朱仙莊礦區(qū)水體重金屬特征分析與評價(jià)

程 琛,劉佳俊，汪 玲

(1．安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000；2．礦井水資源化利用安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 宿州 234000；3. 宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000； 4. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000)

近年來，隨著各類礦產(chǎn)資源的開發(fā)與加工，對礦區(qū)及其周邊居民生活環(huán)境造成一定程度的影響，尤其對水環(huán)境的影響日益顯現(xiàn)。礦山開采過程中一些對人們生產(chǎn)生活有害的離子會進(jìn)入到礦區(qū)水體環(huán)境，影響水質(zhì)。礦區(qū)周邊通常居民較為集中，周邊農(nóng)田種植及水產(chǎn)養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動較多，因此礦區(qū)水環(huán)境問題可能會導(dǎo)致周邊土壤、農(nóng)作物、養(yǎng)殖水產(chǎn)等重金屬超標(biāo)，重金屬再通過生物富集等方式直接或間接進(jìn)入人體，對人體不同生命組織產(chǎn)生不可逆的危害。礦區(qū)水環(huán)境應(yīng)該引起足夠重視，對礦區(qū)進(jìn)行重金屬污染特征分析和水質(zhì)綜合評價(jià)尤為必要。

張麗娥[1]對廣西大廠錫礦礦區(qū)下游水體—土壤—農(nóng)作物重金屬污染狀況進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，結(jié)果表明河水、水田、蔬菜和大米均受到不同程度的重金屬污染，As、Cd和Pb污染較嚴(yán)重。馬先杰等[2]對貴州錳礦區(qū)地表水體和表層沉積物中Cr、Mn、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg元素進(jìn)行測定，多種評價(jià)方法進(jìn)行重金屬污染程度與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明礦區(qū)地表水和表層沉積物受到重金屬M(fèi)n的嚴(yán)重污染，Hg和Cd是主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。黃茜蕊等[3]對“國家級綠色礦山試點(diǎn)單位”云南玉溪大紅山鐵礦周邊水體進(jìn)行調(diào)查，采用單因子評價(jià)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法評價(jià)，結(jié)果表明所有采樣點(diǎn)的水質(zhì)都為優(yōu)良。劉瑞平等[4]對青藏高原典型金屬礦山河流重金屬污染進(jìn)行研究，對比分析青藏高原金屬礦山勘探、開采、閉坑階段不同開發(fā)階段河流重金屬污染的嚴(yán)重程度。

學(xué)者對各類金屬礦山礦區(qū)周邊水體重金屬已有諸多研究，針對兩淮礦區(qū)煤礦開采對周邊礦區(qū)的影響也有諸多學(xué)者進(jìn)行研究：童柳華[5]、劉勁松[6]、徐良驥[7]、陳軍[8]針對淮南地區(qū)采煤塌陷形成的特殊水體塌陷塘進(jìn)行重金屬元素和部分理化指標(biāo)測定，并運(yùn)用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法等對水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)；李影影[9]、張勇[10]、夏玉婷[11]、程琛[12]對淮北礦區(qū)塌陷水域及流經(jīng)礦區(qū)河流進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)。上述諸多學(xué)者的對礦區(qū)水體的研究多集中在某一類水體，塌陷水域或者河流，很少有就整個(gè)礦區(qū)各類水體整體的研究，本文以淮北礦區(qū)位于宿州東南的朱仙莊煤礦為例，對礦區(qū)內(nèi)及周邊各類水體進(jìn)行采樣測試分析，為礦區(qū)水資源綜合利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及采樣

1.1 采樣點(diǎn)概況

朱仙莊煤礦位于宿州市東南13 km處，屬宿州市埇橋區(qū)管轄，西北距淮北市64 km。其邊界：南與蘆嶺煤礦相鄰，北、東、西均以煤層露頭為界，深部至各煤層-800 m水平線；南北走向長9 km，東西傾向?qū)?.5～5.8 km，面積21.555 km2。研究區(qū)具體位置如圖1所示。

朱仙莊礦區(qū)周邊有多處河溝，礦區(qū)、生活污水均流向河流，礦區(qū)與周邊河流距離均在1公里范圍以內(nèi)，礦區(qū)以西塌陷塘周圍具有以魚類養(yǎng)殖為主的池塘。水域錯綜復(fù)雜，并且各水域相距較近。根據(jù)不同水域功能，將所研究區(qū)域劃分為7個(gè)水域，每片水域采集3組樣品，共設(shè)21個(gè)采樣點(diǎn)。并記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度，繪制采樣點(diǎn)分布圖，如圖2所示。圖2中，水域功能區(qū)A～G代表水體屬性分布為：A—礦區(qū)西部池塘水；B—礦區(qū)西部生活用水；C—重天湖水；D—礦北部河水；E—礦北生活污水；F—洗煤水；G—礦井水。

