廣東大寶山礦區(qū)堆積土水土流失對(duì)重金屬遷移量的影響

陳三雄,周春堅(jiān),謝江松,舒若杰,廖建文,常 進(jìn),朱世海,李海東

(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610;2.廣東省水利廳,廣東 廣州 510611;3.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510611;4.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

礦產(chǎn)資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。然而,礦山開(kāi)采不僅會(huì)直接導(dǎo)致大面積的植被破壞和水土流失,而且會(huì)產(chǎn)生大量的剝離土、廢棄礦石和尾礦等固體廢棄物[1]。在降水徑流等外營(yíng)力作用下,含有重金屬污染物的礦山固體廢棄物伴隨著水土流失而污染水源和農(nóng)田[2-3],并在土壤中積累。當(dāng)重金屬積累到一定量后會(huì)對(duì)土壤-植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害,不僅導(dǎo)致植被恢復(fù)困難[4],土壤退化,農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低,還可能通過(guò)直接接觸、食物鏈等途徑危及人類(lèi)的生命和健康。因此,礦山,特別是露天開(kāi)采的金屬礦山普遍存在水土流失、重金屬污染等環(huán)境問(wèn)題[5-6],嚴(yán)重影響“綠水青山就是金山銀山”生態(tài)戰(zhàn)略思想的實(shí)現(xiàn)。

廣東省大寶山礦位于粵北山區(qū),是一座大型多金屬硫化物伴生礦床。經(jīng)過(guò)近60 a露天開(kāi)采,加上缺乏有效管制的民采,導(dǎo)致大量含重金屬離子的酸性廢水和泥沙進(jìn)入下游生態(tài)系統(tǒng),給周?chē)h(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染[7]。大寶山礦區(qū)重金屬污染問(wèn)題引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注和相關(guān)研究[8-9]的開(kāi)展,但鮮見(jiàn)水土流失對(duì)重金屬遷移影響研究方面的相關(guān)報(bào)道。

據(jù)調(diào)查,在大寶山礦區(qū)堆積著大量礦產(chǎn)開(kāi)采剝離的棄土,巨量堆積土為水土流失的劇烈發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ),是礦區(qū)最重要的潛在環(huán)境污染源。已有研究表明,重金屬隨暴雨徑流的遷移是造成重金屬污染的根本原因[10]。為此,筆者以廣東省大寶山礦區(qū)不同年限堆積土為研究對(duì)象,對(duì)其徑流及泥沙流失、重金屬隨徑流泥沙遷移特征進(jìn)行研究,以期為礦區(qū)環(huán)境污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

大寶山礦位于廣東省韶關(guān)市曲江區(qū)、翁源縣交界處,于1958年建礦,1966年建成投產(chǎn)。大寶山礦床是南嶺成礦帶的主要組成部分,主礦體上部為褐鐵礦體,下部為銅硫礦體,并伴生有鎢、鉍、鉬等有色金屬礦。

大寶山礦區(qū)地處南嶺低山區(qū),以侵蝕地形為主,并有少量喀斯特地形,海拔一般在300 m以上。礦區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫約為20.3 ℃,多年平均降水量約為1 673 mm。礦區(qū)出露地層絕大多數(shù)為晚古生代沉積巖系。地帶性土壤類(lèi)型為紅壤,隨海拔高度增加逐漸為山地黃壤所替代。地帶性植被類(lèi)型為典型常綠闊葉林,隨著海拔升高,逐漸向山地常綠落葉闊葉林類(lèi)型演變,喬木層主要包括樟科、殼斗科、山茶科等植物種,灌木層以茜草科、山茶科的一些種類(lèi)為主,草本主要為蕨類(lèi)。受采礦活動(dòng)影響,礦產(chǎn)開(kāi)采區(qū)域原生植物破壞嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在大寶山礦區(qū)有大量采礦剝離廢棄的堆積土,根據(jù)堆積時(shí)間長(zhǎng)短,將堆積時(shí)間在2 a內(nèi)的定義為新棄土,堆積時(shí)間超過(guò)2 a的定義為老棄土,以未擾動(dòng)的裸露坡地為對(duì)照(自然土)。共設(shè)置老棄土、新棄土和自然土3個(gè)類(lèi)型樣地,每個(gè)樣地設(shè)置2個(gè)重復(fù)。各樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1廣東省大寶山礦區(qū)徑流模擬沖刷試驗(yàn)樣地基本情況

