地表储集矿井水水质特点与重金属污染评价

2023-08-07毛礼鑫王鹏程朱士飞姜迎春

中国煤炭地质 2023年6期

毛礼鑫，王鹏程，朱士飞*，吴蒙，姜迎春，曹磊

（1.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006；2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏徐州 221006；3.兖矿能源集团股份有限公司济宁二号煤矿，山东济宁 272072；4.山东能源新矿内蒙古能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 016200）

0 引言

矿井水排出是矿井安全生产的需要，有时会对生态环境和人类健康产生负面影响，在西部地区更是如此。西部地区位于黄河中上游，分布着我国超过半数的煤炭基地和火电基地，也是高矿化度矿井水主要集中区之一，如内蒙古、甘肃、陕西等地［1］。目前的脱盐技术成本较高，西部煤矿区的高矿化度矿井水只有部分经过处理后用于矿区的生产生活，大部分矿井水多储集在地表人工湖中，散发刺鼻气味，严重影响当地土壤、空气以及水质［2］。《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》指出要注重水源涵养、防止水土流失，对待生态敏感脆弱区要实施严格的污染物排放限制。西部地区多为草原型煤矿区，是我国北方地区的生态屏障，其气候干旱，水土流失严重，属于生态脆弱区，环境极易破坏且短时期难以自然恢复。此外，黄河中上游地区的环境污染会对黄河流域中下游生态产生影响，因此西部地区的矿井水应当给予更多的关注。

长期以来，学者们更为关注原生矿井水的水质特点与演化机理、水化学评价、水害防治、零排放预处理、深部回灌存储以及资源化利用等问题［3-4］。如顾大钊等从煤矿安全生产的角度研究神东矿区地下水的分布规律［5］，李竞赢等从矿井水化学特征的角度研究张集矿矿井水的化学组成，并采取分级分类的方法探讨矿井水利用的方向［6］，王楠等从人体健康的角度研究了石河子地区地下水重金属污染情况［7］。此外，前人通过脱盐技术、地质封存等手段研究高矿化度矿井水的处置与资源化利用［8-10］。然而，针对长期储集在地表人工湖的矿井水研究较少，对其水质特点、时间效应、健康风险缺乏认识。以鄂尔多斯上海庙矿区人工湖中储集的矿井水为例，分析各种重金属的污染特性、生态风险、健康风险，结合水质特点开展利用评价，以期为西部地区矿井水的绿色储集与资源化利用提供依据。

1 样品来源及测试

研究区位于位于鄂尔多斯盆地西北缘，地理位置属于中温带典型大陆性干旱荒漠气侯，干旱少雨，日照时间长蒸发强烈，黄河在其西北部约14km。系统梳理研究区勘探报告、建井地质报告等资料可知（包括长城一号井、二号井、三号井、四号井、五号井、六号井），上海庙矿区矿井水主要来自第四系和新近系含水层，涌水量分别为0.023 ～5.76 L/（s·m）、0.000 075 93 ～0.271 L/（s·m），其次是二叠系石盒子组含水层，石炭系含水层和奥陶系含水层的涌水量较小。整体以高矿化度水为主，矿化度为524～8 790mg/L。

为研究矿井水长期储集地表后的特征以及变化，2022年2月于上海庙矿区、矿区中心水厂三号储集湖分别采取原矿井水、地表储集矿井水，包括原矿井水（W0）、人工湖短期储集矿井水（W1）、人工湖长期储集矿井水（W2）以及处理后的矿井水（W3）各1 份。此外，采集湖底淤泥样和湖岸土壤样品各1份，用以研究矿井水储集对周边土壤的影响。

本次水质分析及重金属测试均由中国煤炭地质总局检测中心完成。

2 结果与讨论

2.1 水化学特征与水质评价

由表1 可知，水样中阳离子以Na+占绝对优势，Ca2+、Mg2+、K+含量较少，Fe2+、Fe3+均未检出。阴离子以Cl-为主，其次是SO4

表1 矿井水水化学测试结果Table 1 Hydrochemical analysis results of mine watermg/L

2-和HCO3-。研究区矿井水具有高矿化度特点，水质呈弱碱性，pH 值平均为8.18，按照《煤矿矿井水分类》（GB/T 19223—2015）属于中性矿井水。

依据水化学数据可分析地下水的主控因素。水样中Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+HCO3-）比值分别为0.93～0.96，0.67～0.77，数值均大于0.5，且样品的TDS 较高，这表明矿井水化学组成的主要因素为蒸发结晶作用，研究区位于干旱内陆地区，干旱气候条件下，降水量小、蒸发量大、地下水补给不足，使得矿井水盐分浓缩，而大气降水作用对研究区地下水的影响极其微弱。

水资源匮乏是西部地区农业发展的现实问题，根据钠吸附比（SAR）和WQI水质评价方法分析矿井水用于农业灌溉和饮用的可行性［11］。本次选取水中阴离子HCO3-、SO42-、Cl-，阳离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+，以及pH值、TDS、EC共计12个水质化验参数计算WQI值。处理后的矿井水（W3）WQI值小于50，为可饮用的优质水资源，而原矿井水（W0）和地表储集矿井水（W1、W2）的WQI值分别大于200、300，饮用风险值极高（图1）。并且随着在地表储集时间的增加，风险程度增加。SAR值显示的钠毒害风险结果与WQI法评价结果一致，即W0、W1、W2钠毒害风险值依次增加，这可能与当地气候干燥有关，随着地表储集时间的增加，蒸发浓缩作用增加了水中盐浓度。除W3外其他水样SAR值均大于50，表明不可作为农业灌溉用水。

