重慶西部干旱區煤礦礦井水水質綜合評價

孫紅福,趙峰華,張 璐,劉一鳴,曹松華,張 偉

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

重慶西部干旱區煤礦礦井水水質綜合評價

孫紅福,趙峰華,張 璐,劉一鳴,曹松華,張 偉

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

為了提高重慶西部干旱區煤礦礦井水綜合利用水平,緩解該區居民用水嚴重短缺狀況,必須對該區的礦井水水質進行綜合評價研究。利用Aq.QA水化學軟件和模糊綜合評價法對重慶西部干旱地區煤礦礦井水、礦區飲用水和水庫水體的水質特征進行了綜合評價,并結合煤礦地層特點對礦井水水質成因進行了分析。研究結果表明:91%的礦井水水化學類型為Cl－Na型,礦區飲用水和水庫水樣均為SO4－Ca型;礦井水中共有9個離子超過國家生活飲用水標準的限制,其中Cl－, Na+和Fe離子超標情況最為嚴重;礦井水中較高含量的Fe離子來自須家河組地層內菱鐵礦結核的溶解,而嚴重超標的Cl－和Na+可能來自于須家河組地層部分地段巖鹽的溶解;10個V級水質的礦井水包括4個微咸水、3個咸水和1個鹽水水樣,2個礦區飲用水為Ⅲ級水質淡水,2個水庫水樣和廣順縣城飲用水為I級水質;模糊綜合評價法能夠準確評價不同類型的水體,且能揭示每個水體的主控污染因子,但無法對礦化度大于1 000 mg/L的水體進行深度評價。

重慶西部;干旱區;礦井水;水質評價;模糊綜合評價

Key words:Western Chongqing;arid area;mine drainage;water quality assessment;fuzzy comprehensive evaluation

重慶西部干旱區缺水情況非常嚴峻,為了保障旱區群眾基本生活用水,我國在西部干旱區開展了大規模的“紅層”找水工程[1－4];然而重慶西部干旱區分布有數量較多的煤礦[5],這些煤礦每天都會排放掉大量的礦井水,將本區寶貴的地下水資源白白浪費。如果能夠將這些煤礦礦井水資源化,將大大緩解干旱區農村人畜飲用水困難。但是在煤礦礦井水資源化的過程中,必須首先對其進行水質評價,然后才能有針對性地選取最佳的水處理工藝[6－8]。

目前,地下水和礦井水水質評價的常用方法包括綜合污染指數法、函數評價法、概論統計法、灰色聚類法和模糊綜合法[9－11]。其中綜合污染指數法主要針對評價污染物濃度不大或者對水質評價要求不高的情況,較適合大范圍的水質評價和粗略的水質評價;函數評價法算法復雜,評價結果有時會被夸大,沒有大范圍推廣應用;概論統計法和灰色聚類法對評價樣品的數量要求較高,任務量較大;模糊綜合評價法重點強調“主因素”的影響,突出實測值大的指標對水質影響的程度,并考慮到了水質界限的模糊性,通過函數關系,把反映各種水質污染問題的實測值轉化為反映水質質量優劣程度的質量值,評價結果可比性強且更為合理[12－15]。根據樣品數量和特征筆者采用Aq.QA水化學軟件和模糊綜合法對重慶西部干旱區煤礦礦井水水質進行綜合評價。

1 樣品采集與實驗

1.1 樣品的采集和測試

研究區為重慶西部干旱地區(圖1),位于永川、大足和榮昌3縣交界處,該區域覆蓋多個中小型煤礦,2011年4月初分別到研究區西部的3個煤礦采集了4個礦井水水樣(WK－1,YK－1,YK－2和ZK－1)和1個廣順縣城飲用水水樣(GZ－1)作為對比樣品;2012年4月初再次到該研究區東部和南部的5個煤礦采集樣品,共采集了7個礦井水水樣(WK－3, YK－4,YK－5,CK－2,XK－1,ZK－2和ZK－3),以及2個礦區附近水庫的水樣(WZ－2和ZZ－1)和2個礦區飲用水水樣(WZ－2,CZ－1)作為對比樣品,樣品編號和說明見表1。

