沙地生态脆弱区矿井水资源灌溉适宜性评价

王甜甜，杨 建，赵 伟

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，西安710077；3.西安中地环境科技有限公司，西安710077）

0 引 言

目前，我国煤矿97%以上以井工开采为主[1]，在开采过程中为保障井下生产安全必须大量疏排地下水形成矿井水。据统计，我国每开采1 t 原煤约产生2 t 矿井水[2,3]，同时受采掘、运输和人为活动的影响，矿井水极易受到污染[4.5]，常含有悬浮物、硫酸根、盐分、重金属等污染物[6]。污染的矿井水直接外排污染地表水及地下水、影响植物生长、破坏矿区生态环境[7]。我国西部煤炭生产区水资源短缺、地表植被稀疏、生态环境脆弱[8]。若将矿井水用于生态灌溉，可实现矿区水资源利用与矿区生态环境保护协调发展。但是污染的矿井水若未经处理直接用于植被灌溉，悬浮物可破坏土壤的团粒结构，使土壤板结；盐分超标会造成植物细胞缺水枯黄，而且长期使用高盐水灌溉，引起土壤盐渍化[9]；重金属难以降解，易在土壤中富集，并通过土壤-植物-动物-人类逐级迁移，威胁人体健康。因此，在利用矿井水进行生态灌溉之前，进行生态灌溉适宜性评价十分必要。

目前，针对矿井水资源灌溉适宜性评价的研究较少。E.B.戈里高留克[10]利用钠吸收比分析了矿井水灌溉农田的可行性；翟建平[11]利用农业灌溉标准与矿区原水、再生水和清水的水质对比，分析其对土壤性能和土壤微生物影响；石金芳[12]主要利用EC、SAR、Na%和KI指数分析煤矿排水对农田灌溉的适宜性；前人的研究为矿井水资源的利用及灌溉提供了新的思路，但是在灌溉可行性评价方面考虑因素单一，缺少综合性的分析与评价。而矿井水水环境是一个充满不确定性的复杂系统，矿井水中存在多种污染物，所以仅以盐分为主要因素去评价矿井水灌溉的可行性比较片面。矿井水灌溉适宜性评价其实质是矿井水是否对土壤产生不良影响，即有无盐碱危害；是否破坏土壤结构，影响土壤的渗透性[13]；是否钠含量超标，影响作物生长；是否重金属超标，威胁地下水水质安全。

本文以典型的沙地生态脆弱区敏东一矿为例，采用盐度危害性（S）、碱危害性（SAR）、渗透性指数（PI）、可溶性钠含量（SSP）与重金属污染指数（HPI）对多源矿井水资源进行灌溉适宜性评价，然后在此基础上采用极限条件法确定各类矿井水资源的最终适宜性。以期为研究区进行矿井水资源灌溉提供科学的理论依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况

敏东一矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔市，属于沙地生态脆弱区[14]，其土壤质地粗疏，且受过度放牧和矿产开发的影响，沙化日益严重，植被覆盖率逐年下降，造成区内植被类型单一，多以天然干草场为主，草场覆盖率约为50%～70%。矿区周边仅在伊敏河附近存在农田，多以旱地为主。

敏东一矿设计规模为500 万t/a，主采16-3 煤层，主要含水层自上至下依次为：第四系砂砾石含水层（第四系含水层）、15 煤层组顶板及层间砂砾岩、砂岩含水岩组（Ⅰ含水层）、16煤层组顶板砾岩、砂砾岩含水岩组（Ⅱ含水层）和16煤层间砾岩、砂砾岩含水岩组（Ⅲ含水层）。

根据水文地质补勘报告，矿井水主要来源于直接充水水源（Ⅲ含水层）和间接充水水源（Ⅱ含水层、Ⅰ含水层及第四系含水层），其通过充水通道（“天窗”、断层和导水裂隙带）或疏放等形式进入井下，之后在采空区、工作面和巷道中局部汇集（其间也包含生产废水的汇集），然后再通过自流或抽排的形式汇入水仓中，再由水泵抽排至地表，经处理后排入排水沟中。敏东一矿矿井水汇排过程，如图1所示。

图1 敏东一矿矿井水汇排过程图Fig.1 Mindong No.1 mine water convection process diagram

1.2 取样与检测

为全面了解敏东一矿多源矿井水资源水质是否可以用于灌溉，分别采集充水水源、井下不同位置及地表水沟水样。其中：充水水源10组（第四系含水层3组、Ⅰ含水层2组、Ⅱ含水层3 组、Ⅲ含水层2 组）、采煤过程5 组（采空区2 组、工作面2组、巷道1组）、水仓1组、排水沟1组，共计17组，采样点位置分布图如图2所示。

