地表儲集礦井水水質特點與重金屬污染評價

毛禮鑫，王鵬程，朱士飛*，吳 蒙，姜迎春，曹 磊

（1.江蘇地質礦產(chǎn)設計研究院，江蘇徐州 221006；2.中國煤炭地質總局煤系礦產(chǎn)資源重點實驗室，江蘇徐州 221006；3.兗礦能源集團股份有限公司濟寧二號煤礦，山東濟寧 272072；4.山東能源新礦內蒙古能源有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 016200）

0 引言

礦井水排出是礦井安全生產(chǎn)的需要，有時會對生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生負面影響，在西部地區(qū)更是如此。西部地區(qū)位于黃河中上游，分布著我國超過半數(shù)的煤炭基地和火電基地，也是高礦化度礦井水主要集中區(qū)之一，如內蒙古、甘肅、陜西等地［1］。目前的脫鹽技術成本較高，西部煤礦區(qū)的高礦化度礦井水只有部分經(jīng)過處理后用于礦區(qū)的生產(chǎn)生活，大部分礦井水多儲集在地表人工湖中，散發(fā)刺鼻氣味，嚴重影響當?shù)赝寥?、空氣以及水質［2］?！饵S河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃綱要》指出要注重水源涵養(yǎng)、防止水土流失，對待生態(tài)敏感脆弱區(qū)要實施嚴格的污染物排放限制。西部地區(qū)多為草原型煤礦區(qū)，是我國北方地區(qū)的生態(tài)屏障，其氣候干旱，水土流失嚴重，屬于生態(tài)脆弱區(qū)，環(huán)境極易破壞且短時期難以自然恢復。此外，黃河中上游地區(qū)的環(huán)境污染會對黃河流域中下游生態(tài)產(chǎn)生影響，因此西部地區(qū)的礦井水應當給予更多的關注。

長期以來，學者們更為關注原生礦井水的水質特點與演化機理、水化學評價、水害防治、零排放預處理、深部回灌存儲以及資源化利用等問題［3-4］。如顧大釗等從煤礦安全生產(chǎn)的角度研究神東礦區(qū)地下水的分布規(guī)律［5］，李競贏等從礦井水化學特征的角度研究張集礦礦井水的化學組成，并采取分級分類的方法探討礦井水利用的方向［6］，王楠等從人體健康的角度研究了石河子地區(qū)地下水重金屬污染情況［7］。此外，前人通過脫鹽技術、地質封存等手段研究高礦化度礦井水的處置與資源化利用［8-10］。然而，針對長期儲集在地表人工湖的礦井水研究較少，對其水質特點、時間效應、健康風險缺乏認識。以鄂爾多斯上海廟礦區(qū)人工湖中儲集的礦井水為例，分析各種重金屬的污染特性、生態(tài)風險、健康風險，結合水質特點開展利用評價，以期為西部地區(qū)礦井水的綠色儲集與資源化利用提供依據(jù)。

1 樣品來源及測試

研究區(qū)位于位于鄂爾多斯盆地西北緣，地理位置屬于中溫帶典型大陸性干旱荒漠氣侯，干旱少雨，日照時間長蒸發(fā)強烈，黃河在其西北部約14km。系統(tǒng)梳理研究區(qū)勘探報告、建井地質報告等資料可知（包括長城一號井、二號井、三號井、四號井、五號井、六號井），上海廟礦區(qū)礦井水主要來自第四系和新近系含水層，涌水量分別為0.023 ～5.76 L/（s·m）、0.000 075 93 ～0.271 L/（s·m），其次是二疊系石盒子組含水層，石炭系含水層和奧陶系含水層的涌水量較小。整體以高礦化度水為主，礦化度為524～8 790mg/L。

為研究礦井水長期儲集地表后的特征以及變化，2022年2月于上海廟礦區(qū)、礦區(qū)中心水廠三號儲集湖分別采取原礦井水、地表儲集礦井水，包括原礦井水（W0）、人工湖短期儲集礦井水（W1）、人工湖長期儲集礦井水（W2）以及處理后的礦井水（W3）各1 份。此外，采集湖底淤泥樣和湖岸土壤樣品各1份，用以研究礦井水儲集對周邊土壤的影響。

本次水質分析及重金屬測試均由中國煤炭地質總局檢測中心完成。

2 結果與討論

2.1 水化學特征與水質評價

由表1 可知，水樣中陽離子以Na+占絕對優(yōu)勢，Ca2+、Mg2+、K+含量較少，F(xiàn)e2+、Fe3+均未檢出。陰離子以Cl-為主，其次是SO4

