矿山排水废水循环对金矿尾矿围护区砷负荷的影响

《Water Resources Research》：Influence of Mine Dewatering-Effluent Cycling on Arsenic Loading in a Gold Mine Tailings Containment Area

加拿大Giant Mine尾矿库（NW-TCA）储存了含砷尾矿，研究通过水文平衡、同位素分析和数值模拟发现，年均约38.4万立方米水从尾矿库渗入地下水系统，其中60%的砷污染水来自尾矿库表面水渗透，关闭储水区可使渗漏量减少一个数量级。尾矿库深层地下水砷浓度显著高于表层，且与尾矿库渗流水同位素特征一致，证实地下水主要受尾矿库渗流影响。研究为尾矿库闭库后地下水砷污染控制提供了依据。

　　这项研究围绕加拿大西北地区黄金矿（Giant Mine）的西北尾矿蓄水区（NW-TCA）展开，重点分析了该区域在矿山运营结束后，如何通过水文过程将含砷的尾矿废水排放到地下含水层中的影响。研究背景显示，Giant Mine自1948年至1999年持续开采黄金，累计产生了1600万吨含砷的尾矿（尾矿含砷量高达2800毫克/千克）。在矿山关闭后，为处理这些高砷含量的尾矿废水，建立了专门的水处理系统，并将废水暂时储存在NW-TCA中。研究目的是理解该区域的水文系统和地下水流动情况，以及如何影响地下含水层的砷污染水平。

### 水文与地质背景

Giant Mine位于加拿大西北地区的Yellowknife，靠近Great Slave Lake。该矿区主要为地下矿，仅有少量露天开采活动。在矿山运营期间，尾矿被堆积在四个尾矿蓄水区，其中NW-TCA面积达44公顷，储存了1988至1999年间产生的650万吨尾矿。尾矿中包括浮选尾矿（84.8%）、焙烧残渣（14.4%）和砷三氧化物（ATRW）等成分。这些尾矿具有复杂的地质结构，尤其是位于NW-TCA下方的断裂岩层，成为地下水流动的重要通道。

NW-TCA被用作尾矿废水处理系统的一部分，其中储存的废水每年平均为384,000立方米。废水来自地下矿山排水系统，其中包含高浓度的砷、锑、锌等金属污染物。这些污染物的迁移和分布受到尾矿含水层结构、地下水流动路径以及季节性降水和蒸发的影响。研究还指出，NW-TCA下方的断裂岩层导致地下水向南端持续向下流动，从而增加了尾矿废水对地下含水层的污染风险。

### 水文平衡与地下水流动分析

研究采用多源数据，包括水位监测、水化学分析以及稳定同位素测定，来分析NW-TCA的水文系统。通过计算水文平衡，研究发现该区域的地下水流动主要受到尾矿蓄水区的水位变化驱动。在2017年至2022年的研究期间，每年有约384,000立方米的水从NW-TCA进入地下水系统。这表明尾矿蓄水区在水文系统中扮演了重要角色，不仅储存了处理后的废水，还成为地下水污染的主要来源。

此外，研究还发现，尾矿蓄水区的水位变化对地下水流动具有显著影响。例如，当蓄水区水位上升时，地下水流动量也随之增加，而当水位下降时，地下水流动减少。这种动态变化进一步说明，尾矿蓄水区的水文条件直接影响地下含水层中污染物的迁移路径和浓度变化。特别是在靠近NW-TCA南端的区域，地下水流动速率较高，导致尾矿废水中的高浓度砷和锑更容易进入地下水系统。

### 尾矿物理特性与渗透性

研究还分析了尾矿的物理特性，包括颗粒大小分布、孔隙度和饱和度等。结果显示，NW-TCA中存在两种主要的尾矿层：浅层和深层。浅层尾矿由细粒和粗粒交替组成，其颗粒大小分布不均，且渗透性较低。深层尾矿则主要由细粒组成，孔隙度较高，渗透性相对更强。这些物理特性对水的流动和污染物的迁移具有重要影响，例如细粒尾矿更容易吸附砷和锑，从而降低其在地下水中的迁移速率。

