閉坑礦井水影響下喀斯特河流污染特征演化及水質(zhì)評價

關鍵詞：閉坑礦井水；水質(zhì)評價；多元統(tǒng)計分析；喀斯特河流

中圖分類號：ＴＶ２１１．１＋ １；ＴＤ１２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１５

引用格式：路豪，劉埔，王靖怡，等．閉坑礦井水影響下喀斯特河流污染特征演化及水質(zhì)評價［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：９０－９５，１０２．

煤礦閉坑后產(chǎn)生的大量礦井排水，一般呈酸性、重金屬含量較高，稱為酸性礦山廢水（ＡＭＤ）［１－２］ 。閉坑礦井水具有較高的重金屬含量、較低的ｐＨ 值，當?shù)V井水匯入河流后會對河流的水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較為嚴重的影響，甚至影響人類健康［３－４］ 。發(fā)源于地下水出露點的喀斯特地貌河流具有水質(zhì)較好的特點［５］ ，世界上有２５％的人口依賴喀斯特地貌的地表水生活［６］ ，臨近閉坑礦區(qū)以及人類生活區(qū)的喀斯特地貌河流容易受到閉坑礦井水以及農(nóng)業(yè)、生活用水等的污染。閉坑礦井水流入地表河流后將導致河流水體ｐＨ 值減小、電導率增大，以及鐵、錳、鋅、鋁、銅等重金屬含量增大［７－８］ ，其中硫酸鹽變?yōu)樗w中的優(yōu)勢陰離子是礦井水污染地表河流的特征之一。喀斯特地貌河流生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，受到污染后較難修復，而閉坑礦井水對地表水的污染具有持續(xù)時間長、污染面積廣等特點。

重金屬污染是河流面臨的環(huán)境問題之一，受重金屬毒性和不可降解性以及喀斯特地貌水生態(tài)系統(tǒng)脆弱性影響，閉坑礦井水會對喀斯特地貌河流水體造成不可逆的破壞［９］ 。在采礦和農(nóng)業(yè)活動區(qū)域監(jiān)測被閉坑礦井水污染的地表河流時，重金屬的污染評價是極其必要的。本文根據(jù)２０２２年３月至２０２３年２月貴陽市花溪區(qū)燕樓鎮(zhèn)思惹村受閉坑礦井水污染的河流監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用多元統(tǒng)計分析、水質(zhì)評價等方法對河流水體的物理化學性質(zhì)進行評價，以期為受閉坑礦井水污染的喀斯特地貌河流的水質(zhì)評價提供參考、為礦井水的污染擴散研究提供理論依據(jù)。

１材料與方法

１．１研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴陽市花溪區(qū)燕樓鎮(zhèn)思惹村，夏秋兩季炎熱，春冬兩季寒冷，多年平均降水量為１２２５．３ｍｍ，年平均氣溫為１６ ℃，雨季一般集中在５—８ 月。地形起伏較小，地處云貴高原東斜坡和苗嶺山脈中段，以山地和丘陵為主，為典型的喀斯特地貌，整體地勢東高西低。研究區(qū)河流發(fā)源于老白洞，流經(jīng)思惹村受地表小溪流以及泉水補給后匯入紅水河；河流流量受季節(jié)變化影響較大，雨季流量最高可達５ ０７６ ｍ^３／ ｈ。研究區(qū)閉坑礦井水受降水影響涌水量波動較大，豐水期涌水量可達３６０ ｍ^３／ ｈ，枯水期閉坑礦井水出露點涌水量較小，甚至無水。研究區(qū)出露地層主要有下三疊統(tǒng)夜郎組（Ｔ_１ｙ）、上二疊統(tǒng)長興－大隆組（Ｐ_３ ｃ_ｈ－ｄ）、中二疊統(tǒng)茅口組（Ｐ_２ｍ）、中二疊統(tǒng)棲霞組（Ｐ_２ｑ）、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M（Ｐ_３ｌ），地層巖性以灰?guī)r、白云巖為主，礦物以方解石、白云石、石膏為主。研究區(qū)位于楊子準地臺黔北臺隆遵義斷拱貴陽復雜構造變形區(qū)黨武背斜北翼，黨武背斜軸部較寬緩，兩翼不對稱，背斜軸呈北西向展布。北東翼地層走向北西，傾向北東，地層傾角較緩，一般為１０°～１４°；南西翼地層走向北西，傾向南西，地層傾角１５°～１８°，為不對稱的寬緩背斜。

２．３水質(zhì)綜合評價

采用常用的水質(zhì)評價指標水質(zhì)指數(shù)（ＷＱＩ）、重金屬污染指數(shù)（ ＨＰＩ）、重金屬污染評價指數(shù)（ＨＥＩ）等［１９－２０］ 對研究區(qū)水體進行水質(zhì)評價，結果見圖３。

ＷＱＩ 為２３．９５ ～ ７０２．４２，平均值為９２．７３。其中最大值在５ 月閉坑礦井水匯入的采樣點Ｙ４ 處取得，５—８ 月Ｙ４ 處ＷＱＩ＞３００，表明閉坑礦井水匯入處水質(zhì)最差，為不適宜飲用水源。值得注意的是，在監(jiān)測的１ 個水文年中，Ｙ１ 處ＷＱＩ 均值小于５０，說明源頭處的水質(zhì)較好，水質(zhì)級別為優(yōu)。Ｙ２ 處為匯入地表河流的支流，在流經(jīng)農(nóng)田時可能受到灌溉排水污染，但與Ｙ４、Ｙ６ 相比，Ｙ２ 處水質(zhì)整體較好。閉坑礦井水匯入后，采樣點Ｙ４、Ｙ６ 處ＷＱＩ 值較Ｙ１ 處均明顯增大。