表1 礦井水水化學測試結果Table 1 Hydrochemical analysis results of mine watermg/L

2-和HCO3-。研究區(qū)礦井水具有高礦化度特點，水質呈弱堿性，pH 值平均為8.18，按照《煤礦礦井水分類》（GB/T 19223—2015）屬于中性礦井水。

依據(jù)水化學數(shù)據(jù)可分析地下水的主控因素。水樣中Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+HCO3-）比值分別為0.93～0.96，0.67～0.77，數(shù)值均大于0.5，且樣品的TDS 較高，這表明礦井水化學組成的主要因素為蒸發(fā)結晶作用，研究區(qū)位于干旱內陸地區(qū)，干旱氣候條件下，降水量小、蒸發(fā)量大、地下水補給不足，使得礦井水鹽分濃縮，而大氣降水作用對研究區(qū)地下水的影響極其微弱。

水資源匱乏是西部地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實問題，根據(jù)鈉吸附比（SAR）和WQI水質評價方法分析礦井水用于農(nóng)業(yè)灌溉和飲用的可行性［11］。本次選取水中陰離子HCO3-、SO42-、Cl-，陽離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+，以及pH值、TDS、EC共計12個水質化驗參數(shù)計算WQI值。處理后的礦井水（W3）WQI值小于50，為可飲用的優(yōu)質水資源，而原礦井水（W0）和地表儲集礦井水（W1、W2）的WQI值分別大于200、300，飲用風險值極高（圖1）。并且隨著在地表儲集時間的增加，風險程度增加。SAR值顯示的鈉毒害風險結果與WQI法評價結果一致，即W0、W1、W2鈉毒害風險值依次增加，這可能與當?shù)貧夂蚋稍镉嘘P，隨著地表儲集時間的增加，蒸發(fā)濃縮作用增加了水中鹽濃度。除W3外其他水樣SAR值均大于50，表明不可作為農(nóng)業(yè)灌溉用水。

圖1 水質評價結果Figure 1 Water quality assessment results

2.2 重金屬含量特征

測試了水樣、土壤樣中As、Hg 等9 個重金屬元素的含量，樣品重金屬含量有明顯差異（表2）。根據(jù)《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017），AS、Mn、Ni 含量符合III 類地下水質量標準，Cu 為II 類，其他重金屬符合I 類地下水標準。整體來看，地表儲集礦井水的重金屬濃度低于鄂爾多斯地區(qū)淡水中重金屬含量的平均值，高于鄂爾多斯市飲水源的重金屬含量（Cr、Cd、Mn 除外）。處理后的礦井水（W3）重金屬含量最低，地表儲集礦井水（W1、W2）的重金屬含量為前者的2～10 倍。土壤樣品中，湖底淤泥重金屬含量最高，濃度是內蒙地區(qū)背景值的1.0～2.2 倍，且高于人工湖周邊土壤中重金屬的含量。

表2 重金屬測試結果與背景值Table 2 Heavy metal test results of samples and regional background valuesx

如圖2所示，計算儲集時間不同水樣中重金屬濃度差值、湖底淤泥與湖岸土壤中重金屬濃度差值。可以看出，水樣重金屬差值為負值（As除外），而土壤樣中重金屬差值為正值（As 除外），并且兩者有明顯的線性關系（R2=0.84）。前人研究表明水中重金屬可以通過物理、生物、化學作用沉淀富集在底部沉積物中［12］，通常人工湖底鋪有防塵隔離，底泥很少，因此推斷淤泥中的重金屬來源于人工湖儲集的礦井水，這與長期儲集水樣（W2）的重金屬含量降低的結果是一致的。通過水樣、淤泥樣品中重金屬含量的差異性可以看出，礦井水在地表儲集會產(chǎn)生湖底淤泥重金屬富集效應，對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生威脅。

圖2 礦井水與淤泥中重金屬關系Figure 2 Relationship between heavy metals from mine drainage and silt

2.3 重金屬生態(tài)風險評價

單因子污染指數(shù)I用于明確不同重金屬的生態(tài)污染效應，可初步評價重金屬污染狀況。然而，重金屬污染不僅與濃度相關，更與不同重金屬的毒理性關系密切，選擇潛在生態(tài)風險指數(shù)法綜合評價多種重金屬對環(huán)境的負面效應［13］。為了全面研究地表儲集礦井水對周邊環(huán)境的影響，本次分別對水樣和湖底淤泥的重金屬進行生態(tài)風險分析。水樣重金屬的背景值參考鄂爾多斯市淡水湖重金屬濃度平均值，數(shù)據(jù)來源于鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境局，土壤樣品背景值依據(jù)內蒙古土壤重金屬含量平均值［14］。

