降雨事件在加剧磷石膏尾矿池对河流磷浓度和负荷影响方面起着关键作用

《Journal of Environmental Sciences》：Critical role of rainfall events in strengthening impacts of phosphogypsum tailings ponds on by-pass riverine phosphorus concentrations and loads

过磷酸盐石膏尾矿库（PGTPs）周边工程防护区（PA）的降雨事件显著增加过境河水总磷（TP）、溶解态磷（TDP）和活性溶解磷（DRP）浓度及负荷，其中PA区域TP、TDP负荷分别比非富集区（FPA）高10.91%、14.96%，且地下径流和渗漏是主要磷迁移途径。

　　磷石膏尾矿库（Phosphogypsum Tailings Ponds, PGTPs）是磷矿开采过程中产生的大量废弃物，广泛分布于全球，尤其在中国的长江中游地区。这些尾矿库对河流水质的影响，尤其是在降雨事件下，已经成为环境科学研究的重要议题。磷石膏尾矿库不仅会释放大量的磷元素，还可能通过复杂的地质和水文过程影响周围流域的磷循环。因此，理解磷石膏尾矿库对河流磷污染的贡献，尤其是在极端降雨事件下，对于制定有效的污染防治策略具有重要意义。

本研究聚焦于磷石膏尾矿库对河流磷污染的影响，特别是在降雨事件下的动态变化。通过对2021年10月至2022年10月期间，湘江流域14次不同强度的降雨事件进行分析，研究团队发现降雨事件对河流中磷元素浓度和负荷的影响显著。特别是在降雨强度较高的情况下，溶解态磷（如总溶解磷TDP和溶解反应磷DRP）的浓度变化尤为明显，显示出磷石膏尾矿库对河流磷污染的贡献远大于远离尾矿库的区域。这一发现表明，即使在受严格工程保护的磷石膏尾矿库周围，降雨事件仍然是导致磷污染加剧的关键因素。

磷石膏尾矿库在磷矿开采过程中产生的大量废弃物，长期堆积在露天环境中，容易受到雨水侵蚀。雨水的侵蚀作用会冲刷表层土壤，使土壤中吸附的磷随沉积物迁移进入河流。同时，磷石膏尾矿库中的磷含量较高，可达数万毫克每千克，这使得其成为河流磷污染的重要来源。在降雨过程中，磷石膏尾矿库不仅通过表层土壤侵蚀释放磷，还可能通过地下水渗流和地表径流等途径，将溶解态磷输送至河流。这种运输方式与传统的农业或林地流域不同，后者主要以颗粒态磷（PP）为主要输出形式。

研究还发现，降雨事件的时间虽然仅占全年时间的3.26%，但却能够导致46%–62%的年磷负荷输出。这表明，尽管降雨事件发生频率不高，但其对磷污染的影响却非常显著。此外，降雨事件对磷石膏尾矿库周边区域（APA）的磷负荷贡献比远离尾矿库的区域（FPA）高出10.91%、14.96%和1.16%，分别对应总磷（TP）、总溶解磷（TDP）和总磷污染（TPP）。这些数据进一步证明了磷石膏尾矿库在磷污染传输中的重要作用。

研究还强调了气候变化对磷污染的影响。随着全球气候的变化，极端降雨事件的频率和强度正在增加，特别是在季风气候区。这种变化可能会加剧由土壤侵蚀和地表径流引起的磷污染。在磷石膏尾矿库分布的流域中，这种影响尤为突出。由于磷石膏尾矿库中的磷含量较高，且在降雨过程中容易发生溶解和迁移，因此其对河流水质的影响可能比传统农业或林地流域更为严重。此外，磷石膏尾矿库在降雨过程中可能会形成喀斯特地貌，改变磷的传输路径，从而导致不同的磷输出模式。

在湘江流域，磷石膏尾矿库的存在使得磷污染问题长期存在，影响了河流水质的达标情况。尤其是在雨季，磷石膏尾矿库周边的河流磷浓度依然较高，表明即使在采取了严格管理措施的情况下，磷污染问题仍未得到有效控制。因此，研究磷石膏尾矿库在降雨事件下的磷输出动态，不仅有助于理解磷污染的传输机制，也为其他面临类似问题的地区提供了科学依据和管理思路。