圖1 研究區分布示意Fig.1 Distribution of study area

表1 重慶市西部干旱區水樣采樣點和編號Table 1 Sampling site and number of water samples in the arid area of Western Chongqing

每個水樣采集500 mL,采集水樣所用聚乙烯塑料瓶均需用3%的HNO3浸泡24 h,然后用去離子水清洗干凈備用。水樣采集后現場測定其pH值和氧化還原電位(Eh),并盡快將其送回實驗室。在實驗室用0.45 μm聚酯纖維濾膜過濾水樣并將其分成2份:一份加HNO3至pH＜2,用電感耦合等離子質譜儀(ICP－MS)測定主要金屬陽離子的含量;另一份不加酸,用離子色譜(IC)測定陰離子含量。采用國標法即二苯碳酰二肼分光光度法測定水樣中的六價鉻。處理過的水樣均需低溫保存。

1.2 評價方法和評價標準

利用Aq.QA水化學軟件繪制的Piper圖分析水樣的水化學類型、硬度、鹽度等參數。利用模糊綜合評價法對各礦井水的水質進行綜合評價,評價選取16個主要因子(F－,Cl－,NO,SO,Fe,Mn,Ba,Cu, Ni,Zn,Mo,Co,Cd,Pb,Cr6+,總硬度)進行地下水環境評價。采用《地下水質量標準》(GB/T 14848—93)作為本次研究的評價標準,將地下水質量劃分為5類:Ⅰ類,主要反映地下水化學組分的天然低背景含量,適用于各種用途;Ⅱ類,主要反映地下水化學組分的天然背景含量,適用于各種用途;Ⅲ類,以人體健康基準值為依據,主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農業用水;Ⅳ類,以農業和工業用水要求為依據,除適用于農業和部分工業用水外,適當處理后可作生活飲用水;Ⅴ類,不宜飲用,其他用水可根據使用目的選用。

2 結果與討論

2.1 礦井水水質特征和成因

由重慶西部煤礦礦井水、水庫水和飲用水水質分析結果(表2)可以發現,煤礦礦井水、水庫水和飲用水的pH為7.25～8.19,均為中性和弱堿性的水體。與國家生活飲用水衛生標準(GB 5749—2006)相比,超標離子共有9個,4個超標陰離子包括Cl－,F－, NO,,5個超標陽離子分別為Na+,Fe,Ba,Ni和Mn。

表2 重慶西部干旱區煤礦礦井水、水庫水和飲用水水質分析結果Table 2 Water quality analysis results of coal mine drainage,reservoir water and drinking water in the arid area of Western Chongqing

在超標陰離子中,Cl－超標的水樣最多,共有8個礦井水水樣(WK－1,WK－3,YK－1,YK－4,YK－5, ZK－1,ZK－2和ZK－3),超標倍數為3.82～41.10;F－超標的水樣共有4個(WK－1,WK－3,YK－2和ZK－1),最大超標倍數為12倍;NO超標的3個水樣分別為WK－1,ZK－1和CK－2,超標倍數分別為2.0,7.5和4.6;只有1個礦井水水樣(XK－1)的SO24－超標。

超標陽離子中,Na+超標的水樣共有7個(WK－1,WK－3,YK－1,YK－5,ZK－1,ZK－2和ZK－3),超標倍數為2.25～25.97;Fe離子超標的水樣共有11個,除7個礦井水水樣(WK－3,YK－4,YK－5,CK－2,XK－1,ZK－2和ZK－3)外,還有2個水庫水樣(WZ－2和ZZ－1)和2個礦區飲用水水樣(YZ－3和CZ－1),礦井水中Fe離子超標倍數為2.05～9.44,水庫水樣和飲用水中Fe離子超標倍數為1.35～2.09;Ba離子超標的3個礦井水水樣為YK－1,YK－5和ZK－1,其超標倍數分別為1.55,2.84和2.58;Ni離子超標的3個礦井水水樣(YK－1,ZK－1和XK－1),最大超標倍數為6.75;只有一個礦井水水樣(XK－1)中Mn離子超標4.68倍。

