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1、中国地质调查局项目设计书潼关金矿区土壤重金属污染修复潼关金矿区土壤重金属污染修复 试验研究试验研究总体设计总体设计中国地质调查局西安地质调查中心长安大学地质调查研究院2013 年 4 月 25 日潼关金矿区土壤重金属污染修复 试验研究总体设计任务书编号 ： 水201303-008-002项目编码：1212011140024实施/承担单位： 长安大学地质调查研究院项目负责人： 易 秀编 写 人 ： 易 秀 姜 凌 赖坤容 谢 娟 徐 斌单位负责人： 裴先治单位技术负责人： 裴先治提交单位： （盖章）提交时间： 2013 年 4 月 25 日第一章第一章 前言前言1.1 项目概况项目来源：青藏高原
2、矿产资源开发地质环境影响调查与评价；任务下达单位：中国地质调查局（1212011140024） ；项目名称：西北地区典型矿山地质环境治理关键技术协作单位：长安大学；任务分工：污染农田土壤重金属修复、尾矿渣场复垦还田农作物种植安全性试验研究。1.2 目的任务矿产资源开采是迄今最大规模改变地球表面景观和破坏地表生态系统的有组织的人类活动。中国现有国营矿山企业8000多个，个体矿山企业达到23万多个。如此大规模的矿山开采对土地和环境的破坏是惊人的。据2007年统计，全国矿区累计被破坏的土地达2. 88106km2，并且每年以大约467 km2的速度增长，使本已稀缺的土地资源呈加速减少的趋势。矿山资源
3、的开采，导致矿区生态退化与环境污染，尤其在金属矿的开采中造成了矿山企业周边地区土壤的严重污染。随着国内外工农业经济的迅猛发展，对矿产资源的需求量呈快速上升趋势,但与之对应的生产工艺落后，对尾矿以及金属冶炼过程产生的废弃物处置不当，造成矿区周边地区大气、水及土壤环境污染的现象普遍发生，部分地区大面积土壤退化、粮食减产、品质下降，土壤生态系统原有的生态平衡也遭到不同程度的破坏。我国人多地少，耕地资源十分贫乏，充分利用矿区复垦地便显得十分重要。土壤是世界万物之源，人类生存之本。土壤环境遭到破坏或是受到污染无疑会给土壤的生态功能带来影响，甚至可能使土壤系统崩溃、功能丧失。土壤环境是植物生长的基地，通过
4、植物的吸收、积累作用可降解土壤中的污染物质，但同时也可能将污染物转移到植物体内，然后可能通过食物链的形式进入人体，从而危及人体健康。在矿山废弃地生态修复中，土壤的改良是首先需要解决的问题，也是核心问题。我国在上世纪80年代初开始至90年代煤矿造地复田综合治理研究，提出了矸石充填复垦、粉煤灰充填复垦和挖深垫浅3种复垦技术。利用废弃物料充填复垦形成农田往往需要较高的投入，甚至由于二次污染等问题而不可行。由于煤矿废弃物中含有多种重金属元素，矸石、粉煤灰充填复垦有可能引起土壤污染；而且这些重金属污染对土壤基本是一个不可逆的过程，重金属进入土壤后很难通过自然过程得以从土壤环境中消失或稀释，对生物体的危害
5、和对土壤生态系统结构与功能影响不容易恢复。中国矿区受损土地的恢复相当缓慢，相比较而言，对于土壤污染修复的方方面面，研究工作还处于初步发展阶段，以前人们更多关注的是显性的水、大气的污染，但其比例在逐年提高。在上世纪80年代初得到恢复的矿区废弃地只有0.7%1.0 %，到了80年代末提高到了2%，90年代初增至6.7%，1994年已达到13.3%。1994年得到修复利用的矿区土地面积是1992年和1993年的总和，占全国在1987至1995年期间共修复土地的3.7%。20年之后，采矿占用、破坏土地743万hm2，每年递增4万hm2，但矿山土地复垦率仍不足10%；我国大型金属矿山进入集中闭坑期：26
