鄂爾多斯砂質(zhì)基底排矸場煤矸石淋濾液對地下水的污染研究

齊　嘯，馮海波，劉曉波，董少剛*

(1.呼倫貝爾市環(huán)境保護局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾市021008；2.內(nèi)蒙古大學 環(huán)境與資源學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010021)

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鄂爾多斯砂質(zhì)基底排矸場煤矸石淋濾液對地下水的污染研究

齊嘯1，馮海波2，劉曉波2，董少剛2*

(1.呼倫貝爾市環(huán)境保護局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾市021008；2.內(nèi)蒙古大學 環(huán)境與資源學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010021)

摘要：通過水文地質(zhì)調(diào)查、采樣分析并結合地下水流動系統(tǒng)理論，對鄂爾多斯某一典型砂質(zhì)基底排矸場煤矸石淋濾液對地下水環(huán)境的影響進行研究.結果表明，煤矸石的堆放改變了地下水流動系統(tǒng)的原有特征，矸石場由地下水的排泄區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤膹搅鲄^(qū)，矸石場底部煤矸石長期浸泡在地下水中，有毒有害物質(zhì)大量析出并隨地下水的徑流向下游擴散.矸石場下游地下水及附近出露的地表水中鉻、砷、氟、硝酸根、銅、鋅、鎳、錳等污染因子遠遠高出背景值.其中水源地附近地下水中砷濃度為1.013 mg/l，高出背景值148倍，硫酸根濃度為602 mg/l，高出背景值14倍.圖4，表1，參8.

關鍵詞：煤矸石淋濾液；地下水污染；地下水流動系統(tǒng)；大柳塔礦區(qū)

煤炭作為我國的主要能源，對促進國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義.然而，煤炭的開采利用也給區(qū)域及全球生態(tài)地質(zhì)環(huán)境造成了重大影響[1-2]，除煤炭加工及燃燒過程對大氣和水體環(huán)境造成的污染外，煤礦開采、洗選及加工過程中產(chǎn)生的煤矸石對環(huán)境的影響也不容忽視.據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，我國煤矸石已經(jīng)累計堆存約50億t，并以每年2億t的速度增加[3].大多數(shù)煤矸石場就近建立于礦區(qū)周邊的溝谷及洼地中，有些小礦甚至隨意堆放.煤矸石在溝谷及低洼地中大量存放，不僅在降雨的淋濾下產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)污染土壤和地下水，也可能改變原有地下水流動系統(tǒng)的特征，使原本地下水的排泄區(qū)轉(zhuǎn)化為徑流區(qū)，從而導致污染區(qū)域的擴大.目前，關于煤矸石淋濾液對地下水環(huán)境的影響研究，主要是通過煤矸石浸泡實驗[4、5]，水文地球化學調(diào)查[6]、污染物遷移模型[7]等方法進行預測分析.

鄂爾多斯沙地廣泛分布，沙丘起伏，許多礦區(qū)附近的丘間洼地成為臨時或永久煤矸石堆放場.筆者擬通過對鄂爾多斯大柳塔礦區(qū)某砂質(zhì)基地煤矸石場的水文地質(zhì)調(diào)查、浸泡實驗、采樣監(jiān)測并結合地下水流動系統(tǒng)理論，分析排矸場淋濾液對地下水環(huán)境的影響，為砂質(zhì)基底煤矸石場的合理選址和污染防治提供參考.

1研究區(qū)概況

大柳塔礦區(qū)位于陜西省北部，晉、陜、蒙三省(區(qū))接壤地帶，是國家級陜北能源化工基地的核心區(qū)域.該區(qū)屬華北地層之鄂爾多斯分區(qū)內(nèi)的延河地層小區(qū)，地處毛烏素沙地和黃土丘陵區(qū)的過渡地帶，地表物質(zhì)主要是風積沙和黃土，植被稀少.該區(qū)以中生代地層為主體，大部出露侏羅系地層，其次為三疊系地層和新近系地層，第四系風積沙分布廣泛,見圖1所示.

