沙地生態(tài)脆弱區(qū)礦井水資源灌溉適宜性評(píng)價(jià)

王甜甜，楊 建，趙 偉

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；3.西安中地環(huán)境科技有限公司，西安710077）

0 引 言

目前，我國(guó)煤礦97%以上以井工開(kāi)采為主[1]，在開(kāi)采過(guò)程中為保障井下生產(chǎn)安全必須大量疏排地下水形成礦井水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每開(kāi)采1 t 原煤約產(chǎn)生2 t 礦井水[2,3]，同時(shí)受采掘、運(yùn)輸和人為活動(dòng)的影響，礦井水極易受到污染[4.5]，常含有懸浮物、硫酸根、鹽分、重金屬等污染物[6]。污染的礦井水直接外排污染地表水及地下水、影響植物生長(zhǎng)、破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[7]。我國(guó)西部煤炭生產(chǎn)區(qū)水資源短缺、地表植被稀疏、生態(tài)環(huán)境脆弱[8]。若將礦井水用于生態(tài)灌溉，可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源利用與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。但是污染的礦井水若未經(jīng)處理直接用于植被灌溉，懸浮物可破壞土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使土壤板結(jié)；鹽分超標(biāo)會(huì)造成植物細(xì)胞缺水枯黃，而且長(zhǎng)期使用高鹽水灌溉，引起土壤鹽漬化[9]；重金屬難以降解，易在土壤中富集，并通過(guò)土壤-植物-動(dòng)物-人類(lèi)逐級(jí)遷移，威脅人體健康。因此，在利用礦井水進(jìn)行生態(tài)灌溉之前，進(jìn)行生態(tài)灌溉適宜性評(píng)價(jià)十分必要。

目前，針對(duì)礦井水資源灌溉適宜性評(píng)價(jià)的研究較少。E.B.戈里高留克[10]利用鈉吸收比分析了礦井水灌溉農(nóng)田的可行性；翟建平[11]利用農(nóng)業(yè)灌溉標(biāo)準(zhǔn)與礦區(qū)原水、再生水和清水的水質(zhì)對(duì)比，分析其對(duì)土壤性能和土壤微生物影響；石金芳[12]主要利用EC、SAR、Na%和KI指數(shù)分析煤礦排水對(duì)農(nóng)田灌溉的適宜性；前人的研究為礦井水資源的利用及灌溉提供了新的思路，但是在灌溉可行性評(píng)價(jià)方面考慮因素單一，缺少綜合性的分析與評(píng)價(jià)。而礦井水水環(huán)境是一個(gè)充滿(mǎn)不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，礦井水中存在多種污染物，所以?xún)H以鹽分為主要因素去評(píng)價(jià)礦井水灌溉的可行性比較片面。礦井水灌溉適宜性評(píng)價(jià)其實(shí)質(zhì)是礦井水是否對(duì)土壤產(chǎn)生不良影響，即有無(wú)鹽堿危害；是否破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤的滲透性[13]；是否鈉含量超標(biāo)，影響作物生長(zhǎng)；是否重金屬超標(biāo)，威脅地下水水質(zhì)安全。

本文以典型的沙地生態(tài)脆弱區(qū)敏東一礦為例，采用鹽度危害性（S）、堿危害性（SAR）、滲透性指數(shù)（PI）、可溶性鈉含量（SSP）與重金屬污染指數(shù)（HPI）對(duì)多源礦井水資源進(jìn)行灌溉適宜性評(píng)價(jià)，然后在此基礎(chǔ)上采用極限條件法確定各類(lèi)礦井水資源的最終適宜性。以期為研究區(qū)進(jìn)行礦井水資源灌溉提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

敏東一礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，屬于沙地生態(tài)脆弱區(qū)[14]，其土壤質(zhì)地粗疏，且受過(guò)度放牧和礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)的影響，沙化日益嚴(yán)重，植被覆蓋率逐年下降，造成區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型單一，多以天然干草場(chǎng)為主，草場(chǎng)覆蓋率約為50%～70%。礦區(qū)周邊僅在伊敏河附近存在農(nóng)田，多以旱地為主。

敏東一礦設(shè)計(jì)規(guī)模為500 萬(wàn)t/a，主采16-3 煤層，主要含水層自上至下依次為：第四系砂礫石含水層（第四系含水層）、15 煤層組頂板及層間砂礫巖、砂巖含水巖組（Ⅰ含水層）、16煤層組頂板礫巖、砂礫巖含水巖組（Ⅱ含水層）和16煤層間礫巖、砂礫巖含水巖組（Ⅲ含水層）。

