朱仙莊礦區(qū)水化學(xué)特征分析與水質(zhì)評(píng)價(jià)

程 琛，劉佳俊，汪 玲

1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州,234000；2.安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽宿州,234000;3.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；4.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南,232000

近年來(lái)，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題日益凸顯[1-4]，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行治理與修復(fù)，走綠色礦業(yè)發(fā)展之路是新時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)與要求[5-7]。煤礦作為重要的能源礦產(chǎn)，其開(kāi)采及選礦生產(chǎn)對(duì)周邊農(nóng)田、河流、居民生產(chǎn)生活都會(huì)產(chǎn)生影響[8-10]，尤其對(duì)水環(huán)境的影響日益顯現(xiàn)。煤礦水環(huán)境較為復(fù)雜，有礦井開(kāi)采外排水[11]、礦井水[12]、河流水[13]、塌陷塘[14]等水體，對(duì)各類水體進(jìn)行研究也是諸多學(xué)者對(duì)礦區(qū)環(huán)境研究的重要方面。兩淮礦區(qū)是我國(guó)大型煤炭基地之一，礦山企業(yè)較為密集，礦區(qū)水環(huán)境復(fù)雜，對(duì)礦區(qū)水環(huán)境常見(jiàn)研究有水化學(xué)特征分析、重金屬污染特征分析、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等[15-19]。謝毫等[20]對(duì)兩淮礦區(qū)潘謝礦區(qū)和臨渙礦區(qū)主要含水層水化學(xué)特征差異進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn)兩淮礦區(qū)水化學(xué)特征和離子來(lái)源在空間上均有一定差異性。黃望望[21]等對(duì)淮南新集礦區(qū)深層地下水水化學(xué)特征及成因進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)砂巖水為高礦化度水，水化學(xué)類型主要為Cl-Na型，太灰水多為中礦化度水，水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl-Na型和Cl-Na型。夏玉婷[22]研究了宿東礦區(qū)塌陷塘水化學(xué)特征、重金屬含量變化，并開(kāi)展重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。

當(dāng)前對(duì)礦區(qū)水體的研究多集中在某一類水體的研究，缺少將礦區(qū)各功能性水域作為整體進(jìn)行研究。本文以安徽淮北礦區(qū)的朱仙莊煤礦為例，對(duì)礦區(qū)內(nèi)及周邊各類水體進(jìn)行采樣、測(cè)試、分析與評(píng)價(jià)，為礦區(qū)水資源綜合利用提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況及水樣采集

1.1 采樣點(diǎn)概況

朱仙莊煤礦位于安徽省宿州市東南13 km處，西北距淮北市64 km。其南與蘆嶺煤礦相鄰，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(zhǎng)9 km，東西傾向?qū)?.5 km～5.8 km，面積21.555 km[23]。研究區(qū)具體位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況

朱仙莊礦區(qū)周邊河、塘較多，礦區(qū)生產(chǎn)水體及生活污水均流向河流，礦區(qū)以西的塌陷塘周邊有以魚類養(yǎng)殖為主的池塘。水域錯(cuò)綜復(fù)雜，并且各水域相距較近。根據(jù)水域功能不同，將所研究區(qū)域劃分為七個(gè)水域，每片水域采集3組樣品，共設(shè)21個(gè)采樣點(diǎn)。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 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)水的特征，周邊居民居住分布不均勻的特點(diǎn)，對(duì)區(qū)域進(jìn)行采樣時(shí)，以朱仙莊煤礦為圓心向四周擴(kuò)散采集水樣，進(jìn)行有間隔的多次隨機(jī)取樣。水樣采集后立即送至安徽省礦井水資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理和測(cè)試：對(duì)常規(guī)測(cè)試水樣進(jìn)行0.22 μm濾膜抽濾后低溫冰箱保存，并48 h內(nèi)完成測(cè)試；對(duì)酸堿滴定的水樣24 h內(nèi)進(jìn)行滴定；對(duì)測(cè)試重金屬的水樣加入HNO3進(jìn)行酸化確保重金屬元素成離子狀態(tài)，4 ℃冷藏避光保存，并在48 h內(nèi)完成水質(zhì)檢測(cè)。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