Table1Thecharacteristicsofrunoff-causederosiontestplotsintheDabaoshanminingareaofGuangdongProvince

樣地類(lèi)型堆積時(shí)間/a土壤類(lèi)型土壤容重/(g·cm-3)不同粒徑(mm)顆粒組成/%w/(mg·kg-1)>2>0.2^2>0.02^0.2>0.002^0.02≤0.002CdPbZnCu 新棄土1)0.5中礫石土1.5065.4610.7910.879.243.6410.3±1.5954.6±127.41 562.3±35.81 434.5±45.0 老棄土2)3重礫石土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)—輕礫石土1.2831.6212.7615.9627.1612.503.8±1.3294.6±77.6194.7±11.7290.3±34.0

1)位于凡洞生活區(qū)東側(cè)臨時(shí)堆土區(qū);2)位于內(nèi)排土場(chǎng);3)位于凡洞生活區(qū)南側(cè)。

2.2 試驗(yàn)方法

采用自制的便攜式土壤沖刷儀,對(duì)不同類(lèi)型堆積土進(jìn)行野外徑流小區(qū)模擬徑流原位沖刷試驗(yàn)[11-12]。土壤沖刷儀由蓄電池、無(wú)刷直流水泵、電位器、輸水管、流量計(jì)和溢流箱組成。小區(qū)用1 mm厚鋼板圍蔽而成,鋼板插入地下0.25 m以上深處,地上出露0.1 m以上。小區(qū)坡度為25°,長(zhǎng)2.0 m,寬0.5 m,下方設(shè)置集流槽。試驗(yàn)沖刷流量為500 L·h-1,沖刷時(shí)間為20 min。試驗(yàn)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)控制沖刷流量,通過(guò)溢流箱的緩沖使水流均勻地以薄層水流形式進(jìn)入徑流小區(qū)。

試驗(yàn)過(guò)程中,小區(qū)產(chǎn)流后用徑流桶在集流槽出水口每隔2 min收集該時(shí)段全部徑流和泥沙樣。將徑流桶收集的水樣充分?jǐn)嚢?用量杯取渾水樣,采用過(guò)濾烘干法測(cè)定量杯所取渾水樣的徑流體積和含沙量,以此推算該時(shí)段小區(qū)徑流量和侵蝕泥沙量[13]。將徑流桶剩余水樣靜置澄清,小心倒去上部清水后將泥沙晾干,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后過(guò)0.15 mm孔徑尼龍篩,采用HF-HClO4-HNO3消解、定容,制備待測(cè)液,用美國(guó)PE公司生產(chǎn)的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-4300DV)測(cè)定泥沙樣中Cd、Pb、Zn和Cu含量。其中,重金屬流失率表示單位時(shí)間、單位面積重金屬流失量[10],計(jì)算公式如下:

Vi=(Ci×Qi)/(s0×Ti)。

(1)

式(1)中,Vi為第i時(shí)段重金屬平均流失率,mg·min-1·m-2;Ci為第i時(shí)段泥沙重金屬含量,mg·kg-1;Qi為第i時(shí)段泥沙流失量,kg;s0為徑流小區(qū)面積,m2;Ti為第i時(shí)段沖刷時(shí)間,min。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類(lèi)型堆積土水土流失隨時(shí)間的變化特征

由圖1可知,在20 min內(nèi),大寶山礦區(qū)不同類(lèi)型堆積土徑流量均隨時(shí)間變化呈上升趨勢(shì),新棄土和老棄土平均徑流量分別為6.52和5.75 L·min-1,遠(yuǎn)高于自然土(0.69 L·min-1)。新棄土和老棄土20 min累積徑流量分別為130.40和115.00 L,分別是自然土(13.80 L)的9.45倍和8.33倍,相同時(shí)段新棄土、老棄土累積徑流量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然土(圖1)。

不同時(shí)刻徑流含沙量和產(chǎn)沙率見(jiàn)圖1。從變化趨勢(shì)來(lái)看,不同類(lèi)型堆積土徑流含沙量和產(chǎn)沙率均隨沖刷時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。新棄土、老棄土和自然土徑流中平均含沙量分別為156.79、51.68和23.99 g·L-1,平均產(chǎn)沙率分別為0.99、0.27和0.03 kg·min-1,新棄土平均含沙量、產(chǎn)沙率最高,老棄土次之,自然土最低。