根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，礦井水主要來(lái)源于直接充水水源（Ⅲ含水層）和間接充水水源（Ⅱ含水層、Ⅰ含水層及第四系含水層），其通過(guò)充水通道（“天窗”、斷層和導(dǎo)水裂隙帶）或疏放等形式進(jìn)入井下，之后在采空區(qū)、工作面和巷道中局部匯集（其間也包含生產(chǎn)廢水的匯集），然后再通過(guò)自流或抽排的形式匯入水倉(cāng)中，再由水泵抽排至地表，經(jīng)處理后排入排水溝中。敏東一礦礦井水匯排過(guò)程，如圖1所示。

圖1 敏東一礦礦井水匯排過(guò)程圖Fig.1 Mindong No.1 mine water convection process diagram

1.2 取樣與檢測(cè)

為全面了解敏東一礦多源礦井水資源水質(zhì)是否可以用于灌溉，分別采集充水水源、井下不同位置及地表水溝水樣。其中：充水水源10組（第四系含水層3組、Ⅰ含水層2組、Ⅱ含水層3 組、Ⅲ含水層2 組）、采煤過(guò)程5 組（采空區(qū)2 組、工作面2組、巷道1組）、水倉(cāng)1組、排水溝1組，共計(jì)17組，采樣點(diǎn)位置分布圖如圖2所示。

圖2 敏東一礦水樣分布圖Fig.2 Sampling location of Mindong No.1 mine

水樣選用2 L 塑料瓶采集，采樣前用待取水樣潤(rùn)洗2～3次，采樣后，經(jīng)初級(jí)沉淀過(guò)濾處理后密封，標(biāo)注取樣地點(diǎn)與日期，送往至陜西工勘院環(huán)境檢測(cè)有限責(zé)任公司，按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)包括常規(guī)離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO-3、SO2-4、Cl-)檢測(cè)及重金屬（Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、As、Se、Cd、Cr6+、Pb）檢測(cè)。

1.3 研究方法

礦井水資源灌溉適宜性評(píng)價(jià)，主要是分析礦井水資源進(jìn)行生態(tài)灌溉是否對(duì)土壤和農(nóng)作物產(chǎn)生不良反應(yīng)，即是否產(chǎn)生鹽漬化危害，這不僅與土壤自身特征有關(guān)，還與水體中各離子的含量以及它們之間的組合比例有關(guān)[14]。因此，本文對(duì)各類(lèi)礦井水源進(jìn)行灌溉適宜性評(píng)價(jià)，主要包括：鹽度危害性（S）、堿危害性（SAR）、可溶性鈉含量（SSP）、滲透性指數(shù)（PI）與重金屬污染指數(shù)（HPI）分析，然后在此基礎(chǔ)利用極限條件法確定各類(lèi)礦井水資源的最終適宜性。礦井水生態(tài)灌溉可行性評(píng)價(jià)流程如圖3所示。

圖3 多源礦井水資源灌溉適宜性評(píng)價(jià)流程圖Fig.3 Irrigation suitability evaluation flow chart of multi-source mine water resources

（1）鹽度危害性（S）。鹽度危害性（S）表示水體中Cl-和鹽類(lèi)可能發(fā)生的最大危害含量，當(dāng)S＞10～15 mmol／L時(shí)，大多數(shù)植物苗期會(huì)受到抑制[15]。其計(jì)算公式如下：

式中：Na+、Cl-、SO2-4濃度單位均以mmol/L表示。

（2）堿危害性（SAR）。堿危害性（SAR）為鈉吸附比[16]，表示Na+和土壤交換反應(yīng)的相對(duì)活度，用以衡量灌溉水造成土壤堿化的程度，根據(jù)《城市污水再生利用綠地灌溉水質(zhì)》(GBT25499-2010)標(biāo)準(zhǔn)要求，土壤堿化程度SAR≤9，則不會(huì)造成土壤堿化[17]。其計(jì)算公式如下：

式中：Na+、Ca2+、Mg2+濃度單位均以mmol/L表示。

（3）可溶性鈉含量（SSP）。當(dāng)灌溉水中Na+含量較高時(shí)會(huì)引起土壤中Na+積累，使得水中Na+交換黏土顆粒吸附的Ca2+和Mg2+，導(dǎo)致土壤滲透性降低，土壤水分運(yùn)移受阻[18]，當(dāng)SSP＞60%時(shí)，則不宜用于農(nóng)田灌溉[19]。SSP計(jì)算公式如下：

