朱仙庄矿区水化学特征分析与水质评价

程 琛，刘佳俊，汪 玲

1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州,234000；2.安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽宿州,234000;3.矿井水资源化利用安徽普通高校重点实验室，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，矿产资源的开发利用产生的环境问题日益凸显[1-4]，对矿区生态环境进行治理与修复，走绿色矿业发展之路是新时代发展趋势与要求[5-7]。煤矿作为重要的能源矿产，其开采及选矿生产对周边农田、河流、居民生产生活都会产生影响[8-10]，尤其对水环境的影响日益显现。煤矿水环境较为复杂，有矿井开采外排水[11]、矿井水[12]、河流水[13]、塌陷塘[14]等水体，对各类水体进行研究也是诸多学者对矿区环境研究的重要方面。两淮矿区是我国大型煤炭基地之一，矿山企业较为密集，矿区水环境复杂，对矿区水环境常见研究有水化学特征分析、重金属污染特征分析、生态风险评价、水环境质量评价等[15-19]。谢毫等[20]对两淮矿区潘谢矿区和临涣矿区主要含水层水化学特征差异进行比较研究发现两淮矿区水化学特征和离子来源在空间上均有一定差异性。黄望望[21]等对淮南新集矿区深层地下水水化学特征及成因进行研究，发现该区砂岩水为高矿化度水，水化学类型主要为Cl-Na型，太灰水多为中矿化度水，水化学类型主要为HCO3·Cl-Na型和Cl-Na型。夏玉婷[22]研究了宿东矿区塌陷塘水化学特征、重金属含量变化，并开展重金属健康风险评价和水质综合评价。

当前对矿区水体的研究多集中在某一类水体的研究，缺少将矿区各功能性水域作为整体进行研究。本文以安徽淮北矿区的朱仙庄煤矿为例，对矿区内及周边各类水体进行采样、测试、分析与评价，为矿区水资源综合利用提供理论依据。

1 区域概况及水样采集

1.1 采样点概况

朱仙庄煤矿位于安徽省宿州市东南13 km处，西北距淮北市64 km。其南与芦岭煤矿相邻，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 km～5.8 km，面积21.555 km[23]。研究区具体位置如图1所示。

图1 研究区概况

朱仙庄矿区周边河、塘较多，矿区生产水体及生活污水均流向河流，矿区以西的塌陷塘周边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。根据水域功能不同，将所研究区域划分为七个水域，每片水域采集3组样品，共设21个采样点。记录采样点经纬度，绘制采样点分布图，如图2所示。

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特征，周边居民居住分布不均匀的特点，对区域进行采样时，以朱仙庄煤矿为圆心向四周扩散采集水样，进行有间隔的多次随机取样。水样采集后立即送至安徽省矿井水资源化利用重点实验室进行预处理和测试：对常规测试水样进行0.22 μm滤膜抽滤后低温冰箱保存，并48 h内完成测试；对酸碱滴定的水样24 h内进行滴定；对测试重金属的水样加入HNO3进行酸化确保重金属元素成离子状态，4 ℃冷藏避光保存，并在48 h内完成水质检测。

2 研究方法

2.1 实验仪器

美国赛默飞公司ICS-900型和ICS-600型离子色谱仪：AS19阴离子交换柱(250 mm×4 mm)、AG19阴离子保护柱(50 mm×4 mm)、CS12阳离子交换柱(250 mm×4 mm)、CG12阳离子保护柱(50 mm×4 mm)、AS-DV自动进样器、RF30淋洗液发生装置、Chromeleon 7色谱工作站。北京普析公司TAS-990型原子吸收分光光度计；北京普析公司PF6-2原子荧光分光光度计；德国贺默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、抽滤装置等。

2.2 实验方法

水样中常规离子F-、Cl-、NO3-、SO42-、Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+含量由离子色谱仪测定；CO32-和HCO3-由传统滴定方法测得；重金属Ni、Cd、Cr、Pb含量的测定采用原子吸收石墨炉法；重金属Hg、As含量采用原子荧光光谱仪测定。

2.3 分析方法

利用Aqua Chem3.7软件对所测常规阴阳离子进行水化学特征分析，得到常规离子特征Piper 三线图。以所测常规阴阳离子和重金属为评价因子进行内梅罗综合指数法水质综合评价，用综合污染指数法和分级型指数法进行验证。

3 结果分析与评价

3.1 水化学类型分析

利用水化学软件AquaChem对水样中主要阴离子(Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-)和阳离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)进行数据分析和绘图，得到Piper三线图，如图3所示。

