陜北大型現(xiàn)代化礦井周邊地下水環(huán)境特征研究

趙耀東，楊 建，張朝逢

(1.陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局，陜西 西安 710003；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

陜北大型現(xiàn)代化礦井周邊地下水環(huán)境特征研究

趙耀東1，楊 建2，張朝逢1

(1.陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局，陜西 西安 710003；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

大型現(xiàn)代化礦井排出的礦井水，均采用深度處理工藝，對(duì)周邊地下水環(huán)境的影響程度如何，需進(jìn)行進(jìn)行地下水環(huán)境特征研究。通過(guò)對(duì)礦井及周邊調(diào)查和地下水水樣采集分析，采用內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：研究區(qū)地下水中pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、Mn、Hg等組分出現(xiàn)了超標(biāo)，其中66.7%水樣點(diǎn)的NH4濃度達(dá)到Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，4號(hào)水樣中NO2濃度超過(guò)地下水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值14倍，3號(hào)水樣中NO3濃度達(dá)到了地下水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，主要由當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)引起；部分地下水中Mn濃度達(dá)到地下水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，與當(dāng)?shù)氐叵滤兄亟饘俦尘爸递^高有密切關(guān)系；馬槽井作為當(dāng)?shù)靥赜械墓喔确绞?，水中CODcr濃度相對(duì)較高。本地區(qū)地下水水質(zhì)屬于極差或較差等級(jí)，主要由SO4、NH4、NO2超標(biāo)引起。上述現(xiàn)象反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、年蒸發(fā)量大，是造成井田范圍內(nèi)地下水水質(zhì)惡化的主要原因。

地下水環(huán)境；現(xiàn)代化礦井；農(nóng)業(yè)污染；環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)；陜北

鄂爾多斯盆地屬于中生代大型克拉通內(nèi)盆地[1]，是我國(guó)最大的聚煤盆地，建設(shè)有神東、陜北等大型煤炭基地，其中陜北煤炭基地包括神府、榆神和榆橫三個(gè)礦區(qū)[2][3]，含煤地層主要位于侏羅系中下統(tǒng)延安組，具有煤質(zhì)優(yōu)良、儲(chǔ)量巨大、構(gòu)造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[4]。陜北礦區(qū)地處干旱和半干旱的沙漠化地區(qū)，氣候干旱，年蒸發(fā)量是降水量的6倍以上[5]，水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱[6][7]。但是，煤炭開(kāi)采過(guò)程中會(huì)引起頂板覆巖破壞，導(dǎo)致上覆含水層水進(jìn)入井下，為了保證煤礦安全生產(chǎn)，必須向地表排放大量礦井水，礦井水除了被大量蒸發(fā)，由于含有懸浮物、濁度、礦化度[8]、氟化物、重金屬[9]、油類(lèi)污染物等，會(huì)造成周邊水環(huán)境污染。近年來(lái)，隨著政府和民眾對(duì)環(huán)境的日益重視，對(duì)礦井水外排提出了更加嚴(yán)格的要求，而且開(kāi)發(fā)利用礦井水不僅可以減輕煤礦企業(yè)和社會(huì)的供水壓力，還可以有效提高當(dāng)?shù)氐叵滤Y源和生態(tài)環(huán)境的承載能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[10]。但是，有些新建煤礦為了節(jié)省礦井水處理費(fèi)用，利用地下管網(wǎng)偷排未經(jīng)處理的礦井水[11]，這也會(huì)引起礦區(qū)周?chē)叵滤h(huán)境的污染，因此有必要對(duì)這些礦井周邊的地下水水質(zhì)特征進(jìn)行研究，為掌握新建的大型現(xiàn)代化礦井周邊地下水環(huán)境特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北神府榆礦區(qū)，地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，為沙漠灘地區(qū)，沙漠覆蓋率在80%以上，其中新月形沙丘和鏈狀沙丘遍布，灘地較少；井田地形較平坦，地勢(shì)總體是西高東低。氣候干旱，年蒸發(fā)量是降水量的6倍以上；井田范圍內(nèi)水系不發(fā)育，除東部的榆溪河外，僅東北角有自西北向東南流向的白河，由于植被稀少，夏季多暴雨(日降水量最高65.5 mm)，河水流量變化較大，雨季常猛漲成災(zāi)。

