露天采场区土壤-地下水系统中铅的耦合污染路径

0 引言

露天采场作业造成大量重金属铅在土壤与地下水中的积累与迁移，威胁区域生态环境与地下水安全。铅在土壤-地下水系统中的迁移行为具有复杂的多介质交互特征，易在界面发生形态转化与再释放。当前关于采场区铅污染的研究多聚焦于单一介质，缺乏对耦合污染路径的系统认识，限制了污染溯源与阻控措施的精准实施。本研究基于典型采场区构建土壤-地下水耦合模型，揭示铅的迁移特征与界面机制，为复杂环境中重金属污染治理提供科学依据。

1 铅的迁移特征

1.1 土壤中迁移行为

铅在采场区土壤中的迁移受控于多种理化因子，包括土壤颗粒结构、有机质含量、阳离子交换容量以及酸碱条件。在开采扰动和降水入渗作用 裸露区进入土壤层，并在重力驱动与毛细水反向迁移共同影响下沿垂向逐步渗透。酸性或 交换态向可迁移态转化，进而增强其在剖面中的下移趋势。有机质能够通过络合与螯合 铅的迁移行为，但在干湿交替或氧化还原环境剧烈变化时，这种稳定性容易遭到破坏，从而释放出大量潜在活性铅。不同土层的胶体结构差异决定了铅在其中的保留时间与再分布方式，而粘土矿物表面的选择性吸附则进一步影响其横向迁移能力[1]。

1.2 地下水中分布特征

进入地下水系统后的铅受控于含水层结构、水动力条件以及地下水与周边地质介质的反应作用。在未固结砾砂层中，铅易随着地下水流动形成扩散污 染 络合态或悬浮态共存的复合体系。含水层中pH 值、氧化还原电位及离 而决定其在水体中的迁移速度与空间分布。在静水区或弱流区，铅易聚 浓度污 透带或断裂通道中则呈现出远程扩散趋势。含铁锰氧化物的地层能在 定程度上吸附铅离子，形成 定过程，但该过程具有可逆性，受地下水化学环境扰动较大时可能发生再释放

1.3 季节性变化规律

露天采场区域受季风气候影响显著，年内降水分布不均，导致土壤水分状态与地下水补给格局呈现强烈季节性变化，进而影响铅在土壤与地下水系统中的迁移行为。在丰水期，地表水大量入渗使得土壤饱和度显著提升，铅随水流向下层迁移的速率加快， 部分铅因迁移过程中的溶解作用进入地下水系统。在此阶段，铅的迁移路径主要受控于水动力驱动与渗流路径的变化，而在地下水系统中易形成扩散范围较广的污染羽。在枯水期，土壤水分蒸发增强，溶质随蒸发带上升而发生反向迁移，导致地表层铅浓度阶段性升高。干湿交替过程中，铅的形态在溶解态与吸附态之间频繁转化，形成复杂的迁移波动机制。

2 耦合污染机制

2.1 铅的形态转化

铅在土壤与地下水系统中的形态并非静态存在，而是在不同环境条件下表现出高度动态的转化特征。铅的主要存在形态包括交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态以及残渣态，不同形态间的转化受到pH 值、氧化还原电位、有机质浓度和 等多种因 在酸性环境中，交换态与碳酸盐结合态比例明显上升，铅更易从固相释放进入 化为难溶态沉淀，从而降低迁移能力。氧化还原条件直接影响铁锰 生还原溶解反应，导致其所吸附的铅释放至地下水中。此外，铅与 殖 机物的络合反应强烈，形成稳定的可溶性络合态，这类络合物在水体中迁移能力较强，不受传统吸附机制的显著约束，从而增强其在多孔介质中的流动性。在采场扰动过程中，因排水与土体扰动造成的环境突变往往会引发铅形态的大幅波动，部分稳定态向活性态转化，导致污染物短时间内释放量增加，形成脉冲式输入效应。这种转化行为具有极强的时空异质性，其速率和方向高度依赖于局地微环境条件与微生物代谢活动的反馈作用，给污染预测与阻控带来不确定性挑战。

2.2 界面迁移机制

土壤-地下水系统中的界面迁移过程是铅污染实现从土相向水相转移的重要通道，该过程在垂向剖面中具有显著的动力响应特征。界面迁移主要包括溶解扩散、吸附解吸、颗粒夹带以及胶体协同迁移等机制。在静态状态下，铅主要依靠浓度梯度驱动实现从固体颗粒表面向水体的分子扩散，而在存在渗流或降雨入渗作用时，铅的释放速率受到流速与孔隙结构的双重控制。弱吸附或弱结合的铅易随水流发生解吸迁移，形成初始污染前沿。胶体与细颗粒物在水动力扰动下被动释放至孔隙水中，进而携带吸附态铅形成非均质迁移波，这类迁移机制突破了铅与固相之间的传统平衡结构，显著增加了污染物在土-水界面跨介质运动的效率。土壤颗粒表面的极性位点与含水层溶液中的阳离子交换过程也对界面迁移过程产生调节效应，部分交换位点在长期低浓度条件下形成吸附饱和现象，使得后续渗入的铅更易脱附释放进入地下水。地表水入渗路径与含水层补给速率在界面迁移中起控制作用，快速入渗常导致铅在短时间内突破滞留带直达含水层，而慢速渗流则有助于强化与吸附带之间的缓冲作用，从而延缓铅的迁移速度。土壤剖面中不同质地结构所形成的非饱和带水力梯度变化也可能诱发铅在特定深度积聚后再释放，从而表现为不连续的动态输移过程。

2.3 生物地球化学过程

铅在土壤-地下水系统中的迁移行为不仅受物理和化学过程的影响，还与多种生物地球化学机制紧密耦合。土壤微生物群落在重金属污染背景下往往表现出结构重组与代谢通量改变，其所产生的代谢产物与氧化还原反应直接参与铅的形态变化和迁移过程。特定微生物如铁还原菌、硫酸盐还原菌以及金属耐受菌可以通过改变微环境的pH 值和氧化还原电位，间接引导铅从沉淀态向溶解态或络合态转化，从而增强其迁移能力。此外，一些微生物能够合成胞外聚合物或有机酸，这些物质可与铅形成络合配合物，提高其在液相中的稳定性与移动性。植物根系分泌的有机物与微生物代谢活性之间存在协同关系，在根际区形成特殊微环境，从而促进铅的再释放与重新分布。微生物所形成的生物膜对孔隙结构与渗流路径亦具有调节作用，进而影响铅的实际迁移通量。某些条件下，微生物群落还可能诱导形成含铅矿物沉淀，如磷酸铅与硫化铅等，从而将部分可移动铅固定在特定矿物结构中，但这类生物诱导矿化过程对环境敏感度较高，易受温度、水分和底物供给的限制。不同地貌单元中微生物分布差异显著，使得铅在土壤—地下水界面的迁移过程表现出强烈的空间不均一性。

3 结论

本研究识别了露天采场区铅在土壤-地下水系统中的主要迁移特征与耦合污染路径，明确了其形态转化机制与界面迁移行为，并揭示了生物地球化学过程在 化中的关键作用。研究结果为复杂地质环境下重金属污染过程的理解提供了基础支撑，有助于构建更 对性的污染阻控策略与风险评估体系，提升矿区生态环境管理的科学性与有效性。

参考文献

[1]马军. 露天煤矿采场粉尘污染源精准识别与防治[J].资源节约与环保,2025,(04):79-82.

[2]赵玉琪,胥孝川,曹洋,等. 露天采场粉尘扩散规律与降尘处置方法研究进展[J].矿业研究与开发,2024,44(12):152-161.