大冶矿区及周边地下水环境特征与污染源分析*

2023-09-23向罗京申锐莉

环境污染与防治 2023年9期

丁康向罗京申锐莉

(湖北省生态环境科学研究院,湖北武汉 430072)

随着经济高速发展,矿产资源被大量开发利用,由此引起的矿山环境问题日益突出,特别是矿山开采对地下水的影响受到许多学者的关注[1-3]。地下水由于埋藏于地面以下岩土孔隙、裂隙、溶隙饱和层中,其污染具有长期性、隐蔽性、复杂性和难恢复性特点,一旦受到污染,不仅会破坏生态环境,甚至会威胁人们的身体健康[4]。

大冶矿区位于长江中游、鄂东南丘陵地区,地下水是当地居民生活用水和农业灌溉用水的重要水源。大冶矿区的基岩山区表层土壤少导致蓄水能力弱,第四系地层厚度薄导致地下水资源量少,所以当地部分居民还面临着饮用水得不到保障的风险。矿山开采活动更是导致地下水水质不佳。以往对大冶矿区生活污染、农业污染导致的地下水氮磷超标问题已有关注[5],但矿山开采引起的地下水环境问题未引起足够重视。因此,本研究全面分析了大冶矿区及周边地下水主要离子含量和水化学特征,探讨了地下水的污染物特征和来源,并对地下水健康风险进行评估,以期为揭示矿山开采引起的地下水环境问题提供参考。

1 方法

1.1 水样采集与分析

图1 大冶矿区水文地质及采样点分布Fig.1 Hydrogeological and sampling points distribution in Daye Mine

1.2 健康风险评估模型

(1)

HQ=CDI/RfD

(2)

式中:CDI为暴露剂量,mg/(kg·d);C为地下水中有毒有害物质的质量浓度,mg/L;IR为人的每日饮水量,L/d;EF为暴露频率,d/a;ED为暴露年数,a;BW为人体体重,kg;AT为暴露天数,d,通常用ED乘以365 d/a计算;RfD为经口摄入污染物的参考剂量,mg/(kg·d)。

模型参数见表1。当某种污染物的HQ>1时,表明对人体的非致癌风险不可接受。

表1 地下水健康风险评估模型参数1)Table 1 Groundwater health risk assessment model parameters

2 结果与分析

2.1 地下水化学特征分析

表2 地下水主要水化学指标统计特征Table 2 Statistical characteristics of main hydrochemical indexes of groundwater

2.2 地下水水化学类型

Piper 三线图可以直观地反映出地下水水化学类型[11]。将研究区39组水样分为泉水、民井和监测井3类,投影到Piper三线图上,如图2所示。

注:以摩尔分数计,但均换算成单电荷当量。图3的摩尔浓度也换算成单电荷当量。

2.3 地下水质量评价

2.4 地下水特征污染物来源分析

根据区域地层岩性可以初步判断,大冶矿区地下水中的硫酸盐可能来源于含硫矿物(如石膏、方解石、白云石)的溶解。

图3 Na++Ca2+-Cl-与的关系Fig.3 Relationship between Na++Ca2+-Cl- and

图4 硫酸盐同位素与的关系Fig.4 Relationship between sulfate isotope and

2.4.2 Fe来源分析

Fe是人体所必需的元素,但饮用水中过量的Fe亦会对人体健康产生影响[17-18]。目前,我国已有18 个省份的地下水中发现铁、锰污染,分布在冲积平原和内陆盆地等人口较密集的区域[19]。地下水质量是地下水与周围岩土之间长期相互作用的结果,受含水层的岩性与物质组成、地下水的补径排条件以及地下水的氧化还原环境等多因素影响[20]。已有研究表明,还原条件下地下水中的Fe主要以Fe2+形式存在;而氧化条件下主要以Fe3+形式存在,易形成难溶的氢氧化物沉淀,再通过吸附作用等被固定在沉积物中[21]。深层地下水因有黏土隔水层阻隔,受地表自然和人为影响较少,Fe含量比较稳定,但浅层地下水易受影响。

39组水样中,4个监测井和2个民井的地下水Fe含量超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值。监测井环境为还原条件,有利于铁氧化物还原为低价的易溶盐进入地下水中,所以监测井中Fe含量略高。部分民井埋深较浅,其地下水中的 Fe含量较低,主要是因为黄铁矿与空气中的氧气发生氧化还原反应生成高价的难溶沉淀。同时,氧化还原反应会生成H+导致pH降低,但是研究区广泛分布着碳酸盐岩,能对产生的H+起缓冲作用[22],因此pH总体仍偏碱性。