單因子污染指數(shù)I計算結果表明，除Cr元素外，地表儲集礦井水重金屬污染指數(shù)（0 ～2.95）大于鄂爾多斯市飲水源（0 ～0.87），并且長時間儲集的水樣W2 的污染指數(shù)明顯小于短期儲集礦井水W1（圖3）。地表儲集礦井水中重金屬污染程度Pb ＞Cr ＞Hg ＞Zn ＞Cu ＞As ＞Cd，其中Pb、Cr、Hg 污染指數(shù)大于1，屬于輕度污染。然而，淤泥中所有重金屬的污染指數(shù)I均大于1，重金屬遷移的過程中可能導致水體重金屬污染程度加重。

圖3 單因子污染指數(shù)評價結果Figure 3 Evaluation results by single factor pollution index

由于引入重金屬毒性效應系數(shù)Tr，依據(jù)潛在生態(tài)風險系數(shù)結果得出的重金屬污染程度排序結果與單因子污染指數(shù)不一致（圖4），水樣中重金屬污染程度Hg ＞Pb ＞Cr ＞As ＞Cu ＞Zn ＞Cd，除Hg外其他重金屬的潛在生態(tài)污染系數(shù)均小于40。淤泥中Hg 和Cd 的潛在生態(tài)污染系數(shù)分別為40、56.6，為中等污染風險。累計求和可得多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI，水樣和淤泥樣品RI值均大于100，表明在多種重金屬累積下存在生態(tài)風險。

圖4 重金屬潛在風險指數(shù)評價結果Figure 4 Evaluation results of potential risk index of heavy metals

2.4 重金屬健康風險評價

重金屬對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的同時，通過直接或者間接的方式對人類的健康產(chǎn)生威脅。選擇危害商數(shù)指數(shù)HQ、致癌風險評價指數(shù)R分別評估化學非致癌物質和化學致癌物質對人體的危害，計算模型參考文獻［15-16］，該模型將人體通過飲水等途徑接觸重金屬的含量與參考含量RfD、SF（本次參考美國環(huán)境保護局的推薦值［17-18］）的比值作為健康風險判別依據(jù)，研究認為，當HQ＞1 時存在健康風險，當R＞1×10-4時存在致癌風險。

表3 為健康風險評價結果，人工湖儲集礦井水重金屬的危害商數(shù)均小于1，經(jīng)過求和可得出8種重金屬累積危害商數(shù)指數(shù)，礦井水的累積指數(shù)分別為0.28、0.23，表明地表儲集礦井水重金屬的非致癌風險和總體非致癌風險較低。致癌風險指數(shù)中Cd 小于1E-06，As、Cr 的數(shù)值大于1E-06 但是小于1E-04，說明重金屬致癌風險整體可控。通過與鄂爾多斯市飲水源水質比較可知，地表儲集礦井水與當?shù)仫嬎此|存在明顯差距，大部分重金屬的非致癌風險大于當?shù)仫嬎矗–r除外），As的致癌風險也大于當?shù)仫嬎础?/p>

表3 重金屬健康風險評價結果Table 3 Results of health risk assessment for heavy metals

前人研究表明水環(huán)境（pH 值、鹽度、溫度等）的改變會影響水中重金屬的遷移［12］，由于研究區(qū)氣候干燥，隨著儲集時間的延長地表儲集礦井水鹽度不斷增加，湖底淤泥中重金屬存在釋放的可能，因此，不能忽視那些儲集礦井水中濃度不高但是淤泥中濃度較高的重金屬元素。綜合礦井水和淤泥的重金屬生態(tài)風險評結果認為，地表儲集礦井水存在Hg、Cd、Pb、Cr 等重金屬污染的可能，需要重點關注Hg、Cd 的生態(tài)污染風險和As、Cr 的致癌風險。

3 結論

1）研究區(qū)礦井水是以Na+、Cl-為主的高礦化度礦井水，隨著地表儲集時間增加，礦井水的pH 值、TDS等水質參數(shù)增大，蒸發(fā)-濃縮作用是其水質變化的主導因素；水質評價結果顯示儲集時間較長的礦井水鈉毒害風險、飲用風險等級更大，不適宜作為飲用水和灌溉用水。

2）地表儲集礦井水重金屬含量超過當?shù)仫嬎矗螴II 類地下水標準，其中As、Mn、Ni 濃度較高；湖底淤泥重金屬含量是背景值的1.0～2.2 倍，與水中重金屬有明顯的負相關關系。

3）水和淤泥中污染程度較高的重金屬分別是Hg、Pb、Cr 和Hg、Cd，地表儲集礦井水和湖底淤泥多種重金屬累積下均存在生態(tài)風險。水質環(huán)境變化會誘導淤泥重金屬的釋放，因此需要重點關注Hg、Cd的生態(tài)污染風險和As、Cr的致癌風險。