6、%铜矿、40%铅锌矿已经闭坑或接近闭坑，如果不进行复垦或修复，会导致严重的环境污染问题。 近年来国家和政府也日益高度关注土壤污染的治理工作，但有关矿区污染土壤的修复与生态恢复工作仍存在一些具有挑战性的问题，包括技术方法、资金配套等。如果由各种原因所造成的土地破坏总量的一半能被恢复并用于农业生产，那么中国每年的粮食产量会提高几百亿kg。可见，矿区复垦区土壤质量的改良、土地的生产力的恢复和土壤生态系统健康对中国农业生产、环境保护、生态建设以及区域社会经济可持续发展均具有重要的现实意义。本研究区位于小秦岭金矿区带西段北坡的灵宝市和潼关县接壤的中低山地区以北的山前冲洪积斜塬区、黄土沟壑台塬区，面积约3
7、00 km2。金矿选冶活动，尤其是混汞-浮选法及小汞碾、小氰化、小浮选等“三小”提金活动，废水、废渣及冶炼废气的无序排放造成了严重的土壤重金属污染及环境效应，造成大量农田弃耕。周边农田土壤质量恶化，生产的农产品产量和品质下降，粮食安全受到威胁，制约了当地的农业经济发展水平，成为建立和谐社会的瓶颈。针对上述现状，通过开展野外调查和大量田间试验，提出一套适合于该矿区废弃尾矿渣场复垦还田熟化及重金属严重污染农田质量恢复的综合技术体系方案，从而使矿区污染土壤的质量得到根本性地改善，并以期获得良好的经济效益、生态效益和社会效益。本项目通过对现有金矿开采区及加工区的各环境要素分析与评价，利用国内外学者普遍
8、认可且经济有效的农业栽培土壤熟化、营养化技术及废弃地工程处理技术，将现有矿区压占废弃地和污染的农田改造为适合于农业耕种的优质良田，对其耕地质量变化趋势和农作物种植安全性进行长期监测，以期为类似矿区重金属污染土壤防治提供示范和借鉴。1.3 研究区范围研究区位于关中平原东端的潼关县，覆盖了陕西省潼关县全部地区及河南省灵宝市与潼关接壤的西部地段，经纬度范围为：经度 11008001102900；北纬 342300343800，面积约 445km2。潼关县北临黄河，与山西省隔河而望；东北接大荔，以渭水为界；南依秦岭，与洛南相邻；西接华阴市；东与河南省灵宝市接壤。区内交通便利，陇海铁路横贯东西，同蒲线北
9、连山西。与陇海铁路线平行的西安-潼关高速公路由此进入河南。黄河大桥为秦晋连接通道。乡镇之间有县级公路、简易公路相连。本项目研究主要区域位于潼关县境内（图 1-1） 。图 1-1 研究区概图第二章第二章 研究现状研究现状2.1 国内外研究概况及进展矿山生态恢复研究可以追述到20世纪上半叶，其主要内容是研究如何对一采矿业和开采地下水造成的各种塌陷环境进行生态恢复。随着欧洲工业革命的进一步推进，使得人类对资源的要求和开发的规模急剧增长，在轻率地进行开发和获得直接效益中，基本没有考虑对土地的破坏，致使土地污染破坏程度由个别发展现象转变为普遍现象。这一现象最早在欧洲出现，尽管部分有识之士对此提出异议，但
10、并未引起重视。直至1966年，英国南威尔士阿贝芬发生了一场灾难才引起了人们的极大关注，它使人们更清晰地认识到对矿业废弃地进行生态恢复的重要性。一些发达国家，特别是矿区较多的澳大利亚、德国、美国等国家较早开展了矿区土地修复的相关研究。经过20多年的发展，矿区土地修复研究逐渐成为世界各采矿大国的热点研究课题。Anthony对未被严重破坏和污染的矿区土壤进行了自然恢复的研究，结果表明在不进行人工影响的情况下，矿区被破坏的土壤可以进行自我恢复。但是，由于大部分矿区污染较严重，仅仅靠土壤自然恢复时间太长，效果也不很明显。为了促进废弃土地快速演化和土壤培育，消除污染，改善土壤环境质量，目前在国外矿区土壤修
11、复方面研究较多的是土壤重构。土壤重构研究主要集中生物种类与活性、土壤理化性质与矿物学特性、土壤重构研究新技术的使用等三个方面。世界各国根据自身情况和技术水平，其生态恢复侧重点各不相同，表现为：欧洲由于工业资源的过度开发而侧重于矿山废弃地的恢复；北美洲则侧重于水体和林地恢复；新西兰和澳洲则由于其畜牧业而侧重于草原管理与恢复；中国则由于人口众多而强调农业综合利用和农业复垦（任海等，2001；赵晓英等，1998)。我国学者在矿区废弃的生态修复工作方面进行了大量工作，主要研究方向包括以下方面。（1）矿山废弃地复垦我国金属矿山废弃地大规模有组织的复垦工作起步较晚，而目前近2 /3的矿产资源处于中后期开采
