石煤礦遺留礦洞涌（滲）水重金屬污染調(diào)查與評(píng)價(jià)

肖亞瓊，鐘振宇，陶子樂滔

（1.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖南 長沙 410000；2.水污染控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410000）

石煤礦在歷史上是重要的化石燃料，豐富了居民日常生活的能源結(jié)構(gòu)［1］。但是，隨著我國能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，大量石煤礦已經(jīng)停止開采并被遺棄［2］。石煤礦的開采造成大量地表徑流水下滲或地下水外滲形成礦涌（滲）水［3］。同時(shí)，石煤礦伴生多種重金屬元素［4］。因此，石煤礦遺留礦洞的礦涌（滲）水對(duì)區(qū)域環(huán)境重金屬排放可能存在較大貢獻(xiàn)，并對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

某石煤礦區(qū)年降水量1 432.8 mm。該區(qū)域石煤礦蘊(yùn)藏量大且埋深淺［5］。當(dāng)?shù)鼐用衿巾祥_挖石煤礦，形成大量遺留礦洞。大量礦涌（滲）水流入附近的水體中，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)毓喔人|(zhì)，危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全。

1.2 樣品采集與處理

根據(jù)人員訪談以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選定22處礦涌（滲）水點(diǎn)為采樣點(diǎn)。

1.3 分析測(cè)試

各樣品主要檢測(cè)項(xiàng)目為鎘、砷、銅、鎳、鋅、錳。按照《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 91-2002）中規(guī)定的相應(yīng)方法進(jìn)行分析測(cè)試。

1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

目前國內(nèi)外大多使用指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法以及因子分析法等方法對(duì)地表水體重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析［6，7］。但各方法都有一定的片面性，為達(dá)到全面評(píng)價(jià)的目的，有必要選擇多種方法從不同角度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

1.4.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法可以直觀地確定樣本主要污染物［8］。以單因子指數(shù)評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，可以分析出水質(zhì)平均污染指數(shù)（Water Quality Index，WQI），從而評(píng)價(jià)對(duì)象污染程度，計(jì)算公式如下：

式中：n為污染指標(biāo)個(gè)數(shù)；Xi表示i種污染物在樣本中實(shí)測(cè)值/mg·L-1；Yi表示i種污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值/mg·L-1。

采用平均污染指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，其分級(jí)及描述見表1。

表1 水質(zhì)平均污染指數(shù)（WQI）水質(zhì)分級(jí)

1.4.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種兼顧極值或稱突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；其根據(jù)水的不同用途，擬定了相應(yīng)的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為計(jì)算水污染指數(shù)的依據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出水污染指數(shù)值［9］。內(nèi)梅羅指數(shù)的基本計(jì)算式為：

式中：Pimax為各單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)中最大者為各單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的平均值。

內(nèi)梅羅指數(shù)特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，并在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響。綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)污染等級(jí)劃分

1.4.3 生態(tài)危害指數(shù)法

生態(tài)危害系數(shù)法將重金屬毒性系數(shù)中各重金屬參數(shù)豐度參考選用淡水參考豐度，則該方法可用于評(píng)價(jià)水體中各重金屬生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)水平［10］。該方法計(jì)算式如下：

式中：Cis為重金屬i的實(shí)測(cè)濃度/mg·L-1；Cin為重金屬i的評(píng)價(jià)參比值；Tir為重金屬i毒性響應(yīng)系數(shù)。

它主要反映重金屬毒性水平和環(huán)境對(duì)重金屬污染的敏感程度。生態(tài)危害指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 生態(tài)危害指數(shù)等級(jí)劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 礦洞涌（滲）水重金屬排放特征分析

本次調(diào)查區(qū)域內(nèi)各樣本重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 各樣品重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表4可知，各樣品均不同程度地檢出表中所示6種重金屬，且均超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限值。其中，鎘、砷、銅、鎳、鋅、錳的最大檢出值分別為28.6 mg/L、0.103 mg/L、86.2 mg/L、23.8 mg/L、188 mg/L和23.3 mg/L。變異系數(shù)的大小反映區(qū)域內(nèi)水體中各重金屬含量的變異程度。區(qū)域內(nèi)各重金屬變異系數(shù)均超過100%，屬于強(qiáng)變異性，說明這6種重金屬在區(qū)域內(nèi)水體環(huán)境中分布不均勻，受到人類活動(dòng)的擾動(dòng)影響大。

2.2 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

根據(jù)劃定的水質(zhì)平均污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，6種超標(biāo)因子的計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 水質(zhì)平均污染指數(shù)（WQI）評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5可知，本調(diào)查區(qū)域評(píng)價(jià)為重度污染的樣本有6個(gè)樣本，嚴(yán)重污染的樣本有15個(gè)。調(diào)查區(qū)域內(nèi)96.4%的樣本均超過重度污染，說明調(diào)查區(qū)域礦涌（滲）水受到重金屬污染的現(xiàn)象極為顯著。通過綜合對(duì)比各污染因子在樣本中標(biāo)準(zhǔn)差、污染程度以及頻率分布等，可以發(fā)現(xiàn)本調(diào)查區(qū)域中各污染因子污染影響排序（由高至低）為鎘、鎳、銅、鋅、錳和砷。

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

根據(jù)劃定的內(nèi)梅羅指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，各超標(biāo)因子的評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

表6 內(nèi)梅羅指數(shù)（P綜合）評(píng)價(jià)結(jié)果

表6的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示調(diào)查區(qū)域內(nèi)4個(gè)樣本為輕污染或污染，而重污染和嚴(yán)重污染有17個(gè)樣本。結(jié)合單因子指數(shù)評(píng)價(jià)中污染因子分布頻率，可以發(fā)現(xiàn)各污染樣本中，污染因子均為鎘、鎳、銅、鋅、錳和砷。

2.4 綜合生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

該調(diào)查區(qū)域內(nèi)各樣本綜合生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。

表7 綜合生態(tài)危害指數(shù)（RI）評(píng)價(jià)結(jié)果

表7顯示各樣本中清潔樣本數(shù)為3，輕污染或污染樣本數(shù)為8，重污染或嚴(yán)重污染樣本數(shù)為11；說明調(diào)查區(qū)域受到嚴(yán)重污染。通過各重金屬潛在生態(tài)危害程度分布頻率，發(fā)現(xiàn)重金屬鎘和鎳在各類樣本中均出現(xiàn)；其中鎘在嚴(yán)重污染樣本中分布頻率達(dá)到57.69%。上述結(jié)果說明重金屬鎘在本調(diào)查區(qū)域中對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)最大。

3 結(jié) 論

該調(diào)查區(qū)域受到重金屬鎘、鎳、銅、鋅、錳和砷的污染。通過單因子指數(shù)評(píng)價(jià)、內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)以及綜合生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)三種方法，針對(duì)調(diào)查區(qū)域各樣本重金屬檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，可以得出下列結(jié)論：

1.各重金屬濃度均存在超出評(píng)價(jià)限值的樣本，且各重金屬均屬于強(qiáng)變異性，說明各污染物含量分布特別不均勻，受到外源因素干擾較大。

2.三種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果均顯示鎘的各項(xiàng)指數(shù)均超出其它元素。在潛在生態(tài)危害和綜合生態(tài)危害評(píng)價(jià)過程中，鎘為主要影響元素；因此，可以認(rèn)定鎘污染為該調(diào)查區(qū)域首要關(guān)注污染物。

3.三種評(píng)價(jià)方法均可評(píng)價(jià)礦涌（滲）水中污染物對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響，且評(píng)價(jià)結(jié)果近似。