重慶西部干旱區的6個煤礦均在開采三疊系須家河組(T3xj)的煤炭,須家河組為一套河流湖泊相含煤碎屑沉積巖,厚614.6～764.7 m,按其巖性自下而上分為6段:1,3和5段為含煤段,分別對應下組煤、中組煤和上組煤;2,4和6段為砂巖含水層段。其中在1,4,5和6段地層中含有較多的菱鐵礦結核。重慶西部榮昌縣地表水、大氣降雨和地下水氧同位素分析測試結果表明該地區地下水的補給來源主要來自大氣降水[16－17]。文中6個煤礦的主要充水水源均為大氣降水,大氣降水通過煤層采空區及斷裂帶滲入礦井或補給含水層后對礦井充水。大氣降水在下滲和流動的過程中會不斷與流經的圍巖相互作用,將圍巖中遷移性強的離子不斷送入地下水中,Cl－和Na+是遷移性最強的離子,水質分析結果表明這2個離子在大多數礦井水中超標最嚴重,表明須家河組地層中很可能含有一定量的巖鹽,巖鹽的溶解增加了礦井水中Na+和Cl－的濃度。礦井水中超標的Fe離子來自菱鐵礦結核的溶解;F－濃度超標可能是須家河組的部分地段含有磷灰石等含氟礦物造成。

由重慶西部干旱區采集的16個水樣Piper圖(圖2)可看出:11個煤礦礦井水水樣中有9個礦井水的水化學類型為Cl－Na,另外2個礦井水水樣(XK－1,YK－2)分別為SO4－Ca和HCO3－Ca水化學類型;2個水庫水樣(WZ－2,ZZ－1)和2個礦區飲用水水樣(CZ－1,YZ－3)為均為SO4－Ca水化學類型,廣順縣城飲用水水樣的水化學類型為HCO3－Ca。

圖2 重慶西部干旱區礦井水、水庫和飲用水水樣的Piper圖Fig.2 Piper graph of mine drainage,reservoir water and drinking water in the arid area of Western Chongqing

Aq.QA水化學軟件對重慶西部干旱區煤礦礦井水、水庫和飲用水水樣的分析結果(表3)表明:9個礦井水的礦化度均非常高,其中ZK－1水樣的礦化度高達16 644 mg/L,達到鹽水的水質劃分標準(＞1 000 mg/L);YK－5,YK－1,ZK－2和WK－3礦井水達到咸水的標準(3 000～10 000 mg/L);WK－1,YK－4, ZK－3和XK－1礦井水為微咸水(1 000～3 000 mg/L);剩下的2個礦井水水樣、2個水庫水樣和3個飲用水水樣礦化度均低于1 000 mg/L,為淡水。鹽水、咸水和微咸水不能作為飲用水,若被用作灌溉用水,其鹽度對土壤和農作物的危害非常大,因此必須對這些被污染的水體進行處理后才能利用。

表3 重慶西部干旱區水樣的Aq.QA軟件分析結果Table 3 Aq.QA software analysis results of water samples in the arid area of Western Chongqing

6個煤礦均位于重慶西部紅層區內,對重慶西部紅層淺層地下水的勘查研究[1,5]表明:重慶西部紅層淺層地下水以礦化度＜1 000 mg/L的HCO3－Ca型淡水為主,咸水(包括微咸水)呈星點狀分布,極個別點出現鹽水,微咸水及咸水出現的概率為5%～13%;紅層淺層地下水的礦化度隨埋深的增加而增加,局部點有咸淡水界面,而在區域上沒有統一的咸淡水界面;重慶西部紅層的咸水均為埋藏型,埋深在20～ 125 m,淺層咸水主要出現在上沙溪廟組(J2s)。

