摘要
矿床本身及其开发过程中对环境造成的影响，在过去的一百多年的工业化进程中，随着对矿产资源量需求的急剧增加，矿业活动造成的环境危害越来越严重，主要表现为国土资源环境承载力下降引起的牛态破坏和环境污染.并直接影响到矿区人民生活质量和生命健康安全。面对如此严峻的金属矿山环境现状，如何评价金属矿山开发对周围介质环境的影响具有重要的意义。矿山环境中污染物释放后，通过各种途径进入环境介质中，并在各种环境介质中迁移。金属矿山环境中承载污染物的主要环境介质包括地表水、地下水、土壤，最终通过饮用水和作物的摄取逐步累积到人体。遵循金属矿山环境的演化规律，以污染物的释放-污染物的迁移-污染物归宿为路线，建立了金属矿山环境影响评价模式。
关键词：金属矿山；地质环境模型；重金属；环境影响评价
引言
我国是矿业大国，随着矿山数量和规模不断增加，矿业开发的负面影响也将日益扩大。正在开采或已废弃的金属矿山是人为和天然的土、水生态环境污染源。矿坑排出的富含金属离子的酸性废水、废石尾矿冶炼渣中所含有毒成分的氧化淋滤、残存于尾矿中的硫化物及富含氰（氯）化物的选矿药剂等，以直接方式或经介质传输进入周围环境，造成周围十壤、水系等生态系统极其严重的污染。重金属Pb、Hg、Cd、Cr和类金属As是水、土生态环境的重要毒害元素，Zn、Cu、Ni、Co、Sn等常量金属也有一定毒性，采选冶是向土壤环境释放重全属污染物的最主要途径和场所。金属元素在矿（岩）石一土壤—水源或植物一人（生物）体系统中的迁移（物理、化学、 生物迁移）构成了无机与生物间地球化学的循环。重金属污染、酸性水污染严重，砷. 镉.汞中毒等以及肝癌、肺癌等疾病发病音遍高于全国其它城市地区。以上这些危害是由矿床本身及其开发过程中对环境造成的影响，在过去的一百多年的工业化进程中，随着对矿产资源量需求的急剧增加，矿业活动造成的环境危害越来越严重，主要表现为国土资源环境承载力下降引起的生态破坏和环境污染，并直接影响到矿区人民生活质量和生命健康安全。为此，从环境保护、矿业可持续发展和保护人类身体健康高度，研究矿山开发对矿山环境的时空影响并对金属矿山环境影响评价模式进行深入研究是十分必要 的。
1 金属矿山环境中重金属释放估算
1.1 金属矿山环境污染源估算方法
通过对金属矿山环境特征的研究提出以下金属矿山环境污染源估算方法。金属矿山环境污染源估算方法主要包括两类∶一是通过静动态实验室模拟方法对金属矿山产酸潜力进行直接估算;二是通过以矿山环境中金属硫化物氧化反应机理为基础的数学模型的模拟，对矿山环境中酸性废水及重金属释放量进行估算。这两种方法的选择主要根据矿床地质环境模型数据的丰富与否决定，即如果要进行环境影响评价的矿山基础资料较为全面，能够达到数学模型的要求，才能采用数学模型的方式，对矿床开发释放出的污染物进行定量估算。如果对于矿山的地质环境概况不是很清楚，掌握的用来定量计算的参数较少，那么只能采用实验室模拟的方法，对污染源的释放量进行粗略的估算。
实验室模拟方法主要包括静态实验方法和动态实验方法。静态实验方法主要是通过各种检测手段得到固体废弃物中硫的总量，然后进行酸释放潜力的估算，用酸释放潜力来表征污染源酸性废水释放量。而动态实验方法比较典型的是批次试验与柱体淋漓实验，通过模拟自然条件下固体废弃物释放污染物的情景，进行粗略估算。下面主要探讨通过对固体废弃物释放污染物的机理探讨，建立描述释放过程的数学模型，对其释放量进行计算。
1.2 重金属释放数学模型
1.2.1 露天采场重金属释放统计模型