12、阶段或接近枯竭，在未来的几十年将有不少矿山关闭，大量的废弃地需要复垦。何书金和苏光全筛选出了影响矿山废弃地复垦潜力的自然和社会经济条件方面的4类14个亚类因子，并划分为6个等级，为全国矿山废弃地复垦潜力的评价及矿山废弃地的有效合理利用提供了参考。中澳矿山废弃物研究管理项目是原中国有色金属工业总公司和澳大利亚在环境保护复垦领域的首次技术合作项目。1993-1997年该项目按综合性系统工程开展尾矿库复垦研究，研究内容包括库区复垦设计、无土建立植被、坝体稳定性研究、复垦区社区发展、复垦政策与指南等专项。我国一些已取得较好成果的金属矿山废弃地复垦的案例见表2-1。表2-1 我国部分金属矿山废弃地复垦实
13、例矿山或治理者复垦任务及效果中国铝业贵州分公司第一铝矿1998-2005 年以来，开展了大规模自行复垦活动，植树5.9 万株, 排土场复垦面积29.11万m2，采空区复垦6.0万m2，矿区荒山、坡地复垦绿化8.25万m2。废弃排土场、采空区植被覆盖率达80. 7%。孝义铝土矿， 平果采场、排土场复垦18万m2， 复垦率74%。将工程复垦与生物复垦有机结合，建立了剥铝业公司铝土矿采、排土与复垦联合新工艺，获得有色金属协会科技进步二等奖。铜陵有色集团公司五公里尾矿库复垦，建立了13 hm2无土植被，提出了“兼绿地与建筑用地为一体”复垦模式。中条山有色金属集团公司毛家湾尾矿库复垦为农业用地，研究了尾
14、沙覆盖方法、尾沙改良熟化措施： 用少量黄土与尾砂混合覆盖，改良了尾沙结构, 是一种经济有效的复垦方法。广东乐山铅锌矿在尾矿废弃地上铺盖厚约20 cm垃圾及20kg /m2石灰, 提高了尾矿pH 值，降低了电导率，有效防止了下层尾矿的酸化， 植物生长良好。铜陵狮子山矿，铜陵有色集团公司水木冲尾矿库无土植被边坡稳定技术研究，成功应用在共6期后期坝的护坡上。在控制坝坡水土流失、边坡汛期险情上取得良好效果。 （2）废弃地重金属污染的植物修复植物修复技术是近些年来发展起来的土壤修复技术。植物修复技术可分为植物提取、植物挥发、根际过滤和植物固定4种类型。一般将前三者统称为去除过程，而将后者称为稳定过程。与
15、覆盖土壤、物理和化学处理方法相比，植物修复技术具有成本低、原位修复、不造成二次污染等多种优势，因而成为国际范围的研究热点。我国近来在这方面的研究也取得了一定成果，针对不同的重金属，筛选出了对应的高富集植物。如对于Pb，超富集或富集植物有羽叶鬼针、土荆芥、印度芥菜、双穗雀稗、雀稗、芥菜、银合欢等；对于Cd，有龙葵、小白菜、结球甘蓝、印度芥菜等；对于As，有蜈蚣草、大叶井口边草等；对于Cu，有鸭跖草、印度芥菜、密毛蕨等；对于Zn，有东南景天、大叶相思、印度芥菜等；对于Hg有加拿大白杨幼苗等。（3）再造耕作土，改善矿山废弃地土壤肥力，加速土壤熟化由于废弃尾矿渣场表面缺乏耕作土，因此复垦还田的第一步就
16、要再造耕作层。对于新建的耕作层有机质、氮、磷等营养物质缺乏，是植物生长的限制因子之一，很多学者用化肥、有机废弃物和固氮植物（如豆科植物）改良土壤的营养状况来解决这类问题。一是种植豆科牧草。主要是用来增加土壤养分，加速土壤熟化。首先种植豆科灌木或牧草（ 有固氮作用），然后将植物（ 有机物）通过多种方法归还土壤，如绿肥压青、秸秆还田。通过如此循环来提高土壤有机质含量，加速土壤熟化和土壤改良速度。二是加入食用菌废料。食用菌废料中含有许多植物需要的营养物质，其中残留的菌丝体在其生长发育过程中能分泌出一些酶，可以促进生化反应，因而能从复杂的有机物中释放出更多的易被植物吸收的营养物质，并能起到活化土壤的作用，能为多种土壤微生物提供生长基质，所以是很好的土壤改良剂。另外有机肥对多种污染物在土壤中的固定有明显的作用。如红壤种上绿肥紫云英后，镉在土壤溶液中的含量明显减少。适量施用有机肥可以防止作物的汞污染，降低汞的迁移能力。但有机肥对各种污染物的作用在不同的土壤中表现不一，因而在施加有机肥时应根据不同的土壤谨慎对待。