圖1　大柳塔礦區(qū)水文地質(zhì)略圖Fig.1　A sketch hydrogeological map of Daliuta mining area

煤矸石場位于烏蘭木倫河以東約2.5 km的沙洼中，四周沙丘起伏，流動、固定和半固定沙丘交錯分布.第四系坡積砂土，風積沙、沖湖積粉細砂，構成該區(qū)主要的潛水含水層.富水性受地貌形態(tài)的控制，在局部地勢低洼處及具有蓄水形態(tài)的基巖界面處形成富含水層.該區(qū)多年平均降水量440.8 mm，主要集中在6～9月，占全年降水量的71%，年蒸發(fā)量為2 163 mm.據(jù)文獻[8] 研究大柳塔礦區(qū)第四系潛水主要接受大氣降水的補給，松散含水層及燒變巖裂隙-孔洞含水帶水大多為HCO3-Ca 型，個別為HCO3- CaMg型，反映水交替條件較好；各種水中的溶解離子總量較低，一般介于0.15～1.2 g/L，大多數(shù)為0.3 g/L 左右，表明形成過程時間較短.

2樣品采集與分析

2.1排矸場基本情況

該排矸場位于大柳塔礦區(qū)內(nèi)一低洼沙地中.洼地四周均為第四系風積砂所覆蓋，洼地下部砂厚為15～20 m左右，四周為高度20～40 m的波狀沙丘，第四系下部為新近系砂質(zhì)泥巖隔水層，在豐水季節(jié)洼地中偶爾有潛水出露.在該洼地以南400 m左右有一季節(jié)性溝谷溪流，谷底設有截伏流井及泵站作為集中供水水源，日供水量1 000 m3左右.

排矸場始用于2005年2月，至2008年3月封場，共堆放煤矸石面積約1.5×105m2，高約35 m，堆放體積6.0×106m3，封場后煤矸石上部覆30 cm的粉砂土，并在場內(nèi)種植黑沙蒿、樟子松等植物.

2.2樣品的采集及分析

根據(jù)矸石場周邊的水文地質(zhì)條件，在矸石場及其東南部溝谷中布置采樣點6個，其中地下水樣4個，地表水樣2個.采樣點L1為泉水出露處，L2、L3號樣采樣點為地表水；L4號采樣點為地下水觀測孔，孔深15 m，取樣深度為水面以下5 m；L5為截伏流工程集水井處的地下水(混合樣)；L6號采樣點為煤矸石場中地下水樣，見圖2.在采樣時L4，L5及L6均能聞到輕微的異味.

圖2　矸石場位置及采樣點分布圖Fig.2　Study area and distribution of sampling points

同時在矸石場采用隨機布點法采集煤矸石樣，將采集的樣品混合后按“四分法”棄取縮分.矸石樣品粉碎成粒徑≤10 mm的顆粒，混合均勻，取 200 g置于玻璃廣口瓶中，然后加入1 000 mL的純凈水，用玻璃棒攪拌混勻，形成固液比為1∶5的浸泡溶液，其初始pH值為7.常溫下將浸泡液放置30 d，并間歇性攪拌，最后取上清液進行水化學分析.

在實驗室中應用ICP-MS分析水樣中的Zn、Cu、Ni、Cr、Hg、Mn、As等重金屬元素，應用離子色譜分析SO42-、F-等陰離子的含量，監(jiān)測結果如表1.

表1 水樣分析結果(單位：mg/L)

注：ND表示未檢出

3結果討論

3.1水質(zhì)監(jiān)測結果分析

從浸泡實驗分析結果看(表1中L0)，該礦煤矸石中主要污染物為Cr、Ni、Mn、As、SO42-、F-等.特別是該礦煤矸石中硫含量較高，經(jīng)過30 d的浸泡，每克煤矸石浸出硫酸根(包括后期氧化部分)3.4 mg.可能由于硫化物的氧化導致溶液pH值下降，實驗結束時，測得混合液pH值由7降為5.4左右.pH值的降低，將更有利于矸石中的其它重金屬離子的釋放.

