沙陇水库酸性水质的影响因素分析

2020-08-11

江西煤炭科技 2020年3期

（江西省煤田地质勘察研究院，江西南昌 330001）

1 研究区背景

1.1 自然地理环境

研究区位于瑞金市城区方位290°，直线距18 km处。区内主要地形地貌为中低山与丘陵区，地形起伏较大。沙陇水库北西南三面环山，仅在南东面为地势平坦的山间冲洪积平原。水库整体呈北西-南东狭长状分布，南北水面长约2.5 km，东西水面最宽处约0.68 km，水库水面面积约0.64 km2。

研究区地处亚热带季风气候区，具有气候温和，光照充足，雨量充沛，四季分明等特点。多年平均气温16℃～19℃之间，年平均降水量1710 mm。

1.2 地质环境条件

沙陇水库及周边主要出露地层岩性有第四系粘土；石炭系下统梓山组粉砂岩、页岩、炭质页岩夹煤；石炭系下统华山岭组砂岩、粉砂岩[1]。

沙陇水库整个库区均位于石炭系梓山组之上。梓山组中段为区内主要含煤段，煤层中硫分含量高（主要为无机硫，以硫化物黄铁矿为主），据煤岩化学分析结果，梓山组中段煤层（全硫含量平均为5.47%）为高硫无烟煤类[2-3]。

1.3 水文地质条件

研究区周围水系仅在水库库区西北侧发育两条季节性溪流，最大地表水体为沙陇水库，库水的排泄方式为经库坝下游农灌水渠向库区东侧山前冲洪积平原处迳流，最终汇入九堡河。

本区主要含水层为第四系松散层、石炭系下统梓山组上段、下段粉砂岩含水岩组；石炭系下统梓山组中段岩性相对页岩层位多，具较大塑性，构造活动影响较小，裂隙不太发育，有一定的隔水性，为相对隔水层。

研究区内水文地质条件比较简单，含水层主要分布于浅表层的残坡积层和风化裂隙岩层，富水性一般，主要接受大气降水补给，一般从地势相对高的山坡向地势较低的坡脚径流，在坡脚处以泉的形式出露，泉的流量一般较小，且受季节性降雨量影响较大。

1.4 人类工程活动

沙陇水库周边山体为煤系地层构成，其采矿活动已有近百年历史，历史上当地村民以采煤为主，综合回收黄铁矿。20世纪70年代当地仍有近百人从事采煤工作，限于经济技术条件，采煤深一般在30～50m，最深不过百米，主要以平硐开采（部分下山开采），开采标高局限在+260 m以上[2]。由于历史原因，2001年以前的小煤窑多已坍塌或被安全整改关闭。

2001年以来，周边主要人类工程活动仍为采矿活动，水库汇水范围内共有4处采矿权，其中3处采矿权位于水库西北侧，距离水库库区500～1670 m；1处采矿权位于水库南侧，紧邻库区；开采矿种均为砖瓦用页岩矿，开采方式均为露天开采。

2 现场调查与采样

2.1 现场调查

现场调查主要针对沙陇水库及外围汇水单元展开，现场使用REF G001602-0001 PH笔式系列酸度计对沙陇水库库区水体、矿坑积水、上游汇流溪水等进行了PH值快速检出，并且使用便携式XRF仪对库区土壤、矿山土壤、水库库区外自然状态土壤进行了土壤元素检测。

2.2 采样工作

（1）采样工作布置

依据系统布点法和专业判断布点法[4]相结合的方式对水库及周边水样和土样的进行布点工作，在沙陇水库的汇水范围内对采样工作进行了以下布置：

①沙陇水库库区范围内布置采取土样和水样，用以分析测试库区土质和水质状况；

②矿山开采区布置采取土样和水样，用以分析测试矿山开采区土壤和淋溶水状况；

③未经扰动的水库汇水范围内采取土样和水样，用以分析测试区域土壤和水质背景状况。

（2）水样采集

根据现场调查情况，在沙陇水库及其周边区域内共采集水样16组（编号S1～S16），其中S14和S16为背景对照样。水样基本信息情况表见表1。

表1 水样采集基本信息一览

（3）土样采集

本次调查共采集土壤样5组，其中T1为背景对

照样，采样点均分布在库区汇水范围内，现场使用

便携式XRF仪对部分土壤样品（T1、T2、T5）进行了检测，现场检测数据见表2，土样采集基本情况见表3。

表2 部分土壤样现场检测情况

表3 土壤样采集基本信息一览

3 样品检测

3.1 检测项目

针对沙陇水库现场快速检测结果，对送检样品检测项目包括PH值、硫酸根离子等，各样品检测项目见表4、表5。

表4 土壤样检测项目

表5 水样检测项目

3.2 检测结果

土样和水样检测结果分别见表6、表7。

表6 水样检测项目

表7 水样检测结果

4 水库酸性水质的影响因素分析

4.1 水库周边土壤影响分析与评价

（1）水库周边土壤的形成及背景条件

研究区汇水范围内土壤普遍为林地土壤，其成土母质为石炭系梓山组砂页岩风化物，土壤的矿物组成和化学成分受成土母质的影响。

根据便携式XRF仪现场检测，土壤的检出主要元素为铁、钾、硫（Fe、K、S）；此次调查采取林地土壤样品T1、T2 共2个，实验室检测土壤样品T1、T2可交换酸度分别为37.6 mmol/kg、26.1 mmol/kg，有效硫含量分别为23.1 mg/kg、22.6 mg/kg。刘崇群等对江西省内采集的55个土壤标本统计分析得出江西省土壤中有效硫含量的平均值为13.3±0.6 mg/kg[5]，这表明沙陇水库的区域土壤背景为含硫量高于省内土壤的平均值。

