露天尾矿地表风蚀起尘机理及污染物风蚀扩散特征分析

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金属矿山开采后的尾矿露天堆积对生态环境及人体健康的威胁是近些年研究的热点问题,尤其是在干旱多风地区,频发的大风及沙尘暴会导致尾矿堆积区域中的污染物通过风蚀作用向周边扩散,容易通过风蚀扩散进入水体、土壤及食物链,影响生态安全及人体健康。本研究选择宁夏磊鑫铜银矿区作为研究区,结合野外取样监测、实验室测试分析和风洞模拟实验,分析露天尾矿风蚀起尘机理、土壤及污染物风蚀扩散特征及其影响因素、露天尾矿风蚀污染物生态及人体健康风险评价,以期为露天矿业废弃地污染评价及风险评估提供科学依据,为矿业废弃地污染物扩散阻断及定向防控提供科学依据。研究得出主要结论如下:(1)通过室内风洞实验模拟不同风速、不同坡度对集沙量的影响,结果表明:①在<0.5 mm、0.5 mm-1.5 mm、>1.5 mm三种粒级下,不同风速下的集沙量表现为22m/s风速>15m/s风速>8 m/s风速。②在小于0.5 mm粒级的集沙中,坡度为0°时的收集量与坡度为20°和33°时的收集量存在显著性差异(P<0.05),而0.5 mm-1.5 mm和大于1.5 mm粒级的集沙仪收集量在0°、20°和33°坡度下无显著性差异,大于1.5 mm粒级的收集量表现为坡度为0°时的收集量高于33°时的收集量高于20°时的收集量。(2)对集沙量时空分布特征及其影响进行分析,结果表明:①原始状态下集沙量的空间分布范围为1.547g-151.37g,研究区域集沙量在空间分布结构上特征明显,表现出以尾矿堆积区为中心扩散式递减的现象;②集沙量在不同治理时期表现为随着坡面的平整及矿砂固化等治理的进行而减少。③有植被覆盖样点的集沙量显著高于无植被覆盖样点的集沙量(P<0.05)。集沙量在不同坡位的分布存在显著差异。另外,随着距离的增加,集沙量在逐渐减少。(3)对集沙物质重金属含量时空分布特征及其影响因素进行分析,结果表明:①集沙重金属含量在原始状态下的空间分布中,Ag、As、Cu元素分布规律基本一致,沟道上重金属含量较高,在西北和东南区域含量较低。Cd、Pb元素分布规律具有相似性,在东南区域含量较高。Cr、Ni元素呈斑块状分布,以尾矿堆积区域为中心向四周扩散,点状富集效应明显。矿砂固化后8种重金属元素含量相较于原始状态均呈现出不同程度降低。从分布情况看,Ag、As、Cd、Pb元素点状富集效应明显。Cr、Cu、Ni元素在西北、东南区域含量较高,Hg元素在西南区域含量较高。②集沙中8种元素重金属含量均表现为有植被覆盖样点的含量高于无植被覆盖样点的含量。除Cu元素含量外,其余7种重金属元素在不同坡位含量表现为坡上>坡中>坡底,坡底重金属含量最低。随着离尾矿堆积中心距离的增大,各样点不同元素的重金属含量随之减少。平均气温、平均10分钟风速及极大风速对研究区重金属元素含量影响较为明显,平均相对湿度仅对Pb元素含量产生较大影响。(4)运用SPSS和EPA PMF5.0对集沙物质8种重金属元素含量进行相关性分析及源解析,结果表明:①各重金属间存在相关性,其中Cd与As,Cd与Cu,Cd与Ni,Cd与Cr,Cd与Pb,Cd与Ag几种金属均存在极显著的相关性。Pb除与Cd存在极显著关系外,与其他元素的相关性较低,表明其来源与其它重金属元素不同。②根据指纹图谱,通过计算得到各个污染因子的贡献率。其中工业活动贡献率(32.2%)>铜银尾矿污染贡献(22.8%)>大气降尘污染贡献(21.8%)>混合污染贡献(18.4%)>交通运输污染的贡献(4.8%)。其中有至少59.8%的重金属来源于有色金属矿的开采及尾矿砂的露天堆积。(5)污染物扩散风险评价表明:①与宁夏土壤背景值相比,Cd、As、Cu、Ni、Cr、Hg、Pb、Ag元素均有不同程度的超标,其中Cu、Pb、Ag三种元素平均值分别高于宁夏土壤背景值2.94、3.37、3.31倍。②生态风险评级结果显示Hg和Cu元素是研究区生态风险最高的重金属元素。Cr是研究区生态风险最低的元素。研究区潜在生态风险指数范围在582.45~12732.77之间,且所有样点均显示为较高。③人体健康风险评价结果表明区域重金属暴露造成成人非致癌健康风险,且重金属暴露引起的儿童非致癌健康风险远高于成人。其中As、Cr重金属通过手口暴露途径对儿童的非致癌健康风险明显。
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