式中：Na+、K+、Ca2+、Mg2+濃度單位均以mmol/L表示。

（4）滲透性指數(shù)（PI）。長(zhǎng)期使用高鹽灌溉水會(huì)影響土壤滲透性，因此需要滲透性指數(shù)（PI）判斷水體對(duì)土壤滲透性的影響[18]。如果水體PI＞70%則不會(huì)影響土壤滲透性，PI＜25%則會(huì)影響土壤滲透性[20]。其計(jì)算公式如下：

式中：Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3濃度單位均為meq/L。

（5）重金屬污染指數(shù)（HPI）。采煤活動(dòng)一般會(huì)使水體受到含有重金屬煤層的影響，導(dǎo)致其重金屬含量增加。重金屬污染指數(shù)（HPI）[21,22]表示重金屬在水體中的總質(zhì)量，是以加權(quán)算術(shù)平均值為基礎(chǔ)，對(duì)水體中重金屬產(chǎn)生的水質(zhì)污染影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。利用HPI分析各類(lèi)礦井水重金屬的污染程度，可以反映其重金屬對(duì)土壤的毒害，通常取HPI臨界污染指數(shù)為100，當(dāng)HPI＞100時(shí)，則認(rèn)為該水體中重金屬污染程度已超出其承受的最高水平，會(huì)對(duì)農(nóng)田產(chǎn)生一定的影響。其計(jì)算公式如下：

式中：wi為第i個(gè)重金屬指標(biāo)的權(quán)重，wi=k/Si，k為比例常數(shù)，通常取1；qi為第i個(gè)重金屬指標(biāo)的質(zhì)量等級(jí)指數(shù)。

式中：mi為水體中重金屬的實(shí)際檢測(cè)濃度值，mg/L；Si為重金屬指標(biāo)的最大限值，可選用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)規(guī)定的Ⅳ類(lèi)限值，因?yàn)椤阿纛?lèi)地下水”適用于農(nóng)業(yè)用水，mg/L；Ii為重金屬指標(biāo)的理想值，可選用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)規(guī)定的Ⅲ類(lèi)限值，因?yàn)椤阿箢?lèi)地下水”適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦井水水質(zhì)分析

礦井水水質(zhì)特征分析是礦井水生態(tài)灌溉評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)與前提，對(duì)研究區(qū)的礦井水、間接充水水源及直接充水水源中常規(guī)離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO-3、SO2-4、Cl-)及重金屬（Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、As、Se、Cd、Cr6+、Pb）進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 礦井水常規(guī)離子檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Results of conventional ion detection in mine water

表2 重金屬污染指數(shù)（HPI）評(píng)價(jià)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Heavy metal pollution index(HPI)evaluation index test results

17 組水樣中主要的陽(yáng)離子為Na+，其質(zhì)量濃度為22.91～271.42 mg/L，且礦井水及其直接充水水源中Na+質(zhì)量濃度大于礦井水間接充水水源，所有水樣中Ca2+、K+、Mg2+的質(zhì)量濃度較小，平均質(zhì)量濃度均小于10 mg/L，主要的陰離子為HCO3-，質(zhì)量濃度為114.70～663.14 mg/L，其次為Cl-和SO42-。

通過(guò)將研究區(qū)水樣中重金屬質(zhì)量濃度與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)及《城市污水再生利用綠地灌溉水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T19772-2005）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，十種重金屬中Hg、As、Se、Cd、Cr6+5 種重金屬質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于Ⅲ類(lèi)限值，證明研究區(qū)未遭受Hg、As、Se、Cd、Cr6+五種重金屬的污染。僅Fe、Mn、Zn、As、Pb 五種重金屬質(zhì)量濃度超過(guò)Ⅲ類(lèi)限值，其中，F(xiàn)e 和Zn 的超標(biāo)率較高，17 組水樣中9 組水樣中Fe 的質(zhì)量濃度大于0.3 mg/L，且05 工作面2 水樣中Fe 的質(zhì)量濃度高達(dá)36.02 mg/L；同樣，9組水樣中Zn的質(zhì)量濃度大于1 mg/L，且間接充水水源及礦井水中Zn的質(zhì)量濃度均超過(guò)1 mg/L。因此選擇Fe、Mn、Zn、As、Pb 5種重金屬作為HPI模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 礦井水生態(tài)灌溉適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(1)～(6)分別對(duì)各類(lèi)礦井水資源進(jìn)行鹽度危害性（S）、堿危害性（SAR）、可溶性鈉含量（SSP）、滲透性指數(shù)（PI）與重金屬污染指數(shù)（HPI）計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制評(píng)價(jià)指標(biāo)柱狀圖（圖4）。