重慶西部煤礦須家河組礦井水礦化度的變化特點與該區淺層地下水比較相似,ZQ煤礦+200水平的礦井水ZK－3礦化度為1 853.0 mg/L,明顯低于－70水平的礦井水的礦化度(6 593.0 mg/L);須家河組內的上組煤比下組煤標高大約相差260 m,WG煤礦上組煤礦井水WK－1的礦化度(2 952.0 mg/L)顯著低于該礦下組煤礦井水WK－3的礦化度(4 049.0 mg/ L)。YC煤礦新排放的上組煤礦井水YK－1的礦化度(7 223.0 mg/L)低于該礦新排放的下組煤礦井水YK－5的礦化度(9 078.0 mg/L)。礦井水礦化度增加的原因可能是隨著埋深的增加,地下水的循環交替條件變差造成的,另外不同層位的巖鹽含量也會強烈地影響地下水的礦化度。

另外,共有6個礦井水水樣的總硬度大于國家生活飲用水衛生標準(GB 5749—2006)最大值450 mg/ L,其中2個礦井水水樣(ZK－1和XK－1)的總硬度均大于1 000 mg/L,為特硬水;2個礦井水水樣(YK－1, YK－5)為超高硬水(700～1 000 mg/L),2個礦井水水樣(ZK－2,ZK－3)為高硬水(450～700 mg/L)。

2.2 基于模糊綜合評價法進行的水質評價

2.2.1 因子集和評價集的建立

評價項目及其限值標準見表4,建立因子集u= {F－,Cl－,NO,SO,Fe,Mn,Ba,Cu,Ni,Zn,Mo,Co, Cd,Pb,Cr6+}。根據《地下水質量標準》(GB/T 14848—93),評價等級分5個等級,組成的評價等級集合:V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},各等級的標準限值見表4。

表4 地下水質量分類標準Table 4 Standard for classification of groundwater quality mg/L

2.2.2 模糊評價矩陣的建立

以WK－1為例,根據各個評價因子的隸屬函數及其實測值,求出各評價因子對于各級水的隸屬度,并組成模糊矩陣R,即

2.2.3 評價因子的權重矩陣的建立

WK－1評價因子的權重計算結果A=(0.253, 0.546,0.095,0.076,0,0,0.016,0.001,0.011,0, 0.002,0,0,0,0),各采樣點的權重計算結果見表5。

2.2.4 模糊綜合評價

以WK－1水樣為例,根據模糊綜合評價法的原理,B=A·R=(0.012,0.042,0.145,0.002,0.799)。

根據水樣對應的評價因子權重值(表5)可揭示10個V級水質礦井水水樣的主要污染因子,其中WG煤礦礦井水中主要污染因子為Cl－和F－,對應的權重值a分別為0.546,0.253;YC煤礦3個混合礦井水中Cl－為主要污染因子,權重值a分別為0.653, 0.676和0.833,F－和Fe為次要污染因子,權重值a分別為0.283和0.175;ZJ煤礦礦井水中F－為主要污染因子,權重值a為0.724;CH煤礦礦井水NO為主要污染因子,其權重值a為0.506;XX煤礦礦井水中SO和Fe離子為主要污染因子,對應的權重值a分別為0.448和0.377;ZQ煤礦2個礦井水中Cl－超標嚴重,為主要污染因子,權重值a分別為0.806和0.464。

表5 重慶西部干旱區水樣評價因子的權重值結果Table 5 The weight values of sample evaluation factor in the arid area of Western Chongqing

在WK－1樣品的模糊評價隸屬度矩陣(0.012, 0.042,0.145,0.002,0.799)中0.799數值最大,根據最大隸屬度原則,即哪一級水質的隸屬度最大,則水質污染就是哪一級,故WK－1的水質評價等級為V級。重慶西部干旱區的16個水樣的水質評價結果(表6)顯示,11個煤礦礦井水水樣中有10個水樣的水質評價結果為V級,只有1個礦井水水樣(YK－2)為Ⅲ級水質;2個礦區飲用水水樣(YZ－3和CZ－1)為Ⅲ級水質,而2個水庫水樣和廣順縣城飲用水水樣為I級水質。對于礦化度較高的V級煤礦礦井水,必須經過適當處理后才能使用。反滲透膜處理法能夠很好地處理高礦化度的礦井水[18－20],不僅出水水質能夠達到國家生活飲用水衛生標準(GB 5749—2006)的要求,并且運行維護成本相對較低,是高礦化度礦井水資源化的最佳處理方法。