（2）矿区土壤特征

沙陇水库周边矿山开采活动强烈，矿山开采一方面造成植被破坏、山体裸露，另一方面剥离山体产生大量弃土废渣。根据现场调查发现，矿山开采缺乏水土保持工程和环保处理工程，矿山停产后也未及时进行矿山环境恢复治理工程，导致雨季会造成泥沙随水混流进入水库。

此次调查采取矿区土壤T5共1个，并使用便携式XRF仪现场检测。XRF仪检测出主要元素为钾、钛、铁、硫（K、Ti、Fe、S），T5实验室检测可交换酸度和有效硫含量分别为13.7 mmol/kg、21.1 mg/kg。以上结果表明，矿区土壤为含硫量较高的土壤。

（3）库区土壤特征

库区土壤从来源上可分为原生土壤和外来土壤两种，原生土壤是组成库区的本底，外来土壤为被水流从周围山体带入水库的泥沙淤积。为此，此次调查在库区采取了T3（外来土壤）、T4（原生土壤）共2个土壤样品进行检测分析。

实验室检测T3和T4的可交换酸度分别为31.2 mmol/kg、41.3 mmol/kg，检测出有效硫含量分别为22.3 mg/kg、19.4 mg/kg，均高于江西省土壤中有效硫含量的平均值，这表明库区土壤为含硫量较高的土壤。

4.2 水库周边水源影响分析与评价

影响水库水质的水源主要有以下三种类型：自然状态下的周围山体汇流的地表水、矿山淋溶水、周围山体径流的地下水。

（1）山体汇流地表水特征

沙陇水库汇水面积达22.61 km2，落到汇水范围内的降雨，除了少量直接降落到水库水面上的，山体汇流的地表水是沙陇水库的主要补给来源。

区内植被较为发育，降雨落到地面时，由于有地表植被的遮挡和保护，地表土壤基本上不会受到雨水的直接冲刷，现场调查过程中发现汇流地表水清澈、无异味。采取的山体汇流地表水代表样品有S2、S3、S5、S14，PH值检出范围为6.18～7.33，硫酸盐检出范围为2.25～12.7 mg/L。

根据检测结果表明，山体汇流的地表水PH值整体呈微酸性-中性，硫酸盐的含量也相对较低。这表明在植被覆盖良好的情况下，山体汇流的地表水对水库水质酸化的影响轻微。

（2）矿山淋溶水特征

根据现场调查，位于沙陇水库汇水范围内的有效采矿权共有4个，分别位于沙陇水库西北侧（3个采矿权）和南侧（1个采矿权）。矿山均开采石炭系梓山组含炭页岩，俗称煤矸石，含硫量高。

①水库西北侧矿山淋溶水

水库西北侧的3个矿区基本连成一片，矿山生产时间短，剥离量相对较小，距离水库相对较远。

在矿区上游和下游各采取1个水样，检测结果见表8。

表8 水样S3、S4检测结果

结果表明，水库西北矿区水质整体呈微酸性，矿区上游（S3）水质相比矿区下游（S4）水质PH值较大、硫酸盐含量较少，也就是说矿区上游来水流经矿区土壤时，淋溶了土壤中的硫化物，使得水质酸性增强、硫酸盐含量增多。

②水库西南侧矿山淋溶水

水库西南侧现有1处采矿权，矿区紧邻水库库区，矿山露采区、煤矸石场均在水库汇水范围内。

在该矿区内共采集水样4个（S8、S9、S10、S12），矿区上游采集水样1个（S14），在矿区淋溶水汇入水库口采集水样2个（S11、S13）。水样检测结果见表9。

表9 水样S8～S14检测结果

结果表明，该处矿山淋溶水PH值为3.24～4.51，为强酸性，硫酸盐含量也普遍较高，而矿区上游水质PH值为6.39，为微酸性，硫酸盐含量较低。因此，矿区内采矿活动造成原有植被的山体裸露，上游汇水流经矿区后冲刷淋溶矿区岩土体，加剧了水质酸化程度。

③周围山体径流地下水特征

库区及周围山体出露地层岩性为石炭系下统梓山组粉砂岩、页岩等，出露在地表浅部的岩体风化较强烈，裂隙相对发育，深部岩体裂隙不发育，基本为不透水层，因此周围山体补给水库的地下水主要为浅部的风化裂隙水。

落到地表的降雨，一部分通过地表汇流进入沟谷后流入水库，另一部分雨水下渗进入土壤补给浅部地下水，浅部的地下水在地势低洼的地方以泉的形式出露，最终也汇入水库。

本次调查采集裂隙泉水样1个（S1），检测出PH值为3.43，检测出硫酸盐含量为128 mg/L，检测结果表明，该水样呈强酸性，硫酸盐含量也较高。出现这种结果的主要原因为土壤及岩体含硫量较高，地下水径流过程中溶解带走了土壤及岩体中的硫化物，从而导致水中硫酸盐含量大幅增加，水质酸性加剧。周围山体径流地下水对水库水质酸化也有一定的影响。