图3 主要阴阳离子Piper三线图

图3中Na代表Na+和K+浓度总和所占的每升毫克当量百分数，HCO3代表HCO3-和CO32-之和。由图可知：阳离子主要沿着Na-Mg一端分布且靠近Na端，表明主要阳离子为Na+，Mg2+和Ca2+浓度不高；阴离子沿以HCO3-Cl一端分布且靠近HCO3端，故主要阴离子为HCO3-，其次为Cl-和SO42-。水化学类型有Na-HCO3-Cl-SO4型和Na-Mg-HCO3-Cl型并以Na-HCO3-Cl-SO4为主，这与Piper三线图中离子分布特征及实际测试水样浓度结果一致。

3.2 水质特征分析

图4 朱仙庄矿区水样中离子浓度变化

参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中五类水质等级标准值和补充项目标准值，根据各离子浓度大小，对矿区水体单个指标进行水质等级分类，数理统计分析及水质等级如表1所示。

表1 水体各元素含量分析

由表1可知,NO3-、NH4+、Cr、As浓度变异系数较大，与图4曲线波动一致，其中Cr变异系数高达2.04较易从图中看出，其余离子由于图中纵坐标范围较大本身浓度较低图中反映不明显；F-和NH4+离子浓度超出Ⅲ类标准较高，达到劣Ⅴ类水质标准，结合水样分布特点，超标水样均来自矿区水域功能划分的生活污水，即E-矿北生活污水；由各离子最大值和最小值所属水域可以看出，最大值多数出现在各类废水排出水域，即E-矿北生活污水、F-洗煤废水或G-矿井排水，最小值多数出现在人工干扰较少的自然水体区域，即A-矿区西部池塘水或B-矿区西部生活用水。

3.3 内梅罗综合指数法

选择F-、Cl-、NO3-、SO42-、NH4+、Ni、Cd、Cr、Pb、Hg、As共11种离子作为评价因子，采用内梅罗综合指数法对矿区水体进行综合评价，计算过程及计算公式如下：

内梅罗指数计算公式：

表2 内梅罗指数等级划分标准

结合各评价因子实测浓度及《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中各类水质等级标准限值，根据表2中内梅罗综合污染指数及其对应的污染水平，计算得到朱仙庄矿区水质评价结果，如表3所示。

表3 内梅罗综合污染指数

由表3可知，矿区整体水质呈现轻污染状态，内梅罗综合污染指数为1.61；以各功能区水域为独立单元进行内梅罗指数计算时，除B-矿区西部生活用水和G-矿井排水水质清洁、E-矿北生活污水为重度污染水体外，其他水域均为轻度污染水体，与矿区整体水质评价一致。矿区对水质贡献最大的污染因子分别为NH4+、F-、NO3-和Ni，以单个评价因子为整体得到内梅罗指数分别为4.57、2.52、1.94和0.77；而以各水域功能区为单元时，这四种离子的污染权重为NH4+>NO3->F->Ni，最大指数分别为5.15、2.66、0.93和0.91。

通过Origin软件拟合污染影响最大两种因子NH4+和NO3-相关性，如图5所示。

图5 部分水样中与相关性分析

由图5可知， NO3-浓度在标准限值10 mg/L内，NH4+与之相关性较高，相关系数可达0.8以上。NH4+和NO3-两种离子浓度较高的功能水域分别为E-矿北生活污水和A-矿区西部池塘水，可能与微生物活动及水产养殖有关。由于G-矿井排水微生物活动微弱，NH4+和NO3-含量低，浓度高的HCO3-、Na+不作为污染指标不进行水质评价，参与水质评价的重金属Hg、Ni均以实测浓度标准上限Ⅳ类标准值进行计算，单因子结果较小，因子权重较小，最终计算出的综合污染指数小于1.0，水质污染水平为清洁。

3.4 其他评价方法

采用综合污染指数法和分级型指数进行验证内梅罗指数法评价结果。

表4 综合污染指数法和分级型指数法等级划分标准

根据各评价因子实测浓度值及其对应的标准值，结合表4等级划分得到各功能水域及矿区水质评价结果，如表5所示。

表5 综合污染指数法和分级型指数法评价结果

4 结论与建议

通过内梅罗综合指数法对矿区整体水质进行污染评价，计算得到综合污染指数为1.61，水体属于轻污染水平。B-矿区西部生活用水和G-矿井排水水质清洁，E-矿北生活污水为重度污染，其他水域与矿区整体水质评价一致。矿区对水质贡献最大的污染因子NH4+>NO3->F->Ni，最大指数分别为5.15、2.66、0.93和0.91。NH4+和NO3-离子浓度在一定范围内，存在相关性，且相关系数达0.82。

综合污染指数中单因子平均指数NH4+>F->Cd，分级型指数法单因子分值评分较低的有F-、NH4+、Hg和Ni；综合污染指数法和分级型指数法得到结论与内梅罗指数法所得矿区水质结论一致，水质均为轻污染水平，水质评价因子F-、NH4+均为主要影响因子，三种评价方法对于不同功能区水域评价结果，至少有两种保持一致。