圖1 研究區(qū)概況

圖2 樣品采集位置點(diǎn)分布

1.2 水樣預(yù)處理

根據(jù)朱仙莊四面環(huán)水的環(huán)境特性，周邊居民居住分布不均勻等特點(diǎn)，實(shí)施了以朱仙莊煤礦為圓心向四周擴(kuò)散的水樣采集方法，對采樣區(qū)域進(jìn)行布點(diǎn)取樣。現(xiàn)場采集水樣中加入HNO3進(jìn)行酸化確保重金屬離子成離子狀態(tài)，4 ℃低溫儲存，并在48小時(shí)內(nèi)完成水質(zhì)檢測。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

北京普析公司TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)和PF6-2多道全自動原子熒光光度計(jì)，德國赫默Z32HK高速冷凍離心機(jī)，合肥金尼克機(jī)械制造有限公司JK-100B型超聲清洗機(jī)、抽濾裝置及實(shí)驗(yàn)室常用玻璃儀器。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

重金屬Ni、Cd、Cr、Pb含量由北京普析公司TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)測定，儀器方法選擇原子吸收石墨爐法；重金屬Hg、As含量由北京普析公司PF6-2原子熒光分光光度計(jì)測得，采用多通道同時(shí)測定。

2.3 分析方法

對重金屬污染評價(jià)采用單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法。

(1)

(2)

式中：P為綜合污染指數(shù)；Pi為第i個(gè)污染物的污染指數(shù)；Ci代表第i個(gè)污染物的實(shí)測濃度；Si表示第i個(gè)污染物的標(biāo)準(zhǔn)濃度。當(dāng)計(jì)算單因子污染指數(shù)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)濃度的選擇依據(jù)相對應(yīng)等級的上限；n表示污染物的種類。

3 結(jié)果與分析

3.1 重金屬污染特征

根據(jù)各水域的具體情況，結(jié)合國內(nèi)外地表水環(huán)境中普遍認(rèn)為對生態(tài)環(huán)境有重要影響的Ni、Cd、Cr、Pb、Hg、As重金屬元素進(jìn)行了測定，環(huán)境背景值選擇長江河源區(qū)水環(huán)境背景值調(diào)查結(jié)果[13-14]，各重金屬含量如表1所示。

由表1可知，與長江河源區(qū)水體環(huán)境背景值相比，所測水域水樣中Ni、Cd、Pb、Hg四種重金屬含量均超過環(huán)境背景值，超出倍數(shù)幾倍至百倍，其中Cd元素超出環(huán)境背景值倍數(shù)最多，最高達(dá)118倍。部分水域的Cr、As含量超出背景值，多數(shù)水樣測試值在環(huán)境背景值以下。長江河源區(qū)作為未受人類活動影響的水體環(huán)境，這幾種金屬元素均有不同程度的超標(biāo)，表明其受人類活動影響比較嚴(yán)重。

由表1中所列各重金屬含量及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)中五類水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，對比可知：所有水樣中重金屬Hg含量均超出 Ⅲ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，多數(shù)水樣Ni含量超出 Ⅲ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，部分水樣中Cd含量超出 Ⅲ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，部分水樣Cr含量和多數(shù)水樣Pb含量達(dá)到 Ⅲ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)水樣中Cr元素和全部水樣中As元素所測濃度均遠(yuǎn)低于 Ⅲ 類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值，達(dá)到 Ⅰ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水域功能區(qū)重金屬含量 單位：μg/L

結(jié)合采樣點(diǎn)分布情況來看，礦區(qū)中有關(guān)煤礦開采和生產(chǎn)的水體中Hg含量最高，距離生產(chǎn)區(qū)較遠(yuǎn)的生活區(qū)水體中Hg明顯降低。導(dǎo)致的原因一方面是礦區(qū)生產(chǎn)過程中礦井水及洗煤水的排放對地表水產(chǎn)生影響，另一方面礦區(qū)生活用水取自地下水，生活區(qū)水樣Hg含量符合地質(zhì)礦產(chǎn)區(qū)域地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(DZ/T 0290-2015)和地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848-2017)中 Ⅲ 類飲用水水質(zhì)要求。