由圖4（a）可知，17 組水樣鹽度危害性（S）為0.12～5.60 mmol/L，均小于10 mmol/L，說(shuō)明各類(lèi)礦井水源鹽度均符合要求，直接進(jìn)行灌溉不會(huì)抑制植物生長(zhǎng)。

由圖4（b）和圖4（c）可知，17 組水樣堿危害性（SAR）為0.76～32.40，可溶性鈉含量（SSP）為27.31～97.26，其中直接充水水源、采空區(qū)、工作面、巷道、水倉(cāng)水樣評(píng)價(jià)結(jié)果分別為13.29～32.40、91.13～97.26，均大于適宜限值（9 和60），說(shuō)明水體中的堿含量、可溶性鈉含量偏高，不適宜生態(tài)灌溉。因?yàn)椋魱|一礦礦井水主要來(lái)源于Ⅲ含水層的疏放，而Ⅲ含水層由于埋深較大，地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件比上覆含水層較弱，致使水體中的Na+質(zhì)量濃度較高，進(jìn)而導(dǎo)致可溶性鈉含量偏高，同時(shí)采空區(qū)、工作面、巷道、水倉(cāng)等礦井水評(píng)價(jià)結(jié)果也受其影響。而地面水溝水樣為水處理后的排放水，因此該水體的評(píng)價(jià)結(jié)果為適宜。

圖4 礦井水資源灌溉適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Evaluation results of suitability of mine water resources for irrigation

由圖4（d）可知，滲透性指數(shù)（PI）為53.33～136.36，均大于25，大部分水樣評(píng)價(jià)結(jié)果大于70%，為適宜灌溉，只有部分第四系含水層水樣評(píng)價(jià)結(jié)果在25～70，為比較適宜灌溉。說(shuō)明各類(lèi)礦井水源長(zhǎng)期進(jìn)行灌溉對(duì)土壤滲透性不會(huì)造成影響。

由圖4 （e） 可知，重金屬污染指數(shù)（HPI） 在7.44～448.81，礦井水間接水源HPI值小于100，適宜灌溉，但是直接充水水源及礦井水，HPI值均遠(yuǎn)大于100，不適宜灌溉。這是由于Ⅲ含水層及礦井水中重金屬Fe、Zn、Mn、AS等重金屬質(zhì)量濃度較高，超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ限值。

為綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)水樣灌溉適宜性，對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果使用極限條件法，即根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果中最差的指標(biāo)確定灌溉的適宜性，極限條件法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。由結(jié)果可知，直接充水水源、采空區(qū)、工作面、巷道、水倉(cāng)水樣均不適宜農(nóng)田灌溉，長(zhǎng)期灌溉會(huì)嚴(yán)重威脅植物的生長(zhǎng)安全，而間接充水水源和可用于生態(tài)灌溉。由此說(shuō)明，敏東一礦淺部含水層（第四系含水層、Ⅰ含水層、Ⅱ含水層）水質(zhì)符合植被灌溉要求，而深部含水層（Ⅲ含水層）和井下采煤過(guò)程疏放水、生產(chǎn)廢水和水倉(cāng)水由于受地層礦物溶濾、采煤活動(dòng)等因素的影響，其水質(zhì)無(wú)法達(dá)到植被灌溉要求，所以對(duì)于這類(lèi)礦井水樣必須進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后灌溉，不可直接用于灌溉。

表3 極限條件法確定最終灌溉適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Limit condition method to determine the final evaluation results of irrigation suitability

3 結(jié) 論

（1）研究區(qū)水樣中主要陽(yáng)離子為Na+，陰離子為HCO3-，礦井水直接充水水源及礦井水中Fe、Mn、Zn、As、Pb 5 種重金屬質(zhì)量濃度較高，超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ限值及《城市污水再生利用綠地灌溉水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)。

（2）敏東一礦各類(lèi)礦井水資源中只有直接充水水源、采空區(qū)、工作面、巷道和水倉(cāng)水樣的SAR（13.29～32.40）和SSP（91.13～97.26）及礦井水樣的HPI（150.43～448.81）不適宜生態(tài)灌溉，其他水樣均適宜，同時(shí)各類(lèi)礦井水樣的S（0.76～32.4）和PI（53.33～136.36）符合生態(tài)灌溉要求。

（3）根據(jù)極限條件法原則，礦區(qū)淺部含水層符合生態(tài)灌溉要求，而礦井水直接充水水源及礦井水（采空區(qū)、工作面、巷道、水倉(cāng)水樣）由于地層礦物溶濾和采煤活動(dòng)的影響，水質(zhì)未達(dá)到生態(tài)灌溉要求，灌溉前必須進(jìn)行處理。