-0.311)>As(-0.314)>Cu(-0.656)>Cr(-0.672)>Pb(-0.745),说明Hg的平均超标程度最高,污染最为严重,Cd次之。

土壤重金属综合污染指标表明:只有Pb、Cr、Cu的综合指数未达到污染水平。其中,Cr的综合指数最小,为0.425;Pb的综合指数为0.942>0.7,处于警戒状态。Hg、Cd、As、Zn的综合指数均达到污染水平,其中,As为中度污染,其余均为重度污染,尤其重金属Hg,综合指数达到了29.846。综上,研究区土壤重金属Hg污染最为严重,其次是Cd、Zn和As。这可能与研究区背景值及特定重金属矿产的开采有关。

78个土壤监测点中,未污染点位为45个,占比57.69 %。其中,33个点位满足安全级别,占比42.31 %;12个点位为警戒级别,占比15.38 %。剩余33个点位达到污染级别,轻度、中度、重度污染分别占比19.23 %、5.13 %、17.95 %。从数量上说明,研究区污染土壤面积较大,相关治理研究已经刻不容缓。旬阳铅锌矿带土壤重金属综合污染评价具体情况见图3。

图3 旬阳铅锌矿带土壤重金属综合污染评价图Fig.3 Comprehensive evaluation map for mining area soil heavy metal pollution in Xunyang Lead-Zinc Belt

评价表明,公馆-竹筒流域点位污染最为严重,这与该地区历史开采、冶炼汞矿有关;旬河下游及汉江流域个别点位污染严重,多数点位土壤满足清洁程度,污染严重点位多位于支沟沟口,很可能与沟内上游采矿活动有关。蜀河镇以北点位多为轻度污染。双河镇西岔沟流域内,未发现矿业活动现象,除西岔沟以外,均存在不同程度的污染。

3 矿山土地资源损毁现状

旬阳铅锌矿带开采方式皆为硐采,地表剥离较少,但开采过程中,厂房建设、弃渣堆放、修建道路等都对原始地貌景观形成了较严重的破坏,尤其是弃渣堆放压占了大量林地草地,破坏了生态环境,且缺少相应的排水、复绿及工程治理等措施。目前,旬阳铅锌矿带土地压占与破坏62处,压占林草地517×104m2,总体积达到712.0×104m3。其中,废石渣场51处,压占林草地290×104m2,体积为303.5×104m3;尾矿渣场11处,压占林草地227×104m2,体积为408.5×104m3。

4 矿山地质灾害隐患

由于该矿带内地层岩性多为千枚岩,岩石风化严重,矿山开采工程活动强烈,采矿弃渣堆放在斜坡上、沟道中,容易产生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害[11]。主要表现为修路斩坡破坏原有斜坡应力分布状态,形成滑坡隐患;沟谷斜坡上的硐口采矿弃渣直接倾泻于硐口外斜坡地带,顺坡而下,构成了坡面矿渣型泥石流隐患。

4.1 崩塌灾害隐患

陡峻斜坡上的岩土体在重力作用下突然脱离母体,迅速崩落滚动,而后堆积在坡脚或沟谷的现象称为崩塌[12]。崩塌有时会砸毁、掩埋房屋和其他工程设施,危害人类生命财产安全。经调查分析,共有4处崩塌,体积仅为2 292 m3。统计结果见表3。

表3 旬阳铅锌矿带崩塌及其隐患统计结果Table 3 Statistics of collapse and its risks in Xunyang Lead-Zinc Belt

4.2 滑坡灾害隐患

滑坡是指斜坡上的土体或岩体,受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响,在重力作用下,沿着一定的软弱面或软弱带,整体或分散地顺坡向下滑动的自然现象[13]。发生在矿带的滑坡,可摧毁矿山设施,伤亡员工,毁坏厂房,使矿山停工停产,常造成重大损失[14]。经调查分析,共有滑坡2处,体积不大,仅为470×104m3。统计结果见表4。

表4 旬阳铅锌矿带滑坡及其隐患统计结果Table 4 Statistics of landslide and its risks in Xunyang Lead-Zinc Belt

4.3 泥石流灾害隐患

由暴雨、大量冰雪融水或江湖、水库溃决后的急 速地表径流激发的含有大量泥砂、石块等固体碎屑物 质,并具有强大冲击力和破坏作用的特殊洪流造成的 灾害称为泥石流灾害[15]。发生在该矿带的泥石流主要危害是冲毁周边工厂、乡村等,造成人畜伤亡,破坏房屋及其他工程设施,破坏农作物、林木及耕地。泥石流有时也会淤塞河道,不但阻断航运,而且还可能引起水灾[16]。经调查分析,共发现泥石流12处,流域面积26.33 km2,平均高差338 m。统计结果见表5。

