朱仙庄矿区水体重金属特征分析与评价

程 琛,刘佳俊，汪 玲

(1．安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽 宿州 234000；2．矿井水资源化利用安徽普通高校重点实验室，安徽 宿州 234000；3. 宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000； 4. 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232000)

近年来，随着各类矿产资源的开发与加工，对矿区及其周边居民生活环境造成一定程度的影响，尤其对水环境的影响日益显现。矿山开采过程中一些对人们生产生活有害的离子会进入到矿区水体环境，影响水质。矿区周边通常居民较为集中，周边农田种植及水产养殖等农业生产活动较多，因此矿区水环境问题可能会导致周边土壤、农作物、养殖水产等重金属超标，重金属再通过生物富集等方式直接或间接进入人体，对人体不同生命组织产生不可逆的危害。矿区水环境应该引起足够重视，对矿区进行重金属污染特征分析和水质综合评价尤为必要。

张丽娥[1]对广西大厂锡矿矿区下游水体—土壤—农作物重金属污染状况进行健康风险评价，结果表明河水、水田、蔬菜和大米均受到不同程度的重金属污染，As、Cd和Pb污染较严重。马先杰等[2]对贵州锰矿区地表水体和表层沉积物中Cr、Mn、Cu、Zn、Cd、Pb、As、Hg元素进行测定，多种评价方法进行重金属污染程度与生态风险进行评价，结果表明矿区地表水和表层沉积物受到重金属Mn的严重污染，Hg和Cd是主要的生态风险因子。黄茜蕊等[3]对“国家级绿色矿山试点单位”云南玉溪大红山铁矿周边水体进行调查，采用单因子评价法和内梅罗指数法评价，结果表明所有采样点的水质都为优良。刘瑞平等[4]对青藏高原典型金属矿山河流重金属污染进行研究，对比分析青藏高原金属矿山勘探、开采、闭坑阶段不同开发阶段河流重金属污染的严重程度。

学者对各类金属矿山矿区周边水体重金属已有诸多研究，针对两淮矿区煤矿开采对周边矿区的影响也有诸多学者进行研究：童柳华[5]、刘劲松[6]、徐良骥[7]、陈军[8]针对淮南地区采煤塌陷形成的特殊水体塌陷塘进行重金属元素和部分理化指标测定，并运用单因子指数法、内梅罗指数法、模糊数学综合评判法等对水质进行了评价；李影影[9]、张勇[10]、夏玉婷[11]、程琛[12]对淮北矿区塌陷水域及流经矿区河流进行水质评价。上述诸多学者的对矿区水体的研究多集中在某一类水体，塌陷水域或者河流，很少有就整个矿区各类水体整体的研究，本文以淮北矿区位于宿州东南的朱仙庄煤矿为例，对矿区内及周边各类水体进行采样测试分析，为矿区水资源综合利用提供科学依据。

1 研究区概况及采样

1.1 采样点概况

朱仙庄煤矿位于宿州市东南13 km处，属宿州市埇桥区管辖，西北距淮北市64 km。其边界：南与芦岭煤矿相邻，北、东、西均以煤层露头为界，深部至各煤层-800 m水平线；南北走向长9 km，东西倾向宽1.5～5.8 km，面积21.555 km2。研究区具体位置如图1所示。

朱仙庄矿区周边有多处河沟，矿区、生活污水均流向河流，矿区与周边河流距离均在1公里范围以内，矿区以西塌陷塘周围具有以鱼类养殖为主的池塘。水域错综复杂，并且各水域相距较近。根据不同水域功能，将所研究区域划分为7个水域，每片水域采集3组样品，共设21个采样点。并记录采样点经纬度，绘制采样点分布图，如图2所示。图2中，水域功能区A～G代表水体属性分布为：A—矿区西部池塘水；B—矿区西部生活用水；C—重天湖水；D—矿北部河水；E—矿北生活污水；F—洗煤水；G—矿井水。

图1 研究区概况

图2 样品采集位置点分布

1.2 水样预处理

根据朱仙庄四面环水的环境特性，周边居民居住分布不均匀等特点，实施了以朱仙庄煤矿为圆心向四周扩散的水样采集方法，对采样区域进行布点取样。现场采集水样中加入HNO3进行酸化确保重金属离子成离子状态，4 ℃低温储存，并在48小时内完成水质检测。

2 材料与方法

2.1 实验仪器

北京普析公司TAS-990型原子吸收分光光度计和PF6-2多道全自动原子荧光光度计，德国赫默Z32HK高速冷冻离心机，合肥金尼克机械制造有限公司JK-100B型超声清洗机、抽滤装置及实验室常用玻璃仪器。

2.2 实验方法

重金属Ni、Cd、Cr、Pb含量由北京普析公司TAS-990型原子吸收分光光度计测定，仪器方法选择原子吸收石墨炉法；重金属Hg、As含量由北京普析公司PF6-2原子荧光分光光度计测得，采用多通道同时测定。

2.3 分析方法

对重金属污染评价采用单因子指数法和综合污染指数法。

(1)

(2)

式中：P为综合污染指数；Pi为第i个污染物的污染指数；Ci代表第i个污染物的实测浓度；Si表示第i个污染物的标准浓度。当计算单因子污染指数时，标准浓度的选择依据相对应等级的上限；n表示污染物的种类。

3 结果与分析

3.1 重金属污染特征

根据各水域的具体情况，结合国内外地表水环境中普遍认为对生态环境有重要影响的Ni、Cd、Cr、Pb、Hg、As重金属元素进行了测定，环境背景值选择长江河源区水环境背景值调查结果[13-14]，各重金属含量如表1所示。

