中國南方鉛鋅礦區地下水環境調查方法探究

李化偉，廖經慧，邵 軍，駱檢蘭

我國近六成的金屬礦床分布在巖溶廣泛分布的長江以南地區，西南地區的金屬礦山數目占我國金屬礦山總數的20%，四川、貴州、云南三省交界處，廣東與湖南交界處及重慶、貴州、湖南三省交界處鉛鋅礦床分布密集。西南地區是歐亞-印度-太平洋三大巨型板塊相互作用的交匯地區，經歷了復雜的演化歷史，形成了特殊的地質構造環境及豐富的礦產資源。西南地區的金屬礦山多與碳酸鹽巖共存，水文地質條件復雜多變，濕潤的氣候有利于巖溶發育，巖溶水系統則是由巖溶洞穴、管道、裂隙、孔隙等多重介質組成的復雜、脆弱的地下水系統。南方巖溶水有含水介質極不均勻，表層巖溶水與深部裂隙管道流及地下河并存，以深部地下水為主要賦存運動形式；污染防護能力極弱；地表水與地下水相互轉化迅速等特點。鉛鋅礦的開發利用造成環境污染問題尤為嚴重，礦山的開采會引起地質環境的變化，礦物成分容易氧化分解，有害組分轉移到地下水中，并使得地下水含水層下降；選冶產生的廢石、尾礦經雨水沖刷、淋濾，大量重金屬進入到土壤、地表水中，而土壤、地表水及地下水之間的交互作用使其進入地下水并遷移。巖溶區環境系統更為脆弱，地表水與地下水之間的轉換頻繁且復雜，因此對南方鉛鋅礦區地下水環境開展調查及風險防控尤為重要。筆者詳述了南方某典型鉛鋅礦區地下水環境狀況調查方法及工作開展過程，初步探討巖溶地區地下水污染途徑及模式，為南方鉛鋅礦區地下水環境調查提供參考。

1 研究方法

1.1 資料收集與分析

工作開展前要收集相關文獻與資料，首先可以收集國內外學術期刊上發表的地下水環境調查方法的相關文獻，了解目前地下水調查的先進方法；其次要收集礦區水文地質勘察報告、礦區內企業環境影響報告書、礦山地質勘查報告等資料，通過資料分析，了解礦區開采歷史及現狀、礦床特征、水文地質情況、環境狀況等。

1.2 確定調查路線

根據收集的資料，確定詳細的調查路線，一般工作分為三個階段進行。第一階段為初步調查，主要為現場踏勘，了解礦區基本情況；第二階段為詳細調查，調查礦區基本狀況及水質情況；第三階段為補充調查，對超標嚴重區域進行進一步加密工作。

1.3 現場調查

1.3.1 水文地質調查

水文地質調查是礦區地下水環境調查的關鍵環節，主要查清礦區水文地質特征，包括調查礦區水文地質單元劃分及分布，水文地質情況，地形地貌，地層巖性及構造，礦山開采后對地下水的影響等情況。查清礦區地下水補、徑、排的具體情況。

現場調查過程中，要以礦區已有的水文地質資料及圖件作為基礎，進行現場核實與勘察。可以利用遙感影像、無人機航怕等調查手段。

1.3.2 環境調查

主要對礦區開采區、選礦廠、尾砂庫及周邊環境進行調查，主要調查礦區開采、生產情況，周邊居民情況，環境管理狀況等。

開采區，主要調查開采區采礦廢水處置情況，礦洞涌水外排情況，采礦廢渣處置情況，主要了解開采區對周邊環境造成影響的主要途徑。

選礦區，主要調查選礦工藝，輔助藥劑類型及使用情況，選礦廢水的處理情況，選礦廢水、尾砂的處置情況。

尾砂庫，主要調查尾砂庫排水系統建設情況，尾砂庫廢水處理情況及尾砂庫防滲設施建設情況。

周邊環境調查，主要調查周邊河流、農田、村莊的環境狀況，查清周邊河流的分布情況，與礦區地下水及地表水的補給關系；查清農田的灌溉水與礦區水之間的聯系；查明村莊民井、泉點與礦區地下水之間的聯系。

1.4 監測點位布設

根據調查情況，本著“全面兼顧、深淺結合、突出重點”的原則，結合水文地質調查成果及礦區環境狀況進行點位布設，具體布設方法如下。

1.4.1 背景點布設

背景點主要反映區域地下水的基本水質狀況，點位要布在礦區監測層位的上游，沒有受到采礦活動影響的區域。相對獨立的采礦區、選礦區及尾礦庫需布設多個對照點，多個污染源分布在同一流域或影響同一含水層時，可共用背對照監測點。