井田范圍內(nèi)，第四系松散層潛水以大氣降水補(bǔ)給為主，部分為沙漠凝結(jié)水補(bǔ)給及灌溉回歸水、渠水滲漏補(bǔ)給。徑流主要受地形控制，流向基本沿17～19勘探線范圍內(nèi)由高至低、由西向東與現(xiàn)代地形吻合，(以泄流的形式)向榆溪河排泄。排泄主要是側(cè)向補(bǔ)給河水，次為蒸發(fā)消耗、垂向滲漏和人工開(kāi)采。

本礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 000萬(wàn) t/a，服務(wù)年限120 a，為斜井開(kāi)拓。井田延安組可采煤層包括2、2下、3、3-1、4-1、4-2、5、7、9等9個(gè)煤層，其中主采煤層為2號(hào)煤層。2號(hào)煤層一般厚度在0.68～8.64 m，平均厚3.41 m，厚度變異系數(shù)49.87%，該煤層層位穩(wěn)定，厚度較大且變化規(guī)律明顯，煤質(zhì)變化小，屬大部分可采的穩(wěn)定型中厚煤層。井下礦井水經(jīng)“超濾+納濾”的深度處理工藝處理后，出水水質(zhì)較好，TDS=59.7 mg/L，TOC=0.82 mg/L，Mn、Hg、AS等重金屬均屬于地下水Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)或未檢出。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 樣品采集和檢測(cè)

根據(jù)礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)位置和地下水流向，在工業(yè)廣場(chǎng)周?chē)贾昧?個(gè)取樣點(diǎn)(代表水源類(lèi)型、取樣深度等)。水樣采集后，立即將水樣容器瓶蓋緊、密封，貼好標(biāo)簽(包括取樣點(diǎn)位、采樣日期和時(shí)間、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、采樣人等)。

水樣的檢測(cè)指標(biāo)包括：肉眼可見(jiàn)物、嗅和味、透明度、顏色、pH、陽(yáng)離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+、NH4+)、陰離子(NO2-、NO3-、OH-、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-)、總硬度、礦化度、F-、鉛、硒、鎘、砷、汞、錳、六價(jià)鉻、揮發(fā)酚、氰化物、COD、UV254、TOC、總硬度(以CaCO3計(jì))、非碳酸鹽硬度(以CaCO3計(jì))、碳酸鹽硬度(以CaCO3計(jì))、負(fù)硬度(以CaCO3計(jì))、總堿度(以CaCO3計(jì))、H2SiO3、可溶性SiO2、游離CO2、等。樣品經(jīng)預(yù)處理后，根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢測(cè)方法，利用原子吸收分光光度計(jì)、離子色譜儀、總有機(jī)碳/總氮分析儀等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)有的地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法有多種，本研究選用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)》推薦內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)研究區(qū)內(nèi)地下水進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法是1974年美國(guó)敘拉古大學(xué)內(nèi)梅羅(N LNemerow)教授提出的一種水污染指數(shù)法，其兼顧極值，又被稱(chēng)為突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)方法。計(jì)算式如下：

3 結(jié)果和討論

3.1 地下水環(huán)境特征

根據(jù)礦井周邊地下水檢測(cè)結(jié)果，地下水中各種污染物分布特征與本礦井的煤炭開(kāi)發(fā)和礦井水排放沒(méi)有直接聯(lián)系，下面對(duì)pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、重金屬、CODcr等指標(biāo)進(jìn)行分析(其他指標(biāo)濃度均在地下水Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值以下)。