圖1 不同類(lèi)型堆積土水土流失隨時(shí)間變化過(guò)程

3.2 不同類(lèi)型堆積土重金屬隨徑流泥沙的遷移特征

由表2可見(jiàn),新棄土、老棄土和自然土侵蝕泥沙中Cd平均含量為3.36 ～38.41 mg·kg-1,Pb平均含量為304.57～1 647.75 mg·kg-1,Zn平均含量為177.66～1 818.16 mg·kg-1,Cu平均含量為322.89～1 683.91 mg·kg-1?？梢钥闯?3種樣地類(lèi)型中新棄土侵蝕泥沙中重金屬平均含量最高,Cd、Pb、Zn和Cu平均含量分別是自然土的11.43、5.41、10.23和5.22倍。老棄土侵蝕泥沙中重金屬含量與新棄土相差不大,但也明顯高于自然土。

從重金屬流失率來(lái)看,20 min內(nèi)新棄土和老棄土侵蝕泥沙Cd平均流失率為32.55和12.18 mg·min-1·m-2,遠(yuǎn)高于自然土(0.09 mg·min-1·m-2);類(lèi)似地,新棄土、老棄土和自然土Pb平均流失率為1 648.98、432.10和8.07 mg·min-1·m-2,Zn平均流失率為1 854.35、460.14和4.92 mg·min-1·m-2,Cu平均流失率為1 742.63、429.47和8.69 mg·min-1·m-2。可以看出,重金屬平均流失率最高的是新棄土,其次為老棄土,自然土最小。新棄土侵蝕泥沙Cd、Pb、Zn和Cu流失率分別是自然土的361.67、204.33、376.90和200.53倍,老棄土則分別是自然土的135.33、53.54、93.52和49.42倍。

表2不同類(lèi)型堆積土侵蝕泥沙在不同時(shí)刻的重金屬含量和流失率

Table2Heavymetalcontentanderosionrateofdifferenttypesofaccumulativesoilatdifferenttimes

樣地類(lèi)型時(shí)間/minw/(mg·kg-1)流失率/(mg·min-1·m-2)CdPbZnCuCdPbZnCu 新棄土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 老棄土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 堆積土水土流失量與重金屬遷移量的相關(guān)性

由表3可見(jiàn),徑流泥沙中Cd、Pb、Zn和Cu含量與徑流量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),徑流泥沙中Cd、Pb、Zn和Cu流失率與徑流含沙量、產(chǎn)沙率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),表明徑流及泥沙流失對(duì)重金屬的遷移有顯著影響。

表3水土流失量與徑流泥沙中重金屬遷移量的相關(guān)系數(shù)

Table3Correlationcoefficientbetweensoilerosionandheavymetalmigration

指標(biāo)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 徑流量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?? 產(chǎn)沙率0.2930.867??0.4670.999??0.514?0.991??0.588?0.993??

*α=0.05顯著水平,**α=0.01顯著水平。n=15。

4 討論

野外原位試驗(yàn)結(jié)果顯示,大寶山礦區(qū)2種類(lèi)型堆積土(新棄土、老棄土)水土流失量均遠(yuǎn)大于自然土,表明受采礦活動(dòng)影響,礦區(qū)土壤擾動(dòng)堆積后,土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞,土壤的抗沖、抗蝕力減弱,在徑流沖刷外營(yíng)力作用下更容易發(fā)生侵蝕[14-15],導(dǎo)致其土壤侵蝕量較自然土要大很多倍。與此同時(shí),伴隨著水土流失,土壤中Cd、Pb、Zn和Cu等重金屬同步發(fā)生遷移[16-18],亦表現(xiàn)出堆積土重金屬遷移量要顯著高于自然土的現(xiàn)象。重金屬隨暴雨徑流的遷移包括水相和沉積相(泥沙)的遷移[19]。據(jù)梁濤等[10]的研究,水相遷移量?jī)H占沉積物相遷移量的0.1%～4.9%,重金屬主要隨徑流中泥沙顆粒向下游遷移[20]。由于受野外試驗(yàn)條件的限制,筆者研究中沒(méi)有測(cè)定重金屬隨徑流水相的遷移量。但對(duì)比堆積土含沙量、產(chǎn)沙率與重金屬流失率的變化過(guò)程曲線,其變化趨勢(shì)、幅度及變化過(guò)程均表現(xiàn)出高度一致性,相關(guān)分析結(jié)果也表明含沙量、產(chǎn)沙率對(duì)重金屬遷移量有極顯著影響?？梢?jiàn),若要控制重金屬對(duì)外部環(huán)境的危害,必須治理礦區(qū)水土流失,控制泥沙隨徑流下泄進(jìn)入下游生態(tài)系統(tǒng)。