本次野外采樣中L1號樣品取自泉口，且未受到煤矸石淋濾液的影響，測試指標濃度可以代表該區(qū)地下水潛水背景值.從分析結果看，該區(qū)地下水潛水水質(zhì)較好，各項指標均滿足飲用水水質(zhì)標準(GB5749).L6號水樣為煤矸石堆浸泡液，可代表自然條件下煤矸石在長期淋濾及浸泡狀態(tài)下所釋放的各種污染物濃度.從分析結果看，該煤矸石浸出液監(jiān)測指標中，除了Hg未檢出外，其它指標均遠遠高于背景值，特別是Mn、As 、SO42-、F-的濃度均大大高于飲用水標準.與室內(nèi)矸石浸泡結果(L0)對比，在自然條件下，矸石中污染物浸出濃度更高，這可能與浸泡時間長、地下水位變化導致的浸泡—脫水氧化—再浸泡及水—矸石質(zhì)量比有關.L2和L3號樣品是取之溝谷溪流中的地表水，L2處于溪流的上游受矸石淋濾液的影響較少，水質(zhì)較L3要好一些.L4號樣品采之溝谷中截伏流井的西北側(cè)，靠近矸石場方向的地下水，其水質(zhì)主要受溝谷西北部矸石場地下水的影響.該處地下水水質(zhì)已嚴重惡化，其中As濃度為1.013 mg/L，高出背景值148倍，SO42-濃度為602 mg/L，高出背景值14倍，說明該區(qū)地下水已經(jīng)受到嚴重污染；L5號樣品取之截伏流工程集水井中，該截伏流井處于溝谷中央，截水工程長約200 m，深約4 m，主要截取溝谷兩側(cè)沙地側(cè)排的潛水及溝谷中的地表水下滲，供附近居民飲用.該工程截取的地下水經(jīng)過左右兩岸及入滲地表水的混合，污染物的濃度較西北岸地下水中的濃度有所降低，但從分析結果看，該工程已經(jīng)受到矸石場淋濾液的嚴重影響，其中Mn、As、SO42-、F-等多個指標已超過飲用水水質(zhì)標準.

綜合分析以上6個水樣，沿地下水的流動方向上，從矸石場到截伏流井地下水中各個檢測指標的濃度逐漸降低，地表水從上游到下游，污染物的含量逐漸升高，以煤矸石場為中心形成一個嚴重污染區(qū)域.

3.2地下水流動系統(tǒng)變化對污染物遷移的影響分析

基于對煤矸石場周邊的水文地質(zhì)調(diào)查，繪制地下水流動系統(tǒng)圖，分析煤矸石堆放對地下水流動系統(tǒng)的影響.在煤矸石堆放以前，矸石場和其東南部溝谷中的地下水為兩個相對獨立的地下水流動系統(tǒng)，矸石場與溝谷中的地下水基本沒有水力聯(lián)系(見圖3),矸石堆放的沙洼，作為局部潛水排泄的通道，在豐水季節(jié)偶有潛水出露，但在強烈的蒸發(fā)作用下很快消失，潛水位下降.

矸石堆放后，沙洼中的蒸發(fā)作用被大大削弱，側(cè)排進入沙洼區(qū)域的地下水逐漸賦存于煤矸石堆的空隙中.同時，由于煤矸石堆松散、孔隙大，雨季的降水能夠較快的補給到含水層，使矸石場區(qū)域的地下水位上升.在矸石堆放5 d后，通過探孔(2011年4月)觀測發(fā)現(xiàn)，矸石場區(qū)潛水位上升3～4 m.隨著矸石場區(qū)地下水位的上升，原始地下水流動系統(tǒng)特征發(fā)生變化，矸石場區(qū)由地下潛水的排泄區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為地下水的徑流區(qū).隨著新系統(tǒng)的形成，矸石場與東南部溝谷之間的分水嶺消失，兩者發(fā)生直接的水力聯(lián)系.填埋場底部堆存的煤矸石長期浸泡在地下水中，在水—巖相互作用下，產(chǎn)生大量的淋濾液，并隨地下水的流動向東南部溝谷遷移，導致溝谷中的水源地污染嚴重，給當?shù)鼐用竦纳钌a(chǎn)造成極大危害(圖4).

