海州露天礦及周邊水環(huán)境重金屬調(diào)查與評(píng)價(jià)

郝 喆，孫鴻昌，許春東，張 搏，陳紅丹

(1. 遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036；2. 遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

0 引言

近年來(lái)，閉坑礦山在全球特別在中國(guó)迅速增加，因此發(fā)生了許多水環(huán)境污染問(wèn)題，給日常生產(chǎn)生活與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重危害。Whittle 和Shilbottie礦區(qū)[1]閉坑后疏忽治理地下水位上升，被礦區(qū)重金屬污染造成大面積地表水污染。門頭溝煤礦區(qū)[2]因礦井水停止疏通，造成附近地下水污染。如何應(yīng)對(duì)礦山關(guān)閉導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題，全面推進(jìn)礦區(qū)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[3]。重金屬具有毒性強(qiáng)烈、污染持久性、污染源遼闊性和難降解的特點(diǎn)[4-5]，礦區(qū)水環(huán)境的重金屬污染日益受到全世界的關(guān)注。

海州礦曾經(jīng)是亞洲第一、世界聞名的大型露天煤礦，2005年閉坑，但全面的礦山環(huán)境治理一直未能展開(kāi)。2019年在海州露天礦及周邊區(qū)域，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害、水環(huán)境、生態(tài)修復(fù)、資源評(píng)價(jià)等方面，開(kāi)展了全面的調(diào)查工作。

水環(huán)境是制約露天礦及周邊生態(tài)恢復(fù)與重建的關(guān)鍵問(wèn)題，本文以海州露天礦水環(huán)境調(diào)查工作為基礎(chǔ)，開(kāi)展了海州礦及周邊的地下水和地表水重金屬檢測(cè)與評(píng)價(jià)。建立的調(diào)查思路、方法和結(jié)論，可為海州礦區(qū)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為東北地區(qū)其他露天礦的水環(huán)境調(diào)查提供案例和參考依據(jù)。

1 采樣及評(píng)價(jià)方法

1.1 調(diào)查區(qū)域

調(diào)查區(qū)域位于阜新市太平區(qū)和海州區(qū)境內(nèi)，屬城市中心地段，包含露天礦坑、排土場(chǎng)及周邊共55km2的范圍。其中露天礦坑7.02km2，排土場(chǎng)14.0km2，工業(yè)場(chǎng)地3.84km2，住宅及生活設(shè)施2.96km2。露天礦坑和排土場(chǎng)為重點(diǎn)調(diào)查區(qū)，其它為一般調(diào)查區(qū)。

1.2 樣品采集

將水環(huán)境重金屬調(diào)查采樣點(diǎn)分為：淺層地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、礦坑地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3種類型。

(1)部署淺層地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)29點(diǎn)位，其中9個(gè)點(diǎn)位分布在西南部的排土場(chǎng)，9個(gè)點(diǎn)位分布在東北部的露天礦坑，剩余點(diǎn)位散落分布在調(diào)查區(qū)域周邊。每個(gè)點(diǎn)位取水樣1組，共取水樣29組。采樣過(guò)程中，采用水泵抽水的方式取水，取樣前先采用水泵抽水10min，取樣瓶采用聚四氟乙烯塑料瓶以及茶色廣口瓶，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)添加保護(hù)劑，并且做好密封、控溫、避光措施，以保證水樣質(zhì)量。

(2)部署礦坑地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位取水樣1組，共取水樣4組。采集水樣分別來(lái)源于海州礦-200礦井水、海州礦-165礦井水、弘霖礦礦井水、王營(yíng)礦礦井水。

(3)部署地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3點(diǎn)位，分別在細(xì)河、韓家店河、韓家店河支流每個(gè)點(diǎn)位取水樣1組，共取水樣3組。

1.3 評(píng)價(jià)方法

從淺層地下水和礦坑水樣品中檢測(cè)Cu、Ni、Cr+6、Pb、Mn重金屬濃度，以《GB/T 14848-2017地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[6]的Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為最低限制值，按檢測(cè)出的指標(biāo)值所在限值范圍確定地下水類別。

從地表水樣品中檢測(cè)重金屬濃度，根據(jù)《GB/T 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[7]的水質(zhì)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取IV類功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值作為背景值。

2 重金屬污染評(píng)價(jià)

2.1 淺層地下水重金屬污染評(píng)價(jià)

2.1.1 檢測(cè)結(jié)果

淺層地下水中Cu、Ni、Cr+6、Pb、Mn等5種重金屬檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1～圖5。29組樣品的檢測(cè)結(jié)果表明：Cu為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)；Pb有25組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，超標(biāo)率為86.21%；Ni有17組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為58.62%；Cr+6有5組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為17.24%；Mn有6組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為20.69%；結(jié)合《GB/T 14848-2017地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[6]參考限值，鎳、鉛的超標(biāo)率嚴(yán)重，并且是該地區(qū)污染最重的重金屬元素。