研究团队通过对比不同强度降雨事件对河流中不同形态磷浓度的影响，发现降雨强度的增加显著提升了磷浓度的变化幅度。在相同的降雨强度下，APA区域的磷浓度变化主要由TDP和DRP主导，而FPA区域的TPP浓度变化则相对一致。这一现象表明，磷石膏尾矿库在降雨事件下的磷释放过程具有其独特性，可能与尾矿库的物理化学性质、降雨强度以及地表和地下水的流动方式有关。

此外，研究还指出，降雨事件对河流中氟离子（F?）浓度的影响与磷浓度的变化趋势一致，这进一步证明了磷石膏尾矿库对河流水质的多方面影响。氟离子的浓度变化不仅反映了磷污染的存在，也可能与尾矿库中的其他化学物质有关。因此，综合考虑磷和氟等元素的浓度变化，有助于更全面地评估磷石膏尾矿库对河流环境的影响。

为了更深入地理解磷石膏尾矿库对河流磷污染的影响，研究团队采用了主成分分析（CCA）方法，分析了影响磷浓度变化的主要因素。结果表明，CCA1和CCA2的贡献率分别为92.44%和7.49%，其中降雨峰值流量（Qpeak）和降雨强度（Iflood）与第一排序轴具有强正相关，而API-14和水文地理条件（Hydrogeo）则与第一排序轴具有强负相关。这表明，降雨事件的强度和峰值流量是影响磷浓度变化的主要因素，而水文地理条件则可能在某些情况下抑制磷的输出。

研究还发现，不同土地利用类型对磷浓度的影响存在显著差异。在磷石膏尾矿库周边，土壤磷含量显著高于其他区域，这表明土地利用类型对磷污染的贡献具有重要影响。在农业和林地等传统土地利用类型中，磷污染主要通过地表径流和土壤侵蚀释放，而在磷石膏尾矿库周边，由于尾矿库本身的高磷含量和特殊的地质结构，磷污染的释放途径可能更加复杂。

为了更准确地评估磷石膏尾矿库对河流磷污染的影响，研究团队在湘江流域选取了多个监测点，分析了不同降雨事件下的磷浓度和负荷变化。结果表明，降雨事件对磷石膏尾矿库周边区域的磷浓度和负荷影响更为显著，尤其是在降雨强度较高的情况下。这表明，磷石膏尾矿库在降雨事件下的磷释放过程具有其独特的动态特征，可能与尾矿库的物理结构、土壤特性以及降雨模式有关。

此外，研究还发现，磷石膏尾矿库对河流磷污染的影响不仅局限于表层土壤，还可能通过地下水渗流等途径，将磷输送至更远的区域。这种地下途径的磷输送可能在降雨事件后更加显著，因为雨水渗透会激活尾矿库中的磷储存，并将其带入地下水流。这种现象表明，磷石膏尾矿库对河流磷污染的影响具有一定的延展性，可能在不同时间尺度上表现出不同的特征。

为了更全面地理解磷石膏尾矿库对河流磷污染的影响，研究团队还分析了不同土地利用类型对磷浓度和负荷的贡献。结果显示，不同土地利用类型对磷浓度的影响存在显著差异，其中磷石膏尾矿库周边区域的磷浓度变化最为显著。这表明，土地利用类型在磷污染的形成和传输过程中具有重要作用，特别是在降雨事件下，不同土地利用类型可能对磷的输出产生不同的影响。

综上所述，磷石膏尾矿库在磷矿开采过程中产生的大量废弃物，对河流水质具有显著影响。特别是在降雨事件下，磷石膏尾矿库的磷释放过程更加活跃，导致河流磷浓度和负荷的显著增加。这种现象表明，磷石膏尾矿库不仅是磷污染的重要来源，还可能通过复杂的地质和水文过程影响周围流域的磷循环。因此，加强对磷石膏尾矿库的管理，特别是在降雨事件下的磷污染控制，对于改善河流水质具有重要意义。