在日本一座废弃的山区矿山中，位于前河道内的废石堆的流入源和路径的识别：一项建成60年后的案例研究

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Identification of inflow sources and pathways to a waste rock dump located in a former river channel in a mountainous abandoned mine of Japan: A case study 60 years post-construction

废石堆（WD）周边河流及地下水的水质、稳定水同位素和示踪剂分析表明，MIW主要来自山区地下水及河流水，尤其在降水和融雪期间流量显著增加，且WD的防水结构存在退化，需加强修复和长期监测。

　　本研究围绕日本北海道一个废弃矿山中的废石堆（Waste Rock Dump, WD）展开，探讨了其对矿井水（Mining-Influenced Water, MIW）生成的影响。该WD位于一座曾用于铜、铅和锌地下开采的矿区内，自1967年因资源枯竭和矿石品位下降而停止运营后，于1978年正式关闭。WD的建设过程中，矿石废料被用于填埋原MR河谷，并在河床及周边坡地铺设了不透水层以防止MR和KR河水渗入。然而，随着60年的沉积，WD表面缺乏不透水覆盖层，植被稀疏，导致雨水和融雪水容易渗透至WD内部，从而生成酸性矿井排水（Mine Drainage, MD）。MD具有较低的pH值和较高的重金属浓度，如Zn、Pb和Cd，其pH值为4.0，浓度分别为3934?μg/L、810?μg/L和33?μg/L，远超日本水处理排放标准。因此，MD通过管道输送至人工湿地进行处理，以降低其酸度并确保水质达标。研究通过水质分析、稳定同位素（δ1?O和δ2H）研究及示踪测试等方法，揭示了MD的来源及流动路径，并据此提出了控制MIW的措施。

研究区域的地质条件显示，该地区基岩主要由前白垩纪地层构成，包括板岩、石英岩、辉长岩和石灰岩。上覆地层为中新世形成的绿片岩（安山岩）、绿凝灰岩和绿凝灰岩角砾岩。WD位于Tm?地层和Hk组的辉长岩层中，其基底为安山质岩层，表明该区域的沉积层主要由河流沉积物构成。WD内部的监测井（B1–B3）显示，地下水位稳定，且MD具有持续的流量。监测井的钻探记录显示，WD内部的矿石废料主要由硫化物矿物组成，如闪锌矿、方铅矿和黄铁矿，而表层土壤中硫化物矿物含量较低，以石英、长石和绿泥石为主。这表明WD内部的水主要来源于矿石废料与水的相互作用，而非表层土壤。

研究采用了多种水文方法，包括水质分析、同位素分析和示踪测试。水样采集自S1–S22等监测点，并在B1–B3、MD、KR和MR进行定期采样。通过离子色谱法测定溶解离子的浓度，如F?、Na?、K?、Ca2?、Mg2?、Cl?、SO?2?和NO??。同时，利用Durov图对水质特征进行分类，该图通过主要阳离子和阴离子的组成来可视化水体的性质。研究还分析了稳定同位素（δ1?O和δ2H）的比值，以识别不同水源的混合情况。此外，使用数据记录器监测了WD周边的水文参数，包括pH、电导率（EC）、水位、水温及降雨量，从而评估WD水位变化与降雨事件的关系。

通过示踪测试，研究进一步验证了KR和MR河水是否渗透至WD。在MR和KR中分别注入NaCl，并在下游点记录电导率的变化。结果表明，MR河水在WD中的渗透可能通过MR排水渠道底部的裂缝发生，而KR河水则主要通过混凝土排水渠道直接流向下游，未渗入WD。因此，MR的示踪信号在B3监测点被检测到，而KR的示踪信号未出现在WD内部。这表明MR河水可能通过裂缝进入WD，而KR河水则未渗透至WD，可能由于其排水渠道的结构限制。

水质分析显示，MD的pH值低于周围地表水，且电导率显著高于地表水，表明其主要来源于WD内部的矿石废料与水的反应。B2和B3监测点的pH值最低，电导率最高，表明其受到硫化物矿物溶解的影响最大。MD的pH值和电导率介于B2和B3之间，暗示其为两者的混合产物。此外，B2和B3的硫酸盐（SO?2?）浓度较高，而硝酸盐（NO??）浓度在KR、B2和MD中升高，可能由于降雨事件导致KR上游的土壤硝酸盐溶解进入WD。这些结果表明，WD的水来源不仅包括降水，还可能包含来自周边山区的地下水。

通过分析降雨事件期间的水文响应，研究发现B2和MD对降雨的反应最为明显，且在降雨后水位和电导率的变化趋势相似。这表明B2可能是MD的主要来源之一。同时，B3的反应滞后于B2，可能由于其地下水流速较慢或存在局部滞留现象。这些发现支持了MD主要由B2和B3的混合形成，并且降雨和融雪是导致MD流量增加的主要因素。

研究还通过水文平衡分析，评估了KR、MR和MD的水源。结果表明，MD的总排放量约为23,000?m3，而其补给量仅占总排放量的4%，说明MD主要来源于周边山区的地下水或地表水，而非WD表面的直接渗透。KR和MR的补给量分别为72,000?m3和314,000?m3，占其总排放量的50%和33%。这表明KR和MR的水主要来源于周边的地下水，而MD则可能受到更多外部水源的影响。研究还指出，WD的不透水结构可能已部分失效，导致外部水源渗透至内部，增加了MIW的生成。

本研究的成果对于废弃矿山的管理具有重要意义。首先，研究强调了对WD进行长期监测和维护的必要性，以防止外部水源渗透导致MIW生成。其次，研究指出，由于WD位于山地流域，其管理应考虑到区域气候和地形特征，避免将废弃物储存在可能成为污染源的区域。此外，研究还表明，结合水质分析、同位素研究和示踪测试等基础水文方法，能够有效识别MIW的来源和流动路径，为矿山环境管理提供科学依据。

综上所述，本研究揭示了WD在废弃矿山中对MIW生成的关键作用，并提出了通过修复不透水结构、实施长期监测和采用综合水文方法来减少环境污染的策略。这些发现不仅有助于改善当前矿山的环境管理实践，也为未来类似的矿山环境治理提供了参考。同时，研究还强调了在山地地区进行矿山废弃物管理时，需充分考虑地形和气候条件，以确保环境的可持续发展。