在尾矿蓄水区的渗透性研究中，采用了HYDRUS 1D模型进行模拟。模型结果显示，尾矿蓄水区的非饱和带对降雨的响应较为迅速，但在干旱年份，降雨对地下水的补给作用有限。相反，在湿润年份，如2020年，降雨量较大，地下水补给量也随之增加。此外，模型还表明，尾矿蓄水区的渗透性受到季节性因素的影响，例如夏季蒸发较强，而冬季降水较多，这些都会影响水的流动和污染物的迁移。

### 稳定同位素与水化学分析

稳定同位素分析（如δ2H和δ1?O）是研究水文系统的重要工具。通过这些同位素的测量，研究发现NW-TCA的地下水和尾矿废水具有相似的同位素特征，表明尾矿废水是地下水污染的主要来源。具体而言，尾矿蓄水区的水同位素特征与当地降水的同位素特征存在显著差异，说明其来源主要来自尾矿蓄水区的水循环。进一步的同位素质量平衡分析表明，约60%的尾矿废水来源于尾矿蓄水区的渗漏，而其余40%则来自区域地下水的补给。

此外，水化学分析显示，尾矿蓄水区的水体中砷、锑、锌等金属的浓度显著高于周围环境。这表明尾矿中的这些金属具有较高的溶解性和迁移能力，特别是在氧化条件下。例如，砷在中性至碱性环境中容易吸附在铁氧化物上，从而减少其在地下水中的流动性。而在酸性条件下，砷可能以溶解态形式存在于水中，增加其向地下水迁移的风险。这些结果进一步支持了尾矿蓄水区对地下水污染的主导作用。

### 水文模拟与未来管理措施

为了更全面地理解NW-TCA的水文过程，研究团队进行了水文模拟，特别是对非饱和带和饱和带的流动模式进行了分析。模拟结果表明，尾矿蓄水区的水体在非饱和带的渗透性较低，而在饱和带的渗透性较高。这意味着，尾矿废水的渗漏主要发生在蓄水区的底部，通过断裂岩层进入地下水系统。这种渗漏模式在研究期间得到了验证，例如在2017年至2022年间，地下水从NW-TCA流出的总量约为384,000立方米/年。

研究还预测了未来关闭尾矿蓄水区对地下水流动的影响。如果不再使用NW-TCA作为尾矿废水的临时储存设施，尾矿蓄水区的渗漏量将减少一个到两个数量级，从而显著降低地下水污染的风险。这一预测为矿区的环境管理提供了重要的参考，特别是在如何减少尾矿废水对地下水系统的影响方面。

### 研究意义与环境影响

Giant Mine的尾矿废水问题不仅影响了矿区自身的环境质量，还对周边地下水系统构成了潜在威胁。研究结果表明，尾矿蓄水区的水文过程是地下水污染的主要驱动因素，而尾矿中的高浓度砷和锑则进一步加剧了这一问题。因此，理解尾矿蓄水区的水文和化学特性对于制定有效的污染控制和环境修复措施至关重要。

此外，研究还强调了尾矿管理措施的重要性。例如，通过安装防渗膜和覆盖层，可以显著减少尾矿蓄水区的渗漏，从而降低地下水污染的风险。这种措施在实际应用中具有可行性，但也需要考虑其成本和长期效果。研究结果表明，如果能够有效减少尾矿蓄水区的渗漏，那么地下水中的砷和锑污染水平将得到显著改善，这对保护地下水和周边生态环境具有重要意义。

### 结论与展望

综上所述，这项研究揭示了尾矿蓄水区在矿山关闭后对地下水污染的持续影响。通过水文平衡、稳定同位素分析以及水化学测定，研究团队成功识别了尾矿废水的来源及其在地下水系统中的迁移路径。研究还预测了未来关闭尾矿蓄水区对地下水污染的缓解作用，为矿区的环境管理提供了科学依据。

未来的研究可以进一步关注尾矿蓄水区的长期监测和管理措施的效果评估。此外，还可以探索其他可能的污染控制技术，例如生物修复和化学稳定剂的应用，以减少尾矿废水对地下水的污染。这些研究将有助于更全面地理解尾矿对环境的影响，并为全球范围内的矿山环境管理提供借鉴。