露天采场重金属的释放主要有两个途径，一是降水对露天采场表生带金属硫化物氧化产物的冲刷造成的，二是由干地下水通过岩石破裂带引起含有重金属的酸性废水的流动。由于表生带分布状态的复杂性以及目前对露天采场许多参数的测定不足，不能采用概化的数学模型去定量描绘由于表生带金属硫化物氧化造成酸性废水及重金属污染物释放量。但是可以通讨不同时间段露天采场外排水的酸性废水水质的检测，估算一定时间内，露天采场重金属污染物的释放量。露天采场地表径流以及采场基岩裂隙水全部集到采场的低洼处，采矿坑内酸性积水一般是通过排泄设备排出矿坑，造成坑外环境的污染，因此露天采场疏干排水是矿山环境的主要污染源之一。对于露天采场污染物释放量的计算是进行环境评价的基础。重金属污染物量，可以通过酸性废水中污染物浓度与单位时间内酸性废水排泄量乘积获得。
1.2.2 重金属释放迁移机理
在酸性废水作用下，重金属的释放迁移机理主要包括两部分，一为化学和物理化学过程;二是对流和弥散等物理过程。两个过程是同时发生且相辅相成的。酸性废水及重金属释放是由于固体废弃物中金属硫化物的氧化引起的。即由于硫化矿物在大气降水的溶蚀下氧化而产生的，这一氧化过程主要是以废石中的硫化矿细菌参与下完成的，生成硫酸、硫酸亚铁和硫酸铁，这些生成物进一步与其它金属硫化物作用，生成硫酸盐溶于水中，形成含重金属离子的酸性废水。对于酸性废水的成因，许多学者作了大量研究，指出酸性废水是全球性问题，它不仅与矿山水文地质条件有关，而且与任何硫化矿物的开采加工过程等都有关。以黄铁矿为例，酸性废水形成的化学机理已基本清楚。黄铁矿主要有三种水相氧化途径，即化学氧化、微生物氧化和电化学氧化。后者被证明仅在 110 摄氏度和 2- 7 个大气压下的湿法冶金条件下才为重要的氧化途径（Bailey，1976），化学氧化和微生物氧化是自然条件下，黄铁矿氧化的重要途径。
从铁的氧化还原循环可以看出，黄铁矿在氧的参与下进行缓慢氧化，导致了硫酸盐、氢离子、亚铁离子和重金属的释放。二价铁离子在充足的溶解氧的作用下，进一步氧化成三价铁离子。溶解氧存在的条件下，三价铁离子也是比较稳定的氧化剂。在黄铁矿氧化过程中，当有三价铁存在时，分子氧的直接作用是次要的，而三价铁的催化作用是主要的。所以二价铁离子氧化成三价铁离子的速率是决定这个系统中黄铁矿的氧化速率。三价铁离子是整个系统循环的重要因素。三价铁离子与水相互作用形成沉淀以及氢离子，这也是酸性水产生的途径。而三价铁离子作为氧化剂又可以参与金属硫化物的氧化，源源不断的产生二价铁离子，这样形成了一个相互影响相互作用的循环体系，使大量的氢离子以及金属离子释放到孔隙水中，导致 pH降低，重金属含量增高。在黄铁矿的氧化过程中，微生物起着十分重要的作用。许多研究表明氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌能加速黄铁矿的氧化。在微生物催化氧化黄铁矿时，认为细菌加速黄铁矿氧化的机制有两种，一是间接作用，即由细菌的排泄物加速微生物与固体表面接触使黄铁矿氧化加速;另一种直接作用，即细菌的细胞和黄铁矿固体之间的紧密接触而发生的生物化学作用。酸性废水的释放另一重要机理为溶解在水中的氧化产物，随着孔隙水的流动进行运移，由于酸性废水的流动引起黄铁矿周围介质特征的改变，加速黄铁矿的进一步氧化。同时氧化产物随水迁移也是导致酸性废水外排的主要原因。
2 金属矿山环境地表水重金属污染评价模式
金属矿山水环境主要污染物为重金属，根据第二章中对金属矿山地质环境模型的描述，矿山开采后地表水环境将受到影响。目前，应用于水环境中重金属污染评价方法主要包括化学、生态以及毒理学方法。但这些方法都具有一定的限制。物理和化学方法虽然是较为常用的方法，但却不能直接反应地表水体对生态系统的影响。而且沉积物作为水环境中重金属主要的储蓄库，可以反应河流受重金属污染的状况，但沉积物的总量测定也不能反应生物有效态的浓度。需要对水体及沉积物中重金属的形态分布进行监测，不同的形态产生不同的环境效应。引入毒性强度（何孟常，1998）指标反应污染物对水生态系统的毒性作用。由此地表水环境中的污染评价比较复杂，在实际工作中，很难用单一的评价方法，来解决这种复杂的环境问题，所以需要将化学方法、毒理学方法与生态学等多学科多种评价方法相结合。由此本文引入了这种综合的评价方法见图1，对金属矿山环境地表水体污染进行较为全面的评价。尤其强调了污染物对矿山环境生态系统的影响。