圖3　矸石填埋前A-B斷面水文地質(zhì)剖面圖(A-B位置見圖1)Fig.3　Hydrogeological cross-section profile of AB before landfilling (A-B location see Figure 1)

圖4　矸石填埋后A-B斷面水文地質(zhì)剖面圖(A-B位置見圖1)Fig.4　Hydrogeological cross-section profile of AB after landfilling (A-B location see Figure 1)

4結論

鄂爾多斯煤炭資源豐富、沙地分布廣泛，沙質(zhì)基底煤矸石場較多.該區(qū)降雨量集中，降雨入滲系數(shù)大，砂質(zhì)基底煤矸石場產(chǎn)生的淋濾液數(shù)量大，對淺層地下水水質(zhì)造成了嚴重的影響.通過對大柳塔礦區(qū)某煤矸石場的水文地質(zhì)調(diào)查、取樣監(jiān)測，結合地下水流動系統(tǒng)理論分析了該矸石場淋濾液對附近地表水及地下水水質(zhì)的影響.

研究表明，該礦煤矸石淋濾液中的主要污染物為鉻、砷、氟、硝酸根、銅、鋅、鎳、錳等，煤矸石的淋濾會導致局部區(qū)域地下水pH值下降.煤矸石的堆放改變了場地周邊地下水流動系統(tǒng)的原有特征，地下水位上升，使原本地下水的排泄區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閺搅鲄^(qū)，導致矸石場下部煤矸石長期浸泡在地下水中；煤矸石產(chǎn)生的含有大量污染物的淋濾液隨地下水的流動向下游擴散，使污染面積不斷擴大；矸石場東南部溝谷中的地下水及地表水水質(zhì)都受到了煤矸石淋濾液的影響，截伏流井集中供水系統(tǒng)的多項監(jiān)測指標已不能滿足飲用水質(zhì)標準；矸石場南部溝谷中的地表水及潛水都最終排向烏蘭木倫河，可能對烏蘭木倫河的水質(zhì)產(chǎn)生不良影響.

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Biography：QI Xiao, male, born in 1986, master, engineer, research directions: Management and research work related to environmental protection.

收稿日期：2016-03-16

基金項目：國家自然科學基金資助(編號：41002129)

作者簡介：齊嘯(1986-)，男，河北石家莊人，碩士，工程師，研究方向：地下水污染與防治工程. *通訊作者，E-mail:groundwater@163.com

文章編號：2095-7300(2016)02-001-05

中圖分類號：X523

文獻標識碼：A

Study on Groundwater Contamination of the Coal Waste Leachate of Sandy Base Field in Erdos

QI Xiao1,FENG Hai-bo2,LIU Xiao-bo2,DONG Shao-gang2

(1.Environmental Protection Bureau Hulunbuir,HulunBuir 021008,China；2.College of Environment and Resources of Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)

Abstract：Based on the hydro-geological survey, sampling analysis and combined with groundwater flow systems theory, the paper studied the impact of coal waste leachate of a typical sandy base coal waste field in Ordos on groundwater environment.The results showed as follows: piling of coal waste has changed the original characteristics of groundwater flow systems; coal waste field has turned from groundwater discharge areas into the runoff areas; the coal waste in the coal waste field has been immersed into groundwater, which resulted in a great deal of toxic and hazardous substances were unleashed and spread to downstream areas with the flow of groundwater.Chromium, arsenic, fluoride, nitrate, copper, zinc, nickel, manganese, etc.in the downstream groundwater were seriously polluted.Concentration of arsenic was 1.013 mg/l, which was 148 times as much as background value, while that of SO42 was 602 mg/l, which was 14 times as much as background value .4figs.,1tab.,8refs.

Keywords：coal waste leachate；groundwater pollution; groundwater flow system; Daliuta mine area