ＨＰＩ 為１５．６６ ～１ ８２０．３３，最大值在７ 月Ｙ４ 處取得，平均值為１０１． １２， 大于ＨＰＩ 的臨界污染值１００［１３，２１］ ，說明研究區(qū)地表河流重金屬污染嚴重，特別是７ 月各采樣點ＨＰＩ 均大于其他月份的。７ 月研究區(qū)降水豐沛，推測降水量的增大促進了廢棄礦區(qū)以及堆積的廢棄礦渣的淋濾，進而導致閉坑礦井水的涌出量大于其他月份的。

ＨＥＩ 為０．０１～ ２３９．２２，最大值在５ 月Ｙ４ 處取得，ＨＥＩ 整體變化趨勢與ＷＱＩ 的相似，即在閉坑礦井水匯入后，ＨＥＩ 整體大于源頭Ｙ１ 處的，也就是說地表河流在閉坑礦井水匯入后，整體水質(zhì)變差，重金屬污染程度遠高于源頭處的。由于地表河流的自凈作用以及其他地表水、地下水對河流的補給，因此被污染河流在流過一段距離后，河流污染狀況得到一定緩解，水體水質(zhì)較剛被閉坑礦井水污染時有所提升，但仍劣于源頭處的。

ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 整體呈現(xiàn)相同的變化趨勢。以ＷＱＩ 為例，在源頭處水質(zhì)為優(yōu)，生活污水或灌溉排水匯入后，水質(zhì)由優(yōu)逐漸變?yōu)楹?，河流下游在受閉坑礦井水匯入污染后，水質(zhì)由好轉(zhuǎn)變差，其中閉坑礦井水匯入的污染源處水質(zhì)最差（ＷＱＩ＞３００），河流經(jīng)泉水補給以及在自凈作用下，水質(zhì)逐漸由差轉(zhuǎn)變?yōu)檩^差，最終恢復至好。

根據(jù)不同月份研究區(qū)河流重金屬污染指數(shù)和水質(zhì)指數(shù)，結合河流Ｚｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｅ 等重金屬含量以及ｐＨ 值對研究區(qū)河流重金屬總含量與酸堿性進行分區(qū)［２２］ ，結果見圖４。研究區(qū)水樣大部分落在近中性－高重金屬、近中性－低重金屬２ 個區(qū)域，少部分水樣落在酸性－極高重金屬、酸性－高重金屬與酸性－低重金屬３ 個區(qū)域。落在酸性－極高重金屬與酸性－高重金屬２個區(qū)域的為采樣點Ｙ４、Ｙ６。離礦井水匯入處較近的水樣雖然為近中性，但重金屬含量依舊較高，經(jīng)河流自凈作用以及地表水、地下水補給后，水樣物理化學性質(zhì)逐漸演變?yōu)榻行裕椭亟饘佟４送?，圖４ 中箭頭表示酸性閉坑礦井水的衰減過程，即酸性閉坑礦井水匯入喀斯特地貌地表河流的過程，礦井水匯入處水體ｐＨ 值較低，重金屬含量較高，匯入地表河流后，經(jīng)河流稀釋，水體ｐＨ 值明顯上升的同時，重金屬含量降低。原因是部分重金屬發(fā)生水化學反應生成不溶于水的沉淀，如酸性閉坑礦井水內(nèi)Ｆｅ^２＋ 與空氣和水接觸后氧化為Ｆｅ^３＋， 之后Ｆｅ^３＋ 進一步水解為不溶于水的沉淀（Ｆｅ（ＯＨ）_３），附著于河道兩旁以及懸浮于水體表面。

對研究區(qū)地表河流進行水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，Ｙ１ 處ＷＱＩ小于其他采樣點的，平均值３１．１１＜５０，說明該河流源頭處水質(zhì)較好，受閉坑礦井水污染后，各采樣點ＷＱＩ均有所增大，在監(jiān)測的１ 個水文年中Ｙ４、Ｙ６ 的ＷＱＩ值大于其他采樣點的。ＨＰＩ 與ＨＥＩ 在１ 個水文年中的變化趨勢與ＷＱＩ 相似，在河流源頭Ｙ１ 處各月的ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 都較小，受閉坑礦井水污染后呈明顯增大趨勢，受泉水（采樣點Ｙ９）補給后，ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 整體呈下降趨勢，但都大于源頭Ｙ１處的。

總而言之，研究區(qū)河流源頭處水質(zhì)較好，閉坑礦井水匯入后，水體水質(zhì)級別由優(yōu)變?yōu)椴?，受地表水、地下水補給，以及在河流自凈作用下，河流水質(zhì)級別回升到好，但水質(zhì)仍劣于源頭處的。結合多元統(tǒng)計分析，除礦井水匯入與離礦井水匯入較近的采樣點外，其他采樣點的水質(zhì)滿足農(nóng)業(yè)及工業(yè)用水標準。

４結論

為避免廢棄煤礦閉坑后持續(xù)產(chǎn)生閉坑礦井廢水污染礦區(qū)，煤礦閉坑后，應結合礦區(qū)水文地質(zhì)條件對閉坑礦井水的補給、徑流、排泄情況進行排查，并加強對閉坑礦井水的監(jiān)測，以便于評估環(huán)境風險，做好應急響應和科學處置工作。