模糊綜合水質評價法評價結果與實際情況和Aq.QA水化學軟件分析的結果比較一致,能夠很好地區分不同類型的水體,同時能夠獲得各個水樣的主控污染因子;但對于礦化度超過1 000 mg/L的微咸水、咸水和鹽水水樣無法很好地區分評價,因此需要借助Aq.QA水化學軟件等其他手段對污染較重的水樣進行深度評價。

表6 重慶西部干旱區水樣的模糊綜合評價結果Table 6 The fuzzy comprehensive evaluation results of water samples in arid area of Western Chongqing

3 結 論

(1)重慶西部干旱區絕大多數煤礦礦井水礦化度和硬度均非常高,礦井水的礦化度隨埋度的增加而增加;依據礦化度對其進行分類:1個為鹽水、4個為咸水、4個為微咸水,2個為淡水。煤礦礦井水中共有9個離子超過國家生活飲用水衛生標準的限值,分別為Cl－,F－,NO,SONa+,Fe,Ba,Ni和Mn,其中Cl－,Na+和Fe離子超標情況最為嚴重,超標離子可能來自須家河組地層中的巖鹽、菱鐵礦和磷灰石等礦物的溶解。91%的礦井水的水化學類型為Cl－Na型,2個礦區飲用水和2個水庫水樣均為SO4－Ca型水體,廣順縣城飲用水為HCO3－Ca型。

(2)對重慶西部干旱區的16個水樣的模糊綜合評價結果表明:10個礦井水均為污染嚴重的V級水質,2個礦區飲用水和1個礦井水為輕度污染的Ⅲ級水質,2個水庫水樣和廣順縣城飲用水為清潔的I級水質。模糊綜合評價法能夠很好地區分污染較重的礦井水、污染較輕的礦區飲用水和清潔的飲用水,但對于礦化度大于1 000 mg/L的礦井水則無法進一步評價。

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Comprehensive assessment of coal mine drainage quality in the arid area of Western Chongqing

SUN Hong-fu,ZHAO Feng-hua,ZHANG Lu,LIU Yi-ming,CAO Song-hua,ZHANG Wei
(College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to raise the utilization level of coal mine drainage and alleviate domestic water shortages in the arid area of Western Chongqing,water quality of coal mine drainage in this district must be comprehensively evaluated.Water quality of coal mine drainage,mine drinking water and reservoir water were comprehensive evaluated by Aq.QA water chemistry software and fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that hydrochemistry type of 91%mine drainage are Cl－Na type,mine drinking water and reservoir water are SO4－Ca type.There are 9 ions in mine drainage over the national standard of drinking water limit,and the degree of exceed the standard for Cl－,Na+and Fe ions are most serious.The high content Fe ion in mine drainage is derived from dissolution of siderite concretion in the Xujiahe formation,and dissolution of rock salt in the Xujiahe formation may cause the high content of Cland Na+ions in mine drainage.Ten mine drainage of V grade water quality includes four brackish water,three salt water and one brine.Two mine drinking areⅢgrade freshwater,and two reservoir water and one drinking water of Guangshun country are I grade freshwater.Fuzzy comprehensive evaluation method can evaluate different types water accurately,and reveal the main pollution factors of every water.Hovever,fuzzy comprehensive evaluation method can’t further evaluate the mine drainage with salinity over 1 000 mg/L.

X751

A

0253－9993(2014)04－0736－08

孫紅福,趙峰華,張 璐,等.重慶西部干旱區煤礦礦井水水質綜合評價[J].煤炭學報,2014,39(4):736－743.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0510

Sun Hongfu,Zhao Fenghua,Zhang Lu,et al.Comprehensive assessment of coal mine drainage quality in the arid area of Western Chongqing [J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):736－743.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0510

2013－04－19 責任編輯:韓晉平

國家自然科學基金資助項目(41102096);國家國際科技合作資助項目(S2012GR0036);重慶市科技攻關計劃資助項目(2011GGC493)

孫紅福(1977—),男,河南鶴壁人,講師,博士。E－mail:shf_cumtb@163.com