表5 旬阳铅锌矿带泥石流及其隐患统计结果Fig.5 Statistics of debris flow and its risks in Xunyang Lead-Zinc Belt

总的来说,该矿带崩塌、滑坡的灾害等级皆为小型或中型,易发程度均为低易发或不易发。泥石流为采矿弃渣堆放在冲沟内形成的泥石流地质灾害隐患物源,从物源、降雨和地形3个因素考虑,均为低易发或不易发。目前,该铅锌矿带企业管理落后,鲜有防护、拦挡、排水等工程治理措施,容易对附近村庄、道路、行人、河流造成危害。

5 矿山地质环境治理对策

结合旬阳铅锌矿带内矿山地质环境问题,将涉及矿山地质环境治理的内容分为水土污染治理、土地资源损毁治理、地质灾害隐患治理3类。

1)针对旬阳铅锌矿带河流污染,建议优先采取污染源头防控措施,对27家铅锌矿山实施过滤、除尘等颗粒物治理升级改造,酸性废水、初期雨水收集处理以减少径流污染等措施,切断污染源输入途径后采取原位修复法对铅锌矿带河流污染进行治理。针对旬阳铅锌矿带农田土壤污染,经研究分析发现,人类活动导致的重金属含量变异性极强,研究区土壤Pb、Zn、Cd元素背景值较高,属原生地球化学异常,与研究区的成矿地质环境密切相关。传统的重金属污染农田土壤的修复方法,如隔离法、换土法等,存在土壤扰动大、修复费用高、治理规模小且易造成二次污染等问题,实施起来较困难。建议采用陆生植物修复方法,不仅可以使重金属污染土壤得到修复和改良,还可以产生生态效益和经济效益。芦苇、芒萁对Pb、Zn、Cd的转运、富集系数均大于1[17],但芒萁属于典型的酸性土壤指示植物,不适宜在该矿带农田土壤种植,因此可以选择在污染农田种植芦苇,进而达到修复的目的。

2)土地资源损毁治理通常的手段是科学合理地对矿区损毁的土地资源进行复垦[18],一般采取平整、覆土、绿化的办法,同时还可以利用和推广新技术,综合利用尾矿废石,如采空区充填、用作建筑材料等,减少尾矿废石占用及破坏土地资源。

3)针对旬阳铅锌矿带崩塌、滑坡的灾害等级皆为小型或中型,易发程度均为低易发或不易发,且泥石流亦均为低易发或不易发等情况,首先,应加强企业管理,以整理废弃土石方为主,局部支挡并系统设置截排水[19],以彻底消除地质灾害隐患。其次,可以将矿山地质灾害与生态修复有机结合,例如:采取绿化工程技术措施,不仅可以弥补生态修复资金不足的缺陷,达到生态环境修复的目的,还可以在一定程度上对旬阳铅锌矿带的地质灾害隐患起到治理作用。

6 结 论

依托中国地质调查局牵头开展的“重要矿集区生态地质调查”项目、参考相关研究成果、实地调查并对收集的资料进行统计分析,对旬阳铅锌矿带地质环境问题进行分类,主要从由采矿活动引发的水土污染、矿山土地资源损毁及矿山地质灾害隐患3方面入手,分析环境问题现状,最后针对问题提出相应的治理对策。

1)旬阳铅锌矿带主要的地质环境问题为矿区周边农田、河流污染,矿区土地资源损毁及矿山地质灾害隐患。其中,旬阳铅锌矿带周边污染土壤面积较大,相关的治理研究已经刻不容缓;水质目前虽尚未污染,但总体已经达到警戒线,需要引起注意。开采过程中,厂房建设、弃渣堆放、修建道路等对原始地貌景观也形成了较严重的破坏,尤其是弃渣堆放压占了大量的林地草地,严重破坏了生态环境。该矿带崩塌、滑坡的灾害等级皆为小型或中型,易发程度均为低易发或不易发,且泥石流亦均为低易发或不易发。

2)对于矿区河流污染,建议优先采用污染源头防控措施;采用种植芦苇的方法修复污染土壤。科学合理地对矿区损毁的土地资源进行复垦是土地资源损毁治理的通常手段;对于矿山地质灾害隐患,首先应加强企业管理,以整理废弃土石方为主,局部支挡并系统设置截排水,并且可以与生态修复有机结合,采取绿化工程技术措施,最终达到治理地质灾害隐患的目的。

3)旬阳铅锌矿带经地质环境综合治理,将消除地质灾害隐患,遏制水土流失的发生,消除对周边环境的污染,解决了历史遗留的矿山地质环境问题,改善了生态环境和当地居民生存环境,可促进地方经济的可持续发展,取得较好的环境、经济和社会效益。