地形特征对韩国某废弃矿场不同环境介质中金属(类金属)迁移与分布的影响

《Environmental Pollution》:Impact of topographic characteristics on metal(loid)s migration and distribution across environmental media at an abandoned mine in South Korea

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月13日 来源:Environmental Pollution 7.2

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   摘要废弃矿井产生的金属(类金属)污染长期构成环境风险。地形地貌强烈影响着土壤、沉积物和水体中污染物的分布;然而,其对各类介质的差异性影响以及修复拦污坝的作用仍未得到充分表征。本研究旨在分析韩国忠清北道德山矿的地形特征;识别控制不同环境介质中金属(类金属)分布的主导因素;并考察

  

摘要

废弃矿井产生的金属(类金属)污染长期构成环境风险。地形地貌强烈影响着土壤、沉积物和水体中污染物的分布;然而,其对各类介质的差异性影响以及修复拦污坝的作用仍未得到充分表征。本研究旨在分析韩国忠清北道德山矿的地形特征;识别控制不同环境介质中金属(类金属)分布的主导因素;并考察修复拦污坝对这些分布的影响。研究对来自各类环境介质(土壤、沉积物和水)的实地数据进行了统计分析和地理空间分析。地形数据显示,采样点的海拔、坡度和汇流累积量存在差异,为解释污染物迁移途径提供了依据。土壤中金属(类金属)(砷、镉、铅和锌)与海拔呈正相关(ρ = 0.32–0.61),但与汇流累积量呈负相关,这与位于较高海拔的矿渣沉积物污染及随后的下坡迁移一致。沉积物中金属(类金属)与海拔呈弱负相关(ρ = ?0.38至?0.53),与汇流累积量呈正相关,表明下游汇流区可能作为活动态金属(类金属)的汇聚汇。水质受地形控制较弱,金属(类金属)波动主要受降雨事件期间胶体输入的影响。修复拦污坝降低了下游沉积物中的关键金属(类金属)含量,但也成为次生污染源,重新分配了可移动组分。因此,地形和人为排放共同决定了金属(类金属)的分布,而修复结构物既可能减轻污染也可能重新分配污染物,这凸显了采矿影响区域需要综合管理策略。

引言

采矿活动虽然对经济发展至关重要,但会将砷、镉、铅和锌等有毒金属(类金属)释放到周围生态系统中,从而留下持久的环境遗留问题(Chopin and Alloway 2007; Rashed 2010; Atibu et al., 2018)。废弃矿井是持续性的点源,风化与侵蚀过程会将污染物迁移到相邻的土壤、沉积物和水系统中(Dong et al., 2019; Wang et al., 2019; Aziz et al., 2023)。虽然已有大量研究试图表征这些金属(类金属)的空间分布与迁移(Guo et al., 2011; Yan et al., 2015; Ding et al., 2017; Yi et al., 2025),但以往研究主要聚焦于单一自然因素,如风向、距污染源的距离、海拔、坡度和地理尺度(Li et al., 2004; Chu and Zhou 2014; Li et al., 2015)。然而,在陡峭且植被覆盖的复杂山地流域中,地形地貌如何调控金属(类金属)径流途径和污染物沉积的机制仍缺乏充分理解(Zhang et al., 2025a)。具体而言,微观地形如何与人为结构物共同控制金属(类金属)的迁移以及可移动组分的分布尚不明确。尽管地形特征对废弃矿区中金属(类金属)的输送与累积有着深远影响(Ding et al., 2017; Kincey et al., 2018; Cao and Guo 2024),但这一知识缺口依然存在。
地表径流输送是土壤、营养物质和污染物活化与再分布的主要驱动力,导致采矿影响区域出现广泛的生态退化(Aziz et al., 2023; Wei et al., 2023; Zhang et al., 2025b)。因此,水流过程的模拟与分析已成为理解复杂流域内金属(类金属)迁移途径的关键焦点。从数字高程模型(DEM)中自动提取流向是这些模拟中最关键的步骤,因为它定义了径流途径和径流分布,直接决定了污染物在景观中的输送路线和转移量(Xiong et al., 2019; Wei et al., 2023)。流域内水流模拟的准确性在很大程度上取决于流向算法,而这些算法具有固有的不确定性。单一流向(SFD)算法常常低估平缓斜坡上的扩散情况,而多流向(MFD)和无限流向(IFD)方法在陡峭地形中的敏感性表现不一(Tarboton, 1997)。为缓解这些模型特有的不确定性,一种基于多算法叠加的共识框架为识别高汇流区提供了更稳健的方法,能够更可靠地反映流域的综合水文信号。
除了这些自然地形控制因素外,修复拦污坝等人为干预进一步复杂化了采矿影响流域的水文动态。虽然这些结构的目的是封存沉积物和污染物,但它们往往作为水文屏障,显著改变自然径流途径并产生次生累积热点(Torres et al., 2014; García-Ordiales et al., 2015; Zhu et al., 2019; Huang et al., 2025)。尽管这些工程结构在矿山修复中被广泛使用,但它们如何与微观地形因素相互作用以影响各类环境介质中金属(类金属)再分配的研究仍不充分。因此,一种结合高分辨率(1米)基于DEM的径流建模与结构影响分析的综合方法,对于阐明地形和拦污坝对污染物地球化学归趋的协同效应至关重要。因此,本研究旨在:1) 利用高分辨率(1米)地理空间分析定量表征德山(DS)矿区流域的地形变化;2) 识别控制多种环境介质(土壤、沉积物和水)中金属(类金属)分布与赋存状态的主导因素;3) 评估修复拦污坝对污染物空间再分布和封存的冲击。通过将多元统计与地理空间和地球化学分析相结合,本研究为废弃矿井影响区域中金属(类金属)的行为和分布提供了更精细的见解。