3.1.1 pH、SO4和TDS

大部分水樣的pH在7.2～7.8之間，符合地下水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ～Ⅲ類(lèi)水質(zhì)要求；但是4號(hào)水樣pH高達(dá)11.3，可能該水井受到了混凝土施工等污染，檢測(cè)的其它幾十種指標(biāo)，未發(fā)現(xiàn)異常情況。所有水樣中(圖1)，1號(hào)和2號(hào)水樣中SO4濃度分別為351.3 mg/L和840.0 mg/L，均達(dá)到地下水質(zhì)量Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；其它水樣中SO4濃度均小于38.5 mg/L，屬于地下水質(zhì)量Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。2號(hào)水樣中TDS濃度為1 365.8 mg/L，達(dá)到了地下水質(zhì)量Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；“X礦東民井1”水樣中TDS濃度也相對(duì)較高(681.6 mg/L)；其他水樣中TDS濃度則均在310 mg/L以下，基本屬于地下水質(zhì)量Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。本地區(qū)淺層地下水中TDS(包括SO4)濃度較高，可能存在以下幾個(gè)原因：(1)神府榆地區(qū)氣候干旱，年蒸發(fā)量是降水量的6倍以上，導(dǎo)致水中鹽分大量富集；(2)本礦區(qū)作為糧食生產(chǎn)基地，建設(shè)了許多灌溉水渠水利設(shè)施等，形成了一系列人工地表水體，為水中鹽分蒸發(fā)濃縮提供了條件；(3)高TDS礦井水向地面排放，導(dǎo)致淺部含水層中TDS升高。結(jié)合X礦井田周邊情況，推測(cè)是長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等導(dǎo)致的地下水中TDS升高，以及煤礦建設(shè)初期未經(jīng)處理的高TDS水排放。

洗衣這件事，是從小就有的愛(ài)好。一年四季無(wú)論寒暑，就愛(ài)洗衣服，差不多七八歲的時(shí)候，便熱愛(ài)了。逐漸到后來(lái)，與其說(shuō)是熱愛(ài)洗衣，不如說(shuō)更愛(ài)長(zhǎng)久地待在江上，顧漫無(wú)言地——棒槌聲聲，沉浸于寒冷中渾然不覺(jué)，這也是消耗生命的一種方式吧，不然，那么多的空閑，如何打發(fā)呢？洗完一鐵桶衣服，拎著它慢慢走在鋪滿(mǎn)青石條的巷子里回家，渾身發(fā)熱——總是利用不停歇的體力活，試圖去填滿(mǎn)生命里出現(xiàn)的大片空洞，仿佛熱血猶在，漂泊而失根的小小生命，一步一步有了方向。

圖1 地下水中SO4和TDS濃度等值線圖 (黃色—Ⅳ類(lèi)；紅色—Ⅴ類(lèi))

3.1.2 NH4、NO2和NO3

井田范圍內(nèi)，有4個(gè)水樣中NH4濃度達(dá)到Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，占66.7%；1個(gè)水樣達(dá)到Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，占16.7%；1個(gè)水樣達(dá)到Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，占16.7%(圖2)。4號(hào)水樣中NO2濃度為1.4 mg/L，遠(yuǎn)高于Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值(0.1 mg/L)，考慮到該水樣中pH值高達(dá)11.3，是否存在未知污染源；其余5個(gè)水樣中NO2均未檢出。3號(hào)水樣中NO3濃度為21.0 mg/L，達(dá)到了地下水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；2號(hào)和4號(hào)水樣中NO3濃度分別為8.9 mg/L和5.9 mg/L，達(dá)到了地下水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；另外3個(gè)水樣中NO3濃度均小于0.5 mg/L，符合地下水Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 地下水中NH4、NO2和NO3濃度等值線圖

3.1.3 重金屬

井田范圍內(nèi)，地下水中只有Mn和Hg出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象，其它重金屬指標(biāo)均未超標(biāo)。1號(hào)和6號(hào)水樣中Mn濃度分別為0.989 22 mg/L和0.105 64 mg/L，達(dá)到了地下水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，占33.3%；其它4個(gè)水樣中Mn濃度均在地下水Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值以下。2號(hào)和3號(hào)水樣中Hg濃度達(dá)到地下水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，占33.3%；另外4個(gè)水樣中Hg濃度則均屬于地下水Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)圖3)。