图1 水质评价结果Figure 1 Water quality assessment results

2.2 重金属含量特征

测试了水样、土壤样中As、Hg 等9 个重金属元素的含量，样品重金属含量有明显差异（表2）。根据《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），AS、Mn、Ni 含量符合III 类地下水质量标准，Cu 为II 类，其他重金属符合I 类地下水标准。整体来看，地表储集矿井水的重金属浓度低于鄂尔多斯地区淡水中重金属含量的平均值，高于鄂尔多斯市饮水源的重金属含量（Cr、Cd、Mn 除外）。处理后的矿井水（W3）重金属含量最低，地表储集矿井水（W1、W2）的重金属含量为前者的2～10 倍。土壤样品中，湖底淤泥重金属含量最高，浓度是内蒙地区背景值的1.0～2.2 倍，且高于人工湖周边土壤中重金属的含量。

表2 重金属测试结果与背景值Table 2 Heavy metal test results of samples and regional background valuesx

如图2所示，计算储集时间不同水样中重金属浓度差值、湖底淤泥与湖岸土壤中重金属浓度差值。可以看出，水样重金属差值为负值（As除外），而土壤样中重金属差值为正值（As 除外），并且两者有明显的线性关系（R2=0.84）。前人研究表明水中重金属可以通过物理、生物、化学作用沉淀富集在底部沉积物中［12］，通常人工湖底铺有防尘隔离，底泥很少，因此推断淤泥中的重金属来源于人工湖储集的矿井水，这与长期储集水样（W2）的重金属含量降低的结果是一致的。通过水样、淤泥样品中重金属含量的差异性可以看出，矿井水在地表储集会产生湖底淤泥重金属富集效应，对周边生态环境产生威胁。

图2 矿井水与淤泥中重金属关系Figure 2 Relationship between heavy metals from mine drainage and silt

2.3 重金属生态风险评价

单因子污染指数I用于明确不同重金属的生态污染效应，可初步评价重金属污染状况。然而，重金属污染不仅与浓度相关，更与不同重金属的毒理性关系密切，选择潜在生态风险指数法综合评价多种重金属对环境的负面效应［13］。为了全面研究地表储集矿井水对周边环境的影响，本次分别对水样和湖底淤泥的重金属进行生态风险分析。水样重金属的背景值参考鄂尔多斯市淡水湖重金属浓度平均值，数据来源于鄂尔多斯市生态环境局，土壤样品背景值依据内蒙古土壤重金属含量平均值［14］。

单因子污染指数I计算结果表明，除Cr元素外，地表储集矿井水重金属污染指数（0 ～2.95）大于鄂尔多斯市饮水源（0 ～0.87），并且长时间储集的水样W2 的污染指数明显小于短期储集矿井水W1（图3）。地表储集矿井水中重金属污染程度Pb ＞Cr ＞Hg ＞Zn ＞Cu ＞As ＞Cd，其中Pb、Cr、Hg 污染指数大于1，属于轻度污染。然而，淤泥中所有重金属的污染指数I均大于1，重金属迁移的过程中可能导致水体重金属污染程度加重。

图3 单因子污染指数评价结果Figure 3 Evaluation results by single factor pollution index

由于引入重金属毒性效应系数Tr，依据潜在生态风险系数结果得出的重金属污染程度排序结果与单因子污染指数不一致（图4），水样中重金属污染程度Hg ＞Pb ＞Cr ＞As ＞Cu ＞Zn ＞Cd，除Hg外其他重金属的潜在生态污染系数均小于40。淤泥中Hg 和Cd 的潜在生态污染系数分别为40、56.6，为中等污染风险。累计求和可得多种重金属的潜在生态危害指数RI，水样和淤泥样品RI值均大于100，表明在多种重金属累积下存在生态风险。

图4 重金属潜在风险指数评价结果Figure 4 Evaluation results of potential risk index of heavy metals

2.4 重金属健康风险评价

重金属对生态环境产生影响的同时，通过直接或者间接的方式对人类的健康产生威胁。选择危害商数指数HQ、致癌风险评价指数R分别评估化学非致癌物质和化学致癌物质对人体的危害，计算模型参考文献［15-16］，该模型将人体通过饮水等途径接触重金属的含量与参考含量RfD、SF（本次参考美国环境保护局的推荐值［17-18］）的比值作为健康风险判别依据，研究认为，当HQ＞1 时存在健康风险，当R＞1×10-4时存在致癌风险。

表3 为健康风险评价结果，人工湖储集矿井水重金属的危害商数均小于1，经过求和可得出8种重金属累积危害商数指数，矿井水的累积指数分别为0.28、0.23，表明地表储集矿井水重金属的非致癌风险和总体非致癌风险较低。致癌风险指数中Cd 小于1E-06，As、Cr 的数值大于1E-06 但是小于1E-04，说明重金属致癌风险整体可控。通过与鄂尔多斯市饮水源水质比较可知，地表储集矿井水与当地饮水源水质存在明显差距，大部分重金属的非致癌风险大于当地饮水源（Cr除外），As的致癌风险也大于当地饮水源。

表3 重金属健康风险评价结果Table 3 Results of health risk assessment for heavy metals

前人研究表明水环境（pH 值、盐度、温度等）的改变会影响水中重金属的迁移［12］，由于研究区气候干燥，随着储集时间的延长地表储集矿井水盐度不断增加，湖底淤泥中重金属存在释放的可能，因此，不能忽视那些储集矿井水中浓度不高但是淤泥中浓度较高的重金属元素。综合矿井水和淤泥的重金属生态风险评结果认为，地表储集矿井水存在Hg、Cd、Pb、Cr 等重金属污染的可能，需要重点关注Hg、Cd 的生态污染风险和As、Cr 的致癌风险。