章节摘录

研究区域与污染影响范围划定

德山矿位于韩国忠清北道堤川市苏山面(图1a)。该场地有两条主要平洞,沿山地地形向下延伸。利用单一流向(SFD)分析划定的流域边界,用于绘制研究区域内的土地利用面积(图1b)。该前铅锌矿从1964年至1970年从事锌矿开采,1981年采矿权到期后正式废弃。区域地质属于朝鲜群

地形特征与采样点的空间变异性

基于GIS的地形分析揭示了沿两条主要流线(FLs,由汇流累积量计算得出)的曲率、海拔和坡度的空间变化(图2)。流向算法(SFD、MFD和IFD)在FL2中第41和46号栅格之间存在明显差异,特别是在凸形地形中,局部曲率影响了模拟流线。单一流向(SFD)算法产生了狭窄受限的线性流道,而多流向(MFD)算法则生成了

结论

本研究进行了地形分析并评估了修复拦污榜的影响,以全面揭示德山废弃矿区中金属(类金属)的迁移与分布。局部地形,特别是凹形特征,控制了土壤中金属的累积(镉、铅、锌),而沉积物则充当下游汇。水质受地形控制较弱,金属波动主要由降雨事件期间的胶体输入驱动。虽然

CRediT作者贡献声明

Nayoung Do:调查研究、形式分析。Young-Woo Chun:论文撰写—原稿、方法论、调查研究、形式分析、数据管理。Rog-Young Kim:方法论、形式分析。Yoon Joo Byun:调查研究、形式分析。Jieyoung Kim:论文撰写—原稿、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念构思。Mingi Ko:论文撰写—原稿、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念构思。Ji-In Kim:论文撰写—审阅

未引用参考文献

Fox and Bryan, 2000; García-Ordiales et al., 2016; Khalil et al., 2013; 韩国环境部, 2022a; 韩国环境部, 2022b; O'Callaghan and Mark, 1984; Qiao et al., 2023; Quinn et al., 1991; Tang et al., 2018; Yin et al., 2025; Zhang et al., 2017.

资金来源

本工作得到韩国大韩民国气候、能源与环境保护部(MCEE)资助的国家环境研究所(NIER)资助项目(NIER-2024-01-01-060)的支持。

利益冲突声明

? 作者声明,不存在已知可能影响本论文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家环境研究所(NIER)资助项目的支持,由大韩民国气候、能源与环境保护部(MCEE)资助(NIER-2024-01-01-060)。
Mingi Ko|Jieyoung Kim|Young-Woo Chun|Nayoung Do|Yoon Joo Byun|Rog-Young Kim|Moonsu Kim|Ji-In Kim
韩国大韩民国国家环境研究所 土壤与地下水研究部,仁川 22689
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