1.4.2 監測點位布設

孔隙水，以淺層地下水監測為主，監測點的布設位于主要污染源附近的地下水下游地區；巖溶水，監測點的布設重點追蹤地下暗河、巖溶通道，在通道的下游地區布設監測井。裂隙水，布點同孔隙水調一致，但宜布設在相互連通的裂隙網絡上，構造裂隙水若存在主徑流帶，則監測點的布設重點應追蹤主徑流帶，在主徑流帶的下游布設監測點。

點位布設過程中可以補充物探工作，通過高密度電法剖面測量，結合各剖面相應地段的地質特點（如微地貌、地層、巖性、構造、含水條件等）進行綜合解釋推斷重點地段或地表覆蓋嚴重區域地下水分布情況，為監測井位置選擇提供依據。

1.5 監測井建設

根據《地下水環境監測技術規范》（HJ 164-2020），監測井建設包括監測井設計、施工、成井、抽水試驗等內容參照DZ/T 0270相關要求執行。

1.6 樣品采集

樣品采集參考《地下水環境監測技術規范》（HJ 164-2020）相關要求執行。

1.7 檢測分析

檢測項目包括常規因子和特征污染因子。常規因子根據《地下水環境質量標準》（GB/T 14848-2017）確定；特征污染因子結合礦石礦物組成及區域內企業產排污狀況確定。

1.8 結果評價

1.8.1 地下水質量評價

近年來，國內外研究人員提出了多種水質評價的方法和模型，如單因子評價指數法、綜合指數法、模糊數字綜合評價法、灰色聚類綜合評價法等多種基于數學模型的方法，但由于評價因子與水質等級間復雜的非線性關系及水體污染的隨機性和模糊性，至今未有一個被廣泛接受的評價模型。綜合比較，本調查根據《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標準采用綜合評價法對礦區地下水質進行評價。

1.8.2 地下水污染評價

國內外地下水污染評價的方法很多，國外地下水污染方面的研究主要是強調溶質運移機理的基礎理論研究，常采用的方法有主成分分析法、R型因子分析法、多變量統計方法和專家系統法等。國內地下水污染評價工作開始較晚，但發展迅速，目前常用的方法有單因子污染標準指數法、綜合污染指數法、參數分級評分疊加指數法、灰色關聯分析法和模糊數學法等。本調查采用單因子污染標準指數法對礦區地下水進行污染評價，具體污染等級分類詳見表1。

表1 地下水污染現狀評估標準

1.9 劃分污染范圍

根據監測結果、監測井監測層位及礦區水文地質情況，對區內地下水環境污染范圍進行劃分。

1.10 建立污染模型

根據礦區環境狀況及調查情況，結合數據分析構建礦區污染擴散模型，反應污染物進入地下水的途徑及擴散方式。

2 某鉛鋅礦區調查案例

2.1 礦區基本情況

礦區位于珠江水系和長江水系湘江支流的分水嶺北側，南高北低，地貌屬剝蝕構造類型。礦區西部區域，南、北面由花崗巖及變質砂巖組成的中高山地形，山勢陡峻，溝谷呈“V”字形態。東部區域為由泥盆、石炭系碳酸鹽巖組成低山地形，地勢較平緩，山頂圓滑。地表、地下巖溶甚為發育，礦區內地形主要受構造控制，山谷線與構造線基本一致。

礦區成礦帶是巖漿巖與碳酸鹽巖外接觸帶的中溫熱液型鉛鋅礦床，礦區礦石類型主要有鉛鋅硫化物礦石、鉛鋅錫綜合礦石、矽卡巖型鉛鋅礦石三種，礦石呈致密塊狀、細脈浸染狀、浸染狀。圍巖蝕變主要有矽卡巖化、鐵錳碳酸鹽化等。

礦區開采歷史悠久，早在宋朝年間就有開采活動記載。上世紀，礦區及其周邊以濫采亂挖聞名。歷史上礦業無序開采，造成該區域重金屬污染事故頻發。經過政府整頓后，礦區形成一個集采礦、選礦一體的典型礦區，礦區主要包括一個采礦區，一個選礦廠、一個尾礦庫。

2.2 水文地質情況

礦區屬于巖溶裂隙水區，基巖中巖溶發育，洼地、漏斗、落水洞、暗河溶洞等廣泛分布。含水層巖性主要為灰巖、白云巖，分布均勻，地下水主要呈管道形式運動，有數條暗河層面發育。隔水層巖性主要為鈣質砂巖，呈北西向條帶狀分布。

地下水補給：主要有2個途徑，一是大氣降水垂直滲透，或形成地表徑流通過以暗河為主的巖溶管道，直接灌入補給淺部強含水層，為最主要補給方式；二是礦區南東部外圍地下水通過暗河進入本礦段。