图2 敏东一矿水样分布图Fig.2 Sampling location of Mindong No.1 mine

水样选用2 L 塑料瓶采集，采样前用待取水样润洗2～3次，采样后，经初级沉淀过滤处理后密封，标注取样地点与日期，送往至陕西工勘院环境检测有限责任公司，按照《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)进行检测，检测指标包括常规离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO-3、SO2-4、Cl-)检测及重金属（Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、As、Se、Cd、Cr6+、Pb）检测。

1.3 研究方法

矿井水资源灌溉适宜性评价，主要是分析矿井水资源进行生态灌溉是否对土壤和农作物产生不良反应，即是否产生盐渍化危害，这不仅与土壤自身特征有关，还与水体中各离子的含量以及它们之间的组合比例有关[14]。因此，本文对各类矿井水源进行灌溉适宜性评价，主要包括：盐度危害性（S）、碱危害性（SAR）、可溶性钠含量（SSP）、渗透性指数（PI）与重金属污染指数（HPI）分析，然后在此基础利用极限条件法确定各类矿井水资源的最终适宜性。矿井水生态灌溉可行性评价流程如图3所示。

图3 多源矿井水资源灌溉适宜性评价流程图Fig.3 Irrigation suitability evaluation flow chart of multi-source mine water resources

（1）盐度危害性（S）。盐度危害性（S）表示水体中Cl-和盐类可能发生的最大危害含量，当S＞10～15 mmol／L时，大多数植物苗期会受到抑制[15]。其计算公式如下：

式中：Na+、Cl-、SO2-4浓度单位均以mmol/L表示。

（2）碱危害性（SAR）。碱危害性（SAR）为钠吸附比[16]，表示Na+和土壤交换反应的相对活度，用以衡量灌溉水造成土壤碱化的程度，根据《城市污水再生利用绿地灌溉水质》(GBT25499-2010)标准要求，土壤碱化程度SAR≤9，则不会造成土壤碱化[17]。其计算公式如下：

式中：Na+、Ca2+、Mg2+浓度单位均以mmol/L表示。

（3）可溶性钠含量（SSP）。当灌溉水中Na+含量较高时会引起土壤中Na+积累，使得水中Na+交换黏土颗粒吸附的Ca2+和Mg2+，导致土壤渗透性降低，土壤水分运移受阻[18]，当SSP＞60%时，则不宜用于农田灌溉[19]。SSP计算公式如下：

式中：Na+、K+、Ca2+、Mg2+浓度单位均以mmol/L表示。

（4）渗透性指数（PI）。长期使用高盐灌溉水会影响土壤渗透性，因此需要渗透性指数（PI）判断水体对土壤渗透性的影响[18]。如果水体PI＞70%则不会影响土壤渗透性，PI＜25%则会影响土壤渗透性[20]。其计算公式如下：

式中：Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3浓度单位均为meq/L。

（5）重金属污染指数（HPI）。采煤活动一般会使水体受到含有重金属煤层的影响，导致其重金属含量增加。重金属污染指数（HPI）[21,22]表示重金属在水体中的总质量，是以加权算术平均值为基础，对水体中重金属产生的水质污染影响进行综合评价。利用HPI分析各类矿井水重金属的污染程度，可以反映其重金属对土壤的毒害，通常取HPI临界污染指数为100，当HPI＞100时，则认为该水体中重金属污染程度已超出其承受的最高水平，会对农田产生一定的影响。其计算公式如下：

式中：wi为第i个重金属指标的权重，wi=k/Si，k为比例常数，通常取1；qi为第i个重金属指标的质量等级指数。

式中：mi为水体中重金属的实际检测浓度值，mg/L；Si为重金属指标的最大限值，可选用《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)规定的Ⅳ类限值，因为“Ⅳ类地下水”适用于农业用水，mg/L；Ii为重金属指标的理想值，可选用《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)规定的Ⅲ类限值，因为“Ⅲ类地下水”适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 矿井水水质分析

矿井水水质特征分析是矿井水生态灌溉评价的基础与前提，对研究区的矿井水、间接充水水源及直接充水水源中常规离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO-3、SO2-4、Cl-)及重金属（Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、As、Se、Cd、Cr6+、Pb）进行检测，结果见表1和表2。

表1 矿井水常规离子检测结果Tab.1 Results of conventional ion detection in mine water

表2 重金属污染指数（HPI）评价指标检测结果Tab.2 Heavy metal pollution index(HPI)evaluation index test results

17 组水样中主要的阳离子为Na+，其质量浓度为22.91～271.42 mg/L，且矿井水及其直接充水水源中Na+质量浓度大于矿井水间接充水水源，所有水样中Ca2+、K+、Mg2+的质量浓度较小，平均质量浓度均小于10 mg/L，主要的阴离子为HCO3-，质量浓度为114.70～663.14 mg/L，其次为Cl-和SO42-。