比較2種不同類(lèi)型堆積土的水土流失及重金屬遷移量可知,在相同試驗(yàn)條件下新棄土徑流量、含沙量和產(chǎn)沙率分別為老棄土的1.13、3.03和3.67倍,新棄土Cd、Pb、Zn和Cu流失率是老棄土的2.67～4.06倍,新棄土水土流失量及重金屬遷移量均明顯高于老棄土,表明堆積時(shí)間對(duì)堆積土水土流失及重金屬遷移量有明顯影響,堆積時(shí)間越短,其水土流失量及重金屬遷移量就越大?？赡艿脑蚴切聴壨炼逊e時(shí)間較短,土壤容重較小,結(jié)構(gòu)更松散,土壤抵抗徑流沖刷的能力相對(duì)較差[21-22],導(dǎo)致其土壤侵蝕量和重金屬遷移量更大。因此,礦區(qū)采礦剝離棄土堆積后,應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)水土保持措施,以減緩水土流失,從而減少重金屬隨徑流泥沙向下游的遷移量。

從土壤沖刷過(guò)程來(lái)看,自然土含沙量、產(chǎn)沙率和重金屬流失率變化較平穩(wěn),這可能與自然土有較好的均質(zhì)性有關(guān)。而堆積土含沙量、產(chǎn)沙率和重金屬流失率隨時(shí)間變化的波動(dòng)較大,新棄土和老棄土前2 min徑流含沙量分別為461.08和233.64 g·L-1,分別為其20 min平均含沙量的2.94和4.52倍;新棄土和老棄土前2 min徑流產(chǎn)沙率分別為2.94和1.11 kg·min-1,分別為其20 min平均產(chǎn)沙率的2.97和4.11倍。重金屬流失率亦表現(xiàn)出相同特點(diǎn),新棄土4 min時(shí)Cd、Pb、Zn和Cu平均流失率分別為20 min時(shí)的11.24、15.37、15.36和16.23倍,相應(yīng)的老棄土分別為33.88、14.27、17.57和18.49倍。由此可見(jiàn),堆積土在受徑流沖刷時(shí)有十分明顯的“初期沖刷”效應(yīng)[23-24],即在徑流產(chǎn)沙初期,堆積土徑流中含沙量、產(chǎn)沙率和重金屬流失率均很高,而后隨著時(shí)間快速下降。所以在產(chǎn)流初期對(duì)堆積土水土流失的防控十分關(guān)鍵。

5 結(jié)論

(1)在相同試驗(yàn)條件下堆積土徑流量、平均含沙量、產(chǎn)沙率及泥沙重金屬平均含量、重金屬流失率均遠(yuǎn)高于自然土,礦區(qū)土壤擾動(dòng)堆積后其水土流失量及重金屬遷移量明顯增加。

(2)新棄土水土流失量和重金屬遷移量均高于老棄土,堆積時(shí)間對(duì)堆積土水土流失及重金屬遷移量有明顯影響。堆積時(shí)間越短,水土流失量和重金屬遷移量就越大。

(3)堆積土含沙量、產(chǎn)沙率和重金屬流失率隨時(shí)間變化的波動(dòng)較大,且有明顯的“初期沖刷”效應(yīng),即在產(chǎn)流初期含沙量、產(chǎn)沙率和重金屬流失率較高,而后隨沖刷時(shí)間快速下降。而自然土在整個(gè)沖刷過(guò)程中的含沙量、產(chǎn)沙率和重金屬流失率變化較平穩(wěn)。

(4)徑流及泥沙流失對(duì)重金屬遷移量有明顯影響。若要控制重金屬對(duì)外部環(huán)境的危害,必須治理礦區(qū)水土流失。