3.2 單因子污染指數(shù)法

采用單因子污染指數(shù)法對所測水域進(jìn)行水體污染評價(jià)，由于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水質(zhì)可作為礦區(qū)水域功能區(qū)劃分的明顯界限，所以將其標(biāo)準(zhǔn)限值作為標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算單因子污染指數(shù)。污染指數(shù)范圍所對應(yīng)的污染水平分為五個(gè)等級：P≤0.7，水體清潔；P=0.7～1.0，水體較清潔；P=1.0～2.0，水體輕污染；P=2.0～3.0，水體中污染；P>3.0，水體重污染。計(jì)算所得單因子指數(shù)及污染水平見表2。

由表2可知：A～G水域中，Hg含量均超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屬于污染水平，其中A、B、C和D四塊水域?qū)儆谳p度污染，E、F和G三塊水域Hg污染情況較為嚴(yán)重，分別達(dá)到了中度污染、中度污染和重污染水平。各重金屬元素污染程度Hg>Ni>Cd，污染水平各有差異；A～G水域均未受到Cr、Pb和As的污染，水體達(dá)到清潔水平。A～D水域?qū)儆谳p污染等級；E、F水域?qū)儆谥卸任廴镜燃?；G水域?qū)儆谥囟任廴镜燃墶?/p>

表2 單因子污染指數(shù)及污染水平

3.3 綜合污染指數(shù)法

采用綜合污染指數(shù)法對采樣水域進(jìn)行污染評價(jià)，綜合污染指數(shù)范圍所對應(yīng)的污染水平分為六個(gè)等級：P≤0.2，水體清潔；P=0.2～0.4，水體尚清潔；P=0.4～0.7，水體輕污染；P=0.7～1.0，水體中度污染；P=1.0～2.0，水體重度污染；P>2.0，水體嚴(yán)重污染。根據(jù)功能區(qū)水域水樣中重金屬含量及表2中單因子指數(shù)得到綜合污染指數(shù)及污染水平，如表3所示。

由表3可知朱仙莊礦區(qū)采樣水域水體總體污染情況：E、F和G水域水體處于重度污染水平，這與水樣所屬功能區(qū)一致，E、F和G水域分別為礦區(qū)生活污水、洗煤廢水和礦井作業(yè)排出地表的礦井水；C、D水域?qū)儆谥卸任廴舅w，符合水產(chǎn)養(yǎng)殖、靠近生活污水排放區(qū)域的特點(diǎn)；A、B水域?qū)儆谳p度污染水體，水體較清潔，存在個(gè)別檢測項(xiàng)目超標(biāo)導(dǎo)致水體處于輕度污染水平。相比重度污染水域，其他水域污染較輕可以從人工管理、地下水深度、河流流向以及距離礦區(qū)生產(chǎn)區(qū)遠(yuǎn)近等角度分析。

表3 綜合污染指數(shù)及污染水平

4 結(jié)論與建議

(1)水樣中重金屬Hg均超出地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ類水體主要適用于工業(yè)用水及人體非直接接觸的娛樂區(qū)用水，作為生活用水來源的A和B功能區(qū)， Hg含量是所測水域水樣含量最低值，是符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值要求0.001 mg/L，但建議經(jīng)處理后再使用。建議選擇凈水處理裝置降低重金屬含量，以防長時(shí)間飲用對人體肝、腎、神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)造成重大損傷[15]。在重天湖的養(yǎng)殖水中平均含量達(dá)到0.0002 mg/L，符合國家魚業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Hg≤0.0005 mg/L，但部分湖水水樣不符合Cd≤0.005 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。所有水域水樣均符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中Hg≤0.001 mg/L、Cd≤0.01 mg/L的規(guī)定，所有水體均適合用于農(nóng)田灌溉。

(2)通過單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)法分析朱仙莊礦區(qū)各水域功能區(qū)污染狀況，得到重金屬元素污染程度Hg>Ni>Cd，其中水體中Hg元素貢獻(xiàn)最大，各功能水域中水樣越靠近煤礦生產(chǎn)區(qū)汞離子含量越高，污染越嚴(yán)重。兩種評價(jià)方法得到水質(zhì)狀況基本一致，且與功能區(qū)劃分一致：礦區(qū)西部用于居民生活用水的水域A和B水體較清潔，滿足要求；C和D水域距離煤礦開采和生產(chǎn)區(qū)較近，湖水和流經(jīng)河流均受到影響，水體處于中度污染水平；E、F和G為礦區(qū)生活生產(chǎn)廢水，水質(zhì)為重度污染。建議根據(jù)水域功能區(qū)劃分及水質(zhì)評價(jià)結(jié)果，對相應(yīng)水質(zhì)進(jìn)行處理后排放或再利用，尤其對整體水質(zhì)狀況較好單個(gè)污染因子超標(biāo)情況進(jìn)行針對性處理，以期達(dá)到礦區(qū)水資源合理綜合利用和緩解礦區(qū)水資源緊張困境。