通过将研究区水样中重金属质量浓度与《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)及《城市污水再生利用绿地灌溉水质》标准（GB/T19772-2005）对比发现，十种重金属中Hg、As、Se、Cd、Cr6+5 种重金属质量浓度远低于Ⅲ类限值，证明研究区未遭受Hg、As、Se、Cd、Cr6+五种重金属的污染。仅Fe、Mn、Zn、As、Pb 五种重金属质量浓度超过Ⅲ类限值，其中，Fe 和Zn 的超标率较高，17 组水样中9 组水样中Fe 的质量浓度大于0.3 mg/L，且05 工作面2 水样中Fe 的质量浓度高达36.02 mg/L；同样，9组水样中Zn的质量浓度大于1 mg/L，且间接充水水源及矿井水中Zn的质量浓度均超过1 mg/L。因此选择Fe、Mn、Zn、As、Pb 5种重金属作为HPI模型的评价指标。

2.2 矿井水生态灌溉适宜性评价

根据公式(1)～(6)分别对各类矿井水资源进行盐度危害性（S）、碱危害性（SAR）、可溶性钠含量（SSP）、渗透性指数（PI）与重金属污染指数（HPI）计算，并根据计算结果绘制评价指标柱状图（图4）。

由图4（a）可知，17 组水样盐度危害性（S）为0.12～5.60 mmol/L，均小于10 mmol/L，说明各类矿井水源盐度均符合要求，直接进行灌溉不会抑制植物生长。

由图4（b）和图4（c）可知，17 组水样碱危害性（SAR）为0.76～32.40，可溶性钠含量（SSP）为27.31～97.26，其中直接充水水源、采空区、工作面、巷道、水仓水样评价结果分别为13.29～32.40、91.13～97.26，均大于适宜限值（9 和60），说明水体中的碱含量、可溶性钠含量偏高，不适宜生态灌溉。因为，敏东一矿矿井水主要来源于Ⅲ含水层的疏放，而Ⅲ含水层由于埋深较大，地下水的补给、径流、排泄条件比上覆含水层较弱，致使水体中的Na+质量浓度较高，进而导致可溶性钠含量偏高，同时采空区、工作面、巷道、水仓等矿井水评价结果也受其影响。而地面水沟水样为水处理后的排放水，因此该水体的评价结果为适宜。

图4 矿井水资源灌溉适宜性评价结果Fig.4 Evaluation results of suitability of mine water resources for irrigation

由图4（d）可知，渗透性指数（PI）为53.33～136.36，均大于25，大部分水样评价结果大于70%，为适宜灌溉，只有部分第四系含水层水样评价结果在25～70，为比较适宜灌溉。说明各类矿井水源长期进行灌溉对土壤渗透性不会造成影响。

由图4 （e） 可知，重金属污染指数（HPI） 在7.44～448.81，矿井水间接水源HPI值小于100，适宜灌溉，但是直接充水水源及矿井水，HPI值均远大于100，不适宜灌溉。这是由于Ⅲ含水层及矿井水中重金属Fe、Zn、Mn、AS等重金属质量浓度较高，超出地下水质量标准Ⅲ限值。

为综合评价研究区水样灌溉适宜性，对各指标的评价结果使用极限条件法，即根据评价结果中最差的指标确定灌溉的适宜性，极限条件法综合评价结果见表3。由结果可知，直接充水水源、采空区、工作面、巷道、水仓水样均不适宜农田灌溉，长期灌溉会严重威胁植物的生长安全，而间接充水水源和可用于生态灌溉。由此说明，敏东一矿浅部含水层（第四系含水层、Ⅰ含水层、Ⅱ含水层）水质符合植被灌溉要求，而深部含水层（Ⅲ含水层）和井下采煤过程疏放水、生产废水和水仓水由于受地层矿物溶滤、采煤活动等因素的影响，其水质无法达到植被灌溉要求，所以对于这类矿井水样必须进行处理达标后灌溉，不可直接用于灌溉。

表3 极限条件法确定最终灌溉适宜性评价结果Tab.3 Limit condition method to determine the final evaluation results of irrigation suitability

3 结 论

（1）研究区水样中主要阳离子为Na+，阴离子为HCO3-，矿井水直接充水水源及矿井水中Fe、Mn、Zn、As、Pb 5 种重金属质量浓度较高，超出地下水质量标准Ⅲ限值及《城市污水再生利用绿地灌溉水质》标准。

（2）敏东一矿各类矿井水资源中只有直接充水水源、采空区、工作面、巷道和水仓水样的SAR（13.29～32.40）和SSP（91.13～97.26）及矿井水样的HPI（150.43～448.81）不适宜生态灌溉，其他水样均适宜，同时各类矿井水样的S（0.76～32.4）和PI（53.33～136.36）符合生态灌溉要求。

（3）根据极限条件法原则，矿区浅部含水层符合生态灌溉要求，而矿井水直接充水水源及矿井水（采空区、工作面、巷道、水仓水样）由于地层矿物溶滤和采煤活动的影响，水质未达到生态灌溉要求，灌溉前必须进行处理。