淮北煤田临涣矿区地下水污染调查评价与治理研究

2020-05-16王松根蔡俊

安徽地质 2020年1期

王松根，蔡俊

（1.安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安 237010；2.安徽省地质矿产勘查局第一水文工程地质勘查院，安徽蚌埠 233000）

0 引言

淮北矿区是华东地区重要的能源基地，同时也是重要的粮食生产基地。临涣矿区自1977 年开工建设以来，随着矿区的发展，在煤炭资源开采、加工、利用过程中产生大量的固体废弃物及工业废水，固体废弃物长期堆积、填埋以及工业废水的不合理排放，引起周边地下水不同程度的污染；另外煤化工企业的扬尘、废水排放等也会引起周边地下水的污染。

临涣矿区内主要的水土污染源为煤矸石、煤泥、粉煤灰、矿井排水、工业废水等。其中煤矸石、煤泥、粉煤灰含有对人体有害的汞、铬、镉、铜、砷等重金属元素，矸石淋溶水随地表径流进入水体，易污染水体。矿井排水、工业废水产生的污染以悬浮物、硫酸盐、硫化物、氟化物、细菌及重金属为主。

重金属可以直接进入土壤、水体，造成各类环境要素的直接污染，也可以在土壤和水体中相互迁移，造成各类环境要素的间接污染[1]。由于重金属十分稳定，很难在环境中降解，只能发生各种形态间的相互转化。因此，重金属污染的消除更为困难。

本文在充分收集利用已有成果数据的基础上，以地面调查、采样分析为主，初步查明工作区内浅层地下水污染现状，应用计算机技术及数学统计方法，对地下水环境质量作出初步评价，并提出临涣矿区地下水污染治理措施。

1 研究方法

1.1 研究区概况

本研究以淮北煤田临焕矿区为研究对象，主要包括海孜煤矿、临涣煤矿、童亭煤矿、杨柳煤矿、袁店一矿、五沟煤矿、孙疃煤矿和界沟煤矿共8个煤矿。临涣矿区地处淮北平原，地势平坦开阔，并由西北向东南微微倾斜，地面坡降约1/10000，高程为26.6～31.8m，受煤矿采空塌陷影响，局部地面塌陷并积水成湖。

研究区微地貌类型为河漫滩、河间平地、河间洼地、泛滥高地。地表岩性大部分为第四系全新统（Q4）土黄、灰黄及浅灰色粉砂、细砂及黏土质砂夹2～3 层砂质黏土及黏土组成；第四系上更新统（Q3）土黄、褐黄及浅黄色砂质黏土及黏土。其中砂性土有利于污染物的渗透与迁移，而黏性土为相对隔水层，对污染物的渗透及迁移能起到一定的阻碍作用。

根据临焕矿区地下水的赋存条件、水力特征，将地下水类型划分为：松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碎屑岩类裂隙水三类。其中松散岩类孔隙水按其埋藏条件、岩性组合、水力性质等可划分为：浅层含水层组、中深层含水层组与深层含水层组。由于浅层地下水直接接受降水和地表水的补给，污染源会对浅层地下水造成间接污染，因此本次研究以污染源周边的松散岩类孔隙水中的浅层地下水为主。浅层含水层组在研究区内广泛分布，埋深在1.60～33.42m之间，含水层位为全新统。含水层一般发育2～3 层砂，其颗粒较细，岩性以粉砂为主，次为粉细砂，局部细砂，砂层累计厚度5～15m，最厚达22.16m。单井涌水量差异较大，一般为100～2000 m3/d。地下水为潜水—微承压水，水位埋深一般为1～3m，根据现场调查及渗水试验结果，该区域渗透系数K为2.75×10-3～6.11×10-（4m/min），以·Ca·Mg 或·Na 型水为主。

1.2 样品采集与测试

为探究污染源对浅层地下水的影响，在污水、废水排放口、固体废弃物污染源周边水文地质钻孔中采取浅层地下水样，共计8处。采样点分丰水期和枯水期进行采取，共2次，共计取样数量16个，采样点见表1、图1。

表1 临涣煤矿区采样点一览表Table 1. List of sampling points in Linhuan Coal Mine Area

图1 临涣煤矿区采样点示意图Figure 1. Schematic diagram of sampling points in the Linhuan Coal Mine Area

1.3 评价方法

1.3.1 单项污染指数法[2]