由表1可知，与长江河源区水体环境背景值相比，所测水域水样中Ni、Cd、Pb、Hg四种重金属含量均超过环境背景值，超出倍数几倍至百倍，其中Cd元素超出环境背景值倍数最多，最高达118倍。部分水域的Cr、As含量超出背景值，多数水样测试值在环境背景值以下。长江河源区作为未受人类活动影响的水体环境，这几种金属元素均有不同程度的超标，表明其受人类活动影响比较严重。

由表1中所列各重金属含量及地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中五类水质指标标准值，对比可知：所有水样中重金属Hg含量均超出 Ⅲ 类水质标准值，多数水样Ni含量超出 Ⅲ 类水质标准值，部分水样中Cd含量超出 Ⅲ 类水质标准值，部分水样Cr含量和多数水样Pb含量达到 Ⅲ 类水质标准，多数水样中Cr元素和全部水样中As元素所测浓度均远低于 Ⅲ 类标准规定的允许值，达到 Ⅰ 类水质标准。

表1 水域功能区重金属含量 单位：μg/L

结合采样点分布情况来看，矿区中有关煤矿开采和生产的水体中Hg含量最高，距离生产区较远的生活区水体中Hg明显降低。导致的原因一方面是矿区生产过程中矿井水及洗煤水的排放对地表水产生影响，另一方面矿区生活用水取自地下水，生活区水样Hg含量符合地质矿产区域地下水水质标准(DZ/T 0290-2015)和地下水质量标准(GB/T 14848-2017)中 Ⅲ 类饮用水水质要求。

3.2 单因子污染指数法

采用单因子污染指数法对所测水域进行水体污染评价，由于地表水环境质量标准中Ⅲ类水质可作为矿区水域功能区划分的明显界限，所以将其标准限值作为标准值计算单因子污染指数。污染指数范围所对应的污染水平分为五个等级：P≤0.7，水体清洁；P=0.7～1.0，水体较清洁；P=1.0～2.0，水体轻污染；P=2.0～3.0，水体中污染；P>3.0，水体重污染。计算所得单因子指数及污染水平见表2。

由表2可知：A～G水域中，Hg含量均超出Ⅲ类水质标准，属于污染水平，其中A、B、C和D四块水域属于轻度污染，E、F和G三块水域Hg污染情况较为严重，分别达到了中度污染、中度污染和重污染水平。各重金属元素污染程度Hg>Ni>Cd，污染水平各有差异；A～G水域均未受到Cr、Pb和As的污染，水体达到清洁水平。A～D水域属于轻污染等级；E、F水域属于中度污染等级；G水域属于重度污染等级。

表2 单因子污染指数及污染水平

3.3 综合污染指数法

采用综合污染指数法对采样水域进行污染评价，综合污染指数范围所对应的污染水平分为六个等级：P≤0.2，水体清洁；P=0.2～0.4，水体尚清洁；P=0.4～0.7，水体轻污染；P=0.7～1.0，水体中度污染；P=1.0～2.0，水体重度污染；P>2.0，水体严重污染。根据功能区水域水样中重金属含量及表2中单因子指数得到综合污染指数及污染水平，如表3所示。

由表3可知朱仙庄矿区采样水域水体总体污染情况：E、F和G水域水体处于重度污染水平，这与水样所属功能区一致，E、F和G水域分别为矿区生活污水、洗煤废水和矿井作业排出地表的矿井水；C、D水域属于中度污染水体，符合水产养殖、靠近生活污水排放区域的特点；A、B水域属于轻度污染水体，水体较清洁，存在个别检测项目超标导致水体处于轻度污染水平。相比重度污染水域，其他水域污染较轻可以从人工管理、地下水深度、河流流向以及距离矿区生产区远近等角度分析。

表3 综合污染指数及污染水平

4 结论与建议

(1)水样中重金属Hg均超出地表水环境质量标准Ⅲ类水质标准限值，达到Ⅳ类水质标准，地表水环境质量标准的Ⅳ类水体主要适用于工业用水及人体非直接接触的娱乐区用水，作为生活用水来源的A和B功能区， Hg含量是所测水域水样含量最低值，是符合生活饮用水卫生标准限值要求0.001 mg/L，但建议经处理后再使用。建议选择净水处理装置降低重金属含量，以防长时间饮用对人体肝、肾、神经系统、骨骼系统造成重大损伤[15]。在重天湖的养殖水中平均含量达到0.0002 mg/L，符合国家鱼业水质标准规定的Hg≤0.0005 mg/L，但部分湖水水样不符合Cd≤0.005 mg/L的标准。所有水域水样均符合农田灌溉水质标准中Hg≤0.001 mg/L、Cd≤0.01 mg/L的规定，所有水体均适合用于农田灌溉。

(2)通过单因子污染指数和综合污染指数法分析朱仙庄矿区各水域功能区污染状况，得到重金属元素污染程度Hg>Ni>Cd，其中水体中Hg元素贡献最大，各功能水域中水样越靠近煤矿生产区汞离子含量越高，污染越严重。两种评价方法得到水质状况基本一致，且与功能区划分一致：矿区西部用于居民生活用水的水域A和B水体较清洁，满足要求；C和D水域距离煤矿开采和生产区较近，湖水和流经河流均受到影响，水体处于中度污染水平；E、F和G为矿区生活生产废水，水质为重度污染。建议根据水域功能区划分及水质评价结果，对相应水质进行处理后排放或再利用，尤其对整体水质状况较好单个污染因子超标情况进行针对性处理，以期达到矿区水资源合理综合利用和缓解矿区水资源紧张困境。