美國(guó)賽默飛公司ICS-900型和ICS-600型離子色譜儀：AS19陰離子交換柱(250 mm×4 mm)、AG19陰離子保護(hù)柱(50 mm×4 mm)、CS12陽(yáng)離子交換柱(250 mm×4 mm)、CG12陽(yáng)離子保護(hù)柱(50 mm×4 mm)、AS-DV自動(dòng)進(jìn)樣器、RF30淋洗液發(fā)生裝置、Chromeleon 7色譜工作站。北京普析公司TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)；北京普析公司PF6-2原子熒光分光光度計(jì)；德國(guó)賀默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)、抽濾裝置等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

水樣中常規(guī)離子F-、Cl-、NO3-、SO42-、Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+含量由離子色譜儀測(cè)定；CO32-和HCO3-由傳統(tǒng)滴定方法測(cè)得；重金屬Ni、Cd、Cr、Pb含量的測(cè)定采用原子吸收石墨爐法；重金屬Hg、As含量采用原子熒光光譜儀測(cè)定。

2.3 分析方法

利用Aqua Chem3.7軟件對(duì)所測(cè)常規(guī)陰陽(yáng)離子進(jìn)行水化學(xué)特征分析，得到常規(guī)離子特征Piper 三線圖。以所測(cè)常規(guī)陰陽(yáng)離子和重金屬為評(píng)價(jià)因子進(jìn)行內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，用綜合污染指數(shù)法和分級(jí)型指數(shù)法進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1 水化學(xué)類型分析

利用水化學(xué)軟件AquaChem對(duì)水樣中主要陰離子(Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-)和陽(yáng)離子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖，得到Piper三線圖，如圖3所示。

圖3 主要陰陽(yáng)離子Piper三線圖

圖3中Na代表Na+和K+濃度總和所占的每升毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)，HCO3代表HCO3-和CO32-之和。由圖可知：陽(yáng)離子主要沿著Na-Mg一端分布且靠近Na端，表明主要陽(yáng)離子為Na+，Mg2+和Ca2+濃度不高；陰離子沿以HCO3-Cl一端分布且靠近HCO3端，故主要陰離子為HCO3-，其次為Cl-和SO42-。水化學(xué)類型有Na-HCO3-Cl-SO4型和Na-Mg-HCO3-Cl型并以Na-HCO3-Cl-SO4為主，這與Piper三線圖中離子分布特征及實(shí)際測(cè)試水樣濃度結(jié)果一致。

3.2 水質(zhì)特征分析

圖4 朱仙莊礦區(qū)水樣中離子濃度變化

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中五類水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值和補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)各離子濃度大小，對(duì)礦區(qū)水體單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)等級(jí)分類，數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析及水質(zhì)等級(jí)如表1所示。

表1 水體各元素含量分析

由表1可知,NO3-、NH4+、Cr、As濃度變異系數(shù)較大，與圖4曲線波動(dòng)一致，其中Cr變異系數(shù)高達(dá)2.04較易從圖中看出，其余離子由于圖中縱坐標(biāo)范圍較大本身濃度較低圖中反映不明顯；F-和NH4+離子濃度超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)較高，達(dá)到劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合水樣分布特點(diǎn)，超標(biāo)水樣均來(lái)自礦區(qū)水域功能劃分的生活污水，即E-礦北生活污水；由各離子最大值和最小值所屬水域可以看出，最大值多數(shù)出現(xiàn)在各類廢水排出水域，即E-礦北生活污水、F-洗煤廢水或G-礦井排水，最小值多數(shù)出現(xiàn)在人工干擾較少的自然水體區(qū)域，即A-礦區(qū)西部池塘水或B-礦區(qū)西部生活用水。

3.3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

選擇F-、Cl-、NO3-、SO42-、NH4+、Ni、Cd、Cr、Pb、Hg、As共11種離子作為評(píng)價(jià)因子，采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)礦區(qū)水體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算過(guò)程及計(jì)算公式如下：