单项污染指数计算公式为：

式中：Ii为某项污染物的污染指数；Ci为单项评测组分的实测含量；C0为单项评测组分的背景值。如果对照值为区间值时，Ci值在区间内，I=1；如果I大于区间值的最大值，或小于区间值的最小值时，分别用Ci值除以区间值的最大值或最小值。评价时以I≤1 为未污染，I＞1为污染，且I值越大，单项组分污染越重。

1.3.2 综合污染指数法[3]

综合污染指数计算公式为：

式中：PI表示综合污染指数；Imax表示单项组分评分最大值；Iˉ表示单项组分评分值的平均值。

综合污染指数分级见表2。

表2 综合污染指数评价标准分级Table 2. Rating of comprehensive pollution index evaluation criteria

1.4 指标选取和对照值或背景值确定

研究区地下水属于松散层孔隙水，本次选取溶解性总固体、氨氮、氰化物、亚硝酸盐、Mn、As、Hg、Pb、Cd、Cr6+共计十项指标进行评价，评价方法采用污染指数法。地下水污染评价以地下水环境背景值为基准，本次研究使用《安徽省地下水资源评价》的研究成果。该成果利用了二十世纪七八十年代的地下水水质测试资料，采用数理统计的方法计算浅层地下水背景值[2]。对于早期未进行水质测试的指标，参考《地下水质量标准》（GB/T14848-1993）中的Ⅱ类水上限确定。本次地下水污染评价采用的地下水背景值见表3。

2 临涣矿区地下水污染评价

临涣矿区浅层地下水污染评价结果见表4。表中各区域地下水污染评价结果是根据各煤矿地下水中微量元素平均含量计算得出。

8 个研究区域共计16 个样点（丰水期和枯水期）溶解性总固体单项污染指数分析结果中仅有海孜煤矿枯水期样本为轻微污染，其余水样单项污染指数分析结果均为未污染；氨氮对应的单因子污染指数范围是1.00～9.49，其中未污染样本共9 个，污染样本7 个，分别占样本总数的56.25%和43.75%。同地区含量对比可以看出，丰水期氨氮含量偏高；氰化物在研究区地下水样中含量很低，多数低于检测线，单项指数显示，童亭煤矿丰水期和袁店煤矿丰水期水样为污染，其余样本均未污染；亚硝酸盐对应的单项指数范围是1.00～26.68，大部分样本均未污染，只有袁店煤矿枯水期单项指数高达26.68；Mn的地下水样品单项指数范围为0.00～1.00，均属未污染样本；Hg、Pb、Cd三种地下水单项指标均低于检测线，因此对应污染指数也均小于1；As和Cr6+在地下水样本中部分低于检测线，其他样本含量也都低于对应背景值区间，可以认为基本未受到污染。

从综合污染指数上看，综合污染指数变化范围是0.77（孙疃煤矿枯水期）～19.08（袁店煤矿枯水期），属于未污染的样本共计8个，轻微污染样点有4个，中等污染样点有2个，分别为五沟煤矿丰水期和界沟煤矿丰水期样品；严重污染的样点有2个，分别是杨柳煤矿丰水期和袁店煤矿枯水期。总体上看，临涣矿区地下水处于未污染—轻微污染水平，而且枯水期水质相对较为清洁。此外，从单项污染指数中可以看出，影响综合污染指数的主要指标是氨氮和亚硝酸盐，因此可以推断，临涣矿区地下水污染主要影响因子是氨氮和亚硝酸盐。

表3 安徽地下水环境背景值（mg/L）Table 3. Background value of groundwater environment in Anhui Province（mg/L）

表4 临涣矿区浅层地下水污染评价结果Table 4. Evaluation results of shallow groundwater pollution in the Huaibei mining area

3 治理措施

（1）矿区污染的治理首先要从源头上减少污染物的产生和排放，根据煤矸石和粉煤灰的不同成分，科学地开发利用可以节约能源土地，减少煤矿开采产生的固废堆积能够减少污染，保护生态环境，促进矿区可持续发展。固废再利用主要包括煤矸石发电和供热。煤矸石和粉煤灰用于制砖及公路的路基填料、边坡防护、处理不良土质路段和桥背填土等途径。工业废水和废气必须经过处理，达到标准之后才能排放。

（2）临涣矿区地下水污染主要影响因子是氨氮和亚硝酸盐。针对该情况，可利用渗透反应墙（PRB）技术+生物修复技术对污染场地地下水进行原位修复。它是在污染源下游设置具有高渗透性的活性材料墙体，通过在墙体内填充相应的活性材料，使得氮素污染物可以被填料吸附或者被反应墙体内的微生物降解转化为无害物质，从而达到去除地下水氮素污染物的目的[11]。