圖3 地下水中Mn和Hg濃度等值線圖

3.1.4 CODcr、TOC

礦區(qū)地下水中CODcr濃度總體較低，大部分水樣中未能有效檢測(cè)出CODcr，只有5號(hào)水樣中CODcr濃度達(dá)到了16.2 mg/L，這是由于馬槽井是一種利用地形高低、水位落差開(kāi)挖地表水渠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的抽灌和自流灌溉(圖4)。根據(jù)TOC檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，井田范圍內(nèi)地下水中TOC濃度為2.19～5.98 mg/L，也顯示該地區(qū)第四系水中有機(jī)物濃度偏低，與陜北地區(qū)地表植被稀疏，缺少天然有機(jī)質(zhì)來(lái)源有關(guān)。

圖4 井田內(nèi)馬槽井

根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法，選取pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、Mn、Hg等8個(gè)檢測(cè)指標(biāo)，對(duì)照地下水的水質(zhì)類(lèi)別判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)項(xiàng)目逐項(xiàng)判斷水質(zhì)類(lèi)別，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 Fi評(píng)分結(jié)果

6個(gè)地下水樣品中(表2)，水質(zhì)極差的3個(gè)，占50%；水質(zhì)較差的3個(gè)，占50%主要由SO4、NH4、NO2超標(biāo)引起。上述現(xiàn)象反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、年蒸發(fā)量大，是造成井田范圍內(nèi)地下水水質(zhì)惡化的主要原因。

表2 水質(zhì)分類(lèi)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)地下水中pH、SO4、TDS、NH4、NO2、NO3、Mn、Hg等組分出現(xiàn)了超標(biāo)，而礦井水中污染物主要為濁度、懸浮物、TDS等，兩者之間存在一定差異。

(2)井田范圍內(nèi)，66.7%水樣點(diǎn)的NH4濃度達(dá)到Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，4號(hào)水樣中NO2濃度超過(guò)地下水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值14倍，3號(hào)水樣中NO3濃度達(dá)到了地下水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，主要由當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)引起。

(3)地下水中Mn和Hg出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象，其中33.3%的水樣點(diǎn)Mn濃度達(dá)到地下水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，與當(dāng)?shù)氐叵滤兄亟饘俦尘爸递^高有密切關(guān)系。由于馬槽井是一種利用地形高低、水位落差開(kāi)挖的地表水渠，周邊植被相對(duì)繁茂，導(dǎo)致水中CODcr濃度達(dá)到了16.2 mg/L。

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Study about groundwater environment characteristics surrounding of large modern coal mine in northern shaanxi

ZHAO Yao-dong1，YANG Jian2，ZHANG Chao-feng1

(1.Shaanxi province groundwater management monitoring Bureau, Xi’an 710003, China;2.CCTEG Xi’an Research Institute, Xi’an 710054, China)

Advanced water treatment processes were used to treat coal mine wastewater in large-scale modern mine.The influence degree of groundwater was not clear, so we need to research the groundwater environment characteristics. Through the investigation in mine and surrounding area and the analysis of groundwater water samples, using Nemerow Comprehension method to evaluate results. The results showed that some components (e.g. pH, SO4, TDS, NH4, NO2, NO3, Mn, Hg) were exceeded the quality standard. The concentration of NH4 reached the quality standard of class Ⅳ in 66.7% samples, and the concentration of NO2was more than 14 times of the quality standard of class Ⅴ in No.4 sample. The concentration of NO3reached the quality standard of class Ⅳ in No.3 sample. Mn concentration reached the quality standard of class Ⅳ because of high concentration background value of heavy metal in local stratum. CODcr value was high in Macaojing well. Groundwater qualities were poor or extremely poor, and exceeding the standard of some pollutant components (e.g. SO4, NH4, NO2) was main reason. The groundwater pollution was due to agricultural production and high evaporation.

Groundwater environment；modern mine；agricultural pollution；environmental quality assessment；northern Shaanxi

2016-10-17

神府榆地區(qū)煤炭開(kāi)采對(duì)地下水資源及地表植被影響研究(2015 SLkj-14)

趙耀東(1961-)，男，陜西乾縣人，教授級(jí)高工，主要從事地下水開(kāi)發(fā)利用研究保護(hù)管理等工作。

P641.4+2

A

1004-1184(2017)01-0012-03