內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算公式：

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合各評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)濃度及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中各類水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，根據(jù)表2中內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及其對(duì)應(yīng)的污染水平，計(jì)算得到朱仙莊礦區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，如表3所示。

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

由表3可知，礦區(qū)整體水質(zhì)呈現(xiàn)輕污染狀態(tài)，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為1.61；以各功能區(qū)水域?yàn)楠?dú)立單元進(jìn)行內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算時(shí)，除B-礦區(qū)西部生活用水和G-礦井排水水質(zhì)清潔、E-礦北生活污水為重度污染水體外，其他水域均為輕度污染水體，與礦區(qū)整體水質(zhì)評(píng)價(jià)一致。礦區(qū)對(duì)水質(zhì)貢獻(xiàn)最大的污染因子分別為NH4+、F-、NO3-和Ni，以單個(gè)評(píng)價(jià)因子為整體得到內(nèi)梅羅指數(shù)分別為4.57、2.52、1.94和0.77；而以各水域功能區(qū)為單元時(shí)，這四種離子的污染權(quán)重為NH4+>NO3->F->Ni，最大指數(shù)分別為5.15、2.66、0.93和0.91。

通過(guò)Origin軟件擬合污染影響最大兩種因子NH4+和NO3-相關(guān)性，如圖5所示。

圖5 部分水樣中與相關(guān)性分析

由圖5可知， NO3-濃度在標(biāo)準(zhǔn)限值10 mg/L內(nèi)，NH4+與之相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8以上。NH4+和NO3-兩種離子濃度較高的功能水域分別為E-礦北生活污水和A-礦區(qū)西部池塘水，可能與微生物活動(dòng)及水產(chǎn)養(yǎng)殖有關(guān)。由于G-礦井排水微生物活動(dòng)微弱，NH4+和NO3-含量低，濃度高的HCO3-、Na+不作為污染指標(biāo)不進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，參與水質(zhì)評(píng)價(jià)的重金屬Hg、Ni均以實(shí)測(cè)濃度標(biāo)準(zhǔn)上限Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，單因子結(jié)果較小，因子權(quán)重較小，最終計(jì)算出的綜合污染指數(shù)小于1.0，水質(zhì)污染水平為清潔。

3.4 其他評(píng)價(jià)方法

采用綜合污染指數(shù)法和分級(jí)型指數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果。

表4 綜合污染指數(shù)法和分級(jí)型指數(shù)法等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)各評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)濃度值及其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)合表4等級(jí)劃分得到各功能水域及礦區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，如表5所示。

表5 綜合污染指數(shù)法和分級(jí)型指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論與建議

通過(guò)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)礦區(qū)整體水質(zhì)進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，計(jì)算得到綜合污染指數(shù)為1.61，水體屬于輕污染水平。B-礦區(qū)西部生活用水和G-礦井排水水質(zhì)清潔，E-礦北生活污水為重度污染，其他水域與礦區(qū)整體水質(zhì)評(píng)價(jià)一致。礦區(qū)對(duì)水質(zhì)貢獻(xiàn)最大的污染因子NH4+>NO3->F->Ni，最大指數(shù)分別為5.15、2.66、0.93和0.91。NH4+和NO3-離子濃度在一定范圍內(nèi)，存在相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82。

綜合污染指數(shù)中單因子平均指數(shù)NH4+>F->Cd，分級(jí)型指數(shù)法單因子分值評(píng)分較低的有F-、NH4+、Hg和Ni；綜合污染指數(shù)法和分級(jí)型指數(shù)法得到結(jié)論與內(nèi)梅羅指數(shù)法所得礦區(qū)水質(zhì)結(jié)論一致，水質(zhì)均為輕污染水平，水質(zhì)評(píng)價(jià)因子F-、NH4+均為主要影響因子，三種評(píng)價(jià)方法對(duì)于不同功能區(qū)水域評(píng)價(jià)結(jié)果，至少有兩種保持一致。