2.1.2 主要污染重金屬的空間分布

調(diào)查區(qū)內(nèi)的主要污染指標(biāo)為鎳和鉛。其濃度等值線見(jiàn)圖6和圖7。

從鉛的空間等值線圖中可見(jiàn)，該指標(biāo)在整個(gè)區(qū)域普遍超標(biāo)，鉛污染面積達(dá)到26.5km2左右。調(diào)查地區(qū)95%以上都被污染，并且西南部出現(xiàn)高濃度污染。僅有礦坑與排土場(chǎng)中間區(qū)域沒(méi)有超標(biāo)。由此可知該地的鉛污染非常嚴(yán)重，污染面積廣闊。

從鎳的空間等值線圖中可見(jiàn)，鎳的超標(biāo)區(qū)域主要分布在五龍矸石山、海州礦排土場(chǎng)西側(cè)以及高德矸石山南側(cè)?？傮w來(lái)講，淺層地下水污染物嚴(yán)重區(qū)主要分布在矸石山和排土場(chǎng)附近，Pb在整個(gè)區(qū)域內(nèi)普遍超標(biāo)。

2.2 礦井水重金屬污染評(píng)價(jià)

4組礦井水樣品的重金屬檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。按地下水質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)[6]，Cu的檢出率為50%，且達(dá)到Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)；Cr+6的檢出率為100%，均達(dá)到Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)；Mn、Ni、Pb檢出率為100%，Ni有一組樣品為Ⅳ類或Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為25%；Pb、Mn有三組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為75%。

表1 礦井水重金屬含量表

2.3 地表水重金屬污染評(píng)價(jià)

在3組地表水樣品中，第1、第2組的Cu含量為0，第3組的Cu含量為0.017mg/L；Zn、Cr+6、Pb在3組采樣點(diǎn)的含量如圖8所示。

表2 地表水重金屬水質(zhì)指數(shù)表

通過(guò)水質(zhì)指數(shù)Pi比較，采樣點(diǎn)3中Pb含量為IV類標(biāo)準(zhǔn)限值的1.02倍，為不合格。其余樣品均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2.4 水資源利用分析

根據(jù)水環(huán)境調(diào)查結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)[6～7]中的分類功能對(duì)比，提出水資源利用建議：淺層地下水中，排土場(chǎng)東北部住宅區(qū)采樣點(diǎn)符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，適用于生活、生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等各種用途；其他采樣點(diǎn)均超出地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，需凈化處理后才能用于生活飲用，但可用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)田灌溉和生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域。位于-200m以下的深層礦井水符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，適用于各種用途；其它礦井水適用于工業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域。地表水中，細(xì)河和韓家店河干流水質(zhì)符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，適用于各種用途，韓家店河支流符合Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，適用于一般工業(yè)生產(chǎn)和市政用水。

3 結(jié)論

開(kāi)展了海州露天礦及周邊的水環(huán)境重金屬調(diào)查、檢測(cè)及評(píng)價(jià)，對(duì)類似露天礦水環(huán)境調(diào)查具有較大參考價(jià)值。主要結(jié)論如下：

(1)調(diào)查區(qū)淺層地下水的29組水樣中，有1組為Ⅲ類水，其余均為Ⅳ、Ⅴ類水。Cu為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)；Pb有25組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，超標(biāo)率為86.21%；Ni有17組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為58.62%；Cr+6有5組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為17.24%；Mn有6組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，其余樣品結(jié)果為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)，超標(biāo)率為20.69%。

(2)Pb和Ni為調(diào)查區(qū)的主要污染指標(biāo)。從主要重金屬污染的空間分布來(lái)看，矸石山和排土場(chǎng)附近淺層地下水的污染物含量非常高。

(3)礦井水檢測(cè)樣品中，調(diào)查區(qū)的4組礦坑水均為Ⅴ類水。Cu的檢出率為50%，且達(dá)到Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)；Cr+6的檢出率為100%，均達(dá)到Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類指標(biāo)；Mn、Ni、Pb檢出率為100%，Ni有一組樣品為Ⅳ類或Ⅴ類指標(biāo)，超標(biāo)率為25%；Pb、Mn有三組樣品為Ⅳ、Ⅴ類指標(biāo)，超標(biāo)率為75%。

(4)調(diào)查區(qū)地表水的3組樣品中，一組Pb的含量超標(biāo)，其余樣品均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(5)排土場(chǎng)東北住宅區(qū)的淺層地下水和-200m以下的深層礦井水，適用于各種用途；其它地下水適用于工業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境或農(nóng)田灌溉等領(lǐng)域。河流干流地表水適用于各種用途，韓家店河支流水質(zhì)適用于一般工業(yè)生產(chǎn)和市政用水。