上述方法是通过对污染物的研究，与生态效应建立某种联系，进而预测水体中重金属污染的生态危害性。重金属污染物从其污染源排入水体后，发生迁移和形态的转化，逐渐累积，进而导致水体生态系统的破坏，这是污染物对地表水体最大的影响，金属矿山的开发对地表水体的影响也主要体现在这一点上。何孟常（1998）系统的研究了河流中重金属污染评价及生态综合模型，这一模型比较全面的考虑了各种影响因素，把重金属污染与生态效应有机的结合起来，这一模型是一个有效的且实用的污染评价模型。此处引用这一模型对金属矿山地表水环境进行环境影响评价。金属矿地表水环境污染影响评价模型主要包括两种介质，一是水体，二是沉积物。根据两种环境介质的不同，分别选择适合其特点的模型进行计算。在水体中需要预测水体中重金属含量以及重金属存在形态，然后确定形态中的生物有效态，再根据毒性强度估算方法进行毒性强度的计算，最后形成评价结果。同理可得到沉积物中评价结果。
2.1 重金属在地表水体中迁移模型
地表水中重金属主要以溶解态、悬浮态和底泥态三种形态迁移，许多反应过程都表现为这三种形态之间的相互转化。河流中以溶解态存在的重金属化合物经过反应可转化为悬浮态，而悬浮态在一定条件下又可沉降进入底泥， 进入底泥的重金属还可再次扬起而变成悬浮态，悬浮态和底泥态又可转化为溶于水的溶解态。这些转化过程一般是可逆的，在一定条件下处于准平衡状态。重金属在水体中的迁移取决于重金属在三相中的运动规律。任取水体中一单元水体，基于质量守恒原理，可以定量描述重金属在水体中的物理及化学反应。从单元水体的质量守恒分析，可以建立重金属在水体中迁移的数学模型。重金属的迁移转化方程是高度非线性的偏微分方程组，从水动力学以及水质迁移转化机理出发，描述了重金属浓度的时空变化。如果要获得与实际河流相一致的结果，必须在给定的初始条件和边界条件下求解，其中还要确定模型各个参数。三维水质模型的求解，在理论上是可行的，但由于河流以及水库的水质监测资料的限制，三维模型在实际中的应用目前还存在较大的困难，而不得不将模型进行简化和假定。依据河流监测断面的水文、水质资料， 将迁移模型转化为一维重金属迁移转化方程。通过参数识别和求解，获得浓度时空分布的模拟结果。具体做法是∶ 依据监测断面等实际情况，将研究的水域划分为一个或多个区段。分别建立每个区段的一维重金属迁移模型，并确定其参数和求其解。最后，组成一个整体进行模拟分析与预测。
2.2 水质评价方法
水污染是由于水体中的污染物质没有得到充分稀释和净化，造成污染物在水体中的积累和富集而形成的。其结果影响了水体功能，构成了对水生生物和人体健康的威胁。水污染程度一般用水污染指数来标度，水污染指数大致可以分为以下三种类型∶一是以相对污染浓度值构造的叠加指数型;二是以绝对污染浓度构造的分级型或评分型;三是以绝对污染强度出现的概率构造的统计型。
2.3 地表水体中的形态模型
基于质量守恒定律、质量作用定律以及电荷守恒定律的水化学平衡模型是控制水化学作用下溶质形态分布的三大定律。形态模型即为溶质的多组分水化学平衡模式，这种模式研究的是在各种复杂的水化学作用下溶质形态分布的情况。通过形态模型的计算可以得到污染物各形态的浓度。比较典型的地球化学平衡模型包括 PHREEQC、MINTEQA2、EO3/6、WATEQ4F 等。通过这些软件进行定量计算，可以考查地表水体及沉积物中重金属形态分布。
2.4 金属矿山地表水环境综合评价等级
根据金属矿山表层河水的水质指数、沉积物风险指数、平均生物多样性指数比值、毒性强度的大小，将重金属对金属矿山地表水体和沉积物的污染以及对生态系统的影响划分为五个等级。
本站文章通过互联网转载或者由本站编辑人员搜集整理发布，如有侵权，请联系本站删除。