矿区重金属污染实际上就是金属矿床在人类和自然共同作用下矿山-河流系统中重金属元素再活化-迁移-聚集的表生地球化学过程。阐明矿区重金属的来源、化学形态组成和迁移转化方式对我们了解重金属污染的形成机理、分布规律和开展重金属污染防治工作具有重要意义。界河位于山东省招远市,发源于招远西南金矿资源最为丰富的的玲珑山南麓,长期大范围的金矿开采已经造成了界河流域严重的重金属污染。本研究通过对界河的采样调查、室内模拟实验和野外示踪试验结合模型模拟的方法,分析了界河水体和沉积物中重金属的形态和空间分布,污染沉积物中重金属的动态释放过程,上游污染源的污染负荷以及重金属的迁移转化规律。形成的主要认识如下: 金是亲硫元素,其与多种金属伴生,金矿开采产生的大量尾矿废石的风化氧化,以及受到严重污染的沉积物在环境条件变化后的释放,是金矿区多种重金属污染的主要来源。利用超滤离心的方法和地球化学平衡模型MinteQ的模拟对As和Fe的形态进行了分析,在上游河道(0-11.4 km)砷和铁主要以胶体态的形式存在,而在下游河道(11.4-23.3 km)二者主要以真溶解态的形式存在。本文中罗山河河道中砷的地球化学反应过程大致可以分为以下三个阶段:(1)黄铁矿(FeS₂)和其他含砷矿物的风化氧化造成砷和铁等释放到河水中;(2)当超过水铁矿的溶解度时,风化氧化释放的铁就会很容易发生沉淀作用;(3)最后水铁矿通过脱水作用产生针铁矿和赤铁矿。由含砷矿物风化氧化释放到水体中的As通过吸附、共沉淀等作用再次吸持在水铁矿、针铁矿和赤铁矿等矿物的表面。因此对不同河段,必须根据其地球化学特征选取更合理的的治理措施。 在界河上游4 km的位置,沉积物中As、Zn、Cu、Pb在含量很高,另外,在界河中游17-19 km的河段沉积物中As、Zn、Cu也特别高。重金属高值区与金矿分布密切相关,结合实地勘察表明采矿废渣和废水的排放是重金属的主要来源。沉积物中As的赋存形态沿程变化较大,主要是可还原态和残渣态,上游三个点可还原态含量逐渐减少,而残渣态含量逐渐增多。酸溶解态的Zn含量最高,在采样点LS12之后的样点,酸溶解态Zn的含量远远高于最上游两个采样点。Cu的不同形态沿河变化比较大,在最上游的LS17和LS16两点,Cu主要以酸溶解态的形式存在,在中游河道沉积物中有机和硫化物结合态的Cu的含量明显增多,最下游的JH06点可还原态的Cu含量最高。 四种沉积物中重金属As、Zn、Cu、Cd、Mn释放趋势相似,淋出液中各元素浓度逐渐降低。平衡-动力学反应迁移模型可以很好模拟这些元素的动力学释放过程,并且也可以较好地重现两次停止通液(Stop-flow)的实验结果。通过模型拟合得到的沉积物中各种元素的动力学反应速率反映了它们具有不同的反应机理。在元素的快速释放阶段它的释放是由平衡反应位点和动力学反应位点共同控制的,而之后的长时间持续的慢速的释放是由动力学反应位点控制的。四种沉积物中缓冲能力最强的是JH27,整个淋洗过程中,JH27中三种pH溶液的淋出液pH都在7左右,只有pH 3的淋出液pH有较小的降低,pH 9和pH 6.5的淋出液的pH基本相同。这说明沉积物与淋洗液之间发生了酸碱中和反应,造成了多种重金属的大量释放。 WASP7模型中通过调节河水流量和孔隙水流量的数据对五个连续采样点和沿河采样中示踪剂Li都获得了较好的模拟结果。利用示踪试验获得的界河上游水文数据,对重金属Zn和As的溶解态和总量进行了模拟,取得了很好的模拟结果。总量Zn和As的模拟值和实测值之间的相关系数都是0.98,溶解态Zn和As的模拟值和实测值之间的相关系数都是0.97。另外,在距离O点3 km的河段存在的明显污染源中Zn和As的污染负荷分别为13.2和0.64 kg day^-1,对下游河道存在潜在的威胁,应该优先治理。WASP模型可以应用到其他流域用于模拟重金属和其他污染物的迁移和归趋,从而协助我们评价污染物的来源、迁移、沉积物-水界面作用,应用该模型为重金属污染治理的科学决策提供支持。