地下水的徑流：在天然狀態下，礦段地下水總的徑流趨勢是由南東向北西，其徑流途徑主要為暗河。

地下水的排泄：天然狀態下，本礦段地下水與整個礦區地下水的排泄相一致，其主要徑流則沿著暗河流出，局部的地下水在山間狹長溝谷處、以泉為主要形式排出地表，排出地下水最終匯入礦區周邊河流。

礦區開采對區域內地下水的影響主要表現在一下幾個方面：

主要含水層已經被疏干，經過以往多年的生產抽水，開采區段坑道系統已經完全展開，形成以開采最深礦段為中心的降落漏斗，降落漏斗范圍內的主要含水層—淺部溶洞水已經被基本疏干。

主要斷裂含水帶已經被疏干，隨井下開采深度增加，坑道強排水形成的降落漏斗區內，原主要含水構造均已經被疏干，僅成為降落漏斗范圍內部分大氣降水下滲流量和降落漏斗外部分礦段南東外圍地下水截余量—動儲量的主要充水通道。

2.3 環境概況

礦區內主要污染物為廢渣與廢水，廢渣主要為采礦廢石與選礦尾砂，廢水主要為礦井涌水、選礦廢水與尾砂庫廢水。

采礦區，采礦區現在主要有一個主礦洞，主要負責礦段出礦、出廢石、進風和人行安全出口任務。采礦區主要產生采礦廢水、礦井涌水、采礦廢石，采礦廢水通過水泵輸送到廢水處理站進行處理后作為選礦用水回用；礦井涌水通過礦洞巷道排出；采礦廢石通過主井拉出后堆積在廢石堆場。

選礦廠主要進行鉛鋅采選，選礦方法為浮選-重選，其工藝流程為：破碎→磨礦→浮選，脫硫→磁選，除鐵→重選。生產過程中使用的藥劑包括硫酸、黃藥、硫酸銅、二號油等。選礦廠主要產生廢物為選礦尾砂與選礦廢水，選礦尾砂通過輸送管道排放到尾砂庫；選礦廢水部分與尾砂一起輸送到尾砂庫，部分排到廢水處理站進行處理后回用。

尾砂庫，主要用于儲存選礦尾砂，建成了完善的截排水及排洪設施、尾礦輸送系統和回水系統。尾砂庫主要污染物為尾砂庫廢水。

2.4 監測點位布設

根據礦區污染源分布情況、水文地質情況，結合點位布設原則，礦區共布設地下水監測點位15個，背景點3個，監測點位12個。采礦區布設礦洞涌水點3個，下游監測點位3個，選礦廠布設下游監測點位布設了3個，尾砂庫布設下游監測點位3個（見圖1）。

圖1 礦區監測點位分布圖

2.5 礦區水質評價結果

根據檢測分析數據，用《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標準采用綜合評價法對礦區地下水質進行評價，計算每個點位的水質等級。

采用單因子污染標準指數法對礦區地下水進行污染評價，然后根據污染評價指數，采用反向差值法繪制單因子污染分布示意圖（見圖2）。

圖2 礦區區地下水污染分布示意圖

本礦區調查發現，礦山開采對深部巖溶水水質影響較大；尾礦庫對淺層孔隙水影響較小，對深部巖溶水影響有限；選礦廠對淺層孔隙水影響較大，對深部巖溶水影響較小。

2.6 礦區污染模式分析

根據水文地質情況，監測井巖層結構，水質評價結果等調查成果綜合分析了礦區的污染模式，情況如下：

礦區大氣降水通過滲透與巖溶漏斗匯入的方式進入巖溶裂隙，然后匯入巖溶通道；礦區外部暗河直接進入礦區與區內巖溶通道形成相互貫通的管道網絡。開采區污染物主要通過巖層裂隙滲透、匯流集中灌入巖溶通道的方式進入巖溶管道；選礦區污染物主要通過土層垂向滲透方式進入巖溶裂隙后匯入巖溶管道；尾砂庫上部污染物通過土層垂向滲透方式進入巖溶裂隙后匯入巖溶管道，下部污染物主要通過巖層裂隙滲透方式進入巖溶管道（圖3）。

圖3 礦區地下水污染模式示意圖

3 結論

本次論述總結了近年來的地下水環境的調查方法，結合了相關技術規范，以長期調查工作基礎，初步提出鉛鋅礦區的地下水調查方法，可為科學合理的開展南方礦區的地下水調查提供參考。

開展地下水環境調查過程中，不同區域的水文地質情況差異較大，污染物的遷移和分布規律復雜多樣，南方巖溶區的地下水系統更為復雜，污染途徑多樣，因此若要調查結果更有針對性和準確性，需要結合實際情況，充分開展水文地質及環境調查，合理布設點位，科學評價。