煤礦排水影響下的水體水質特征及灌溉適宜性評價
——以貴州織金縣貫城河小流域為例

石金芳，吳 攀,，張瑞雪,，李學先，查學芳(.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽 55005；.貴州大學喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室，貴陽 55005)

礦山開發等人為活動產生的污水排放加重了區域水環境的污染，這一問題在貴州尤為突出[1-3]。作為山地農業區，農田周圍水體是其灌溉用水主要來源，而很多區域存在礦山開采導致水體受到不同程度污染的狀況[4-6]。有研究表明，礦區周圍水體用于灌溉已導致農田土壤受到污染，有害物質通過食物鏈的運輸已經嚴重危害到人類的身體健康[7,8]。因此，清楚地了解煤礦區水體質量，評價其是否適用于灌溉是非常有必要的，可為礦區水體的合理利用和管理提供科學依據。本文將主要從鹽堿度和鈉吸收比兩方面探討受礦山廢水影響的貴州織金縣貫城河小流域的農田灌溉適用性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

織金縣位于貴州省畢節地區，地處烏江上游支流六沖河與三岔河交匯處的三角地帶，地勢西高東低，氣候溫和，年平均氣溫14.1 ℃，年降雨量1 436 mm，煤礦資源豐富，占貴州省總儲量的20%以上。貫城河小流域上游有多個煤礦開采區，且有大約50 a的開采歷史，長期的煤礦開發使周圍水體形成大量的酸性煤礦廢水。如圖1所示，為方便研究討論，將由織金縣城西南方匯集向東北方穿城流過的小流域劃分為： C1、C2和C3區域主要為煤礦開采區，部分采樣點周圍有居民分布；而大量的居民集中分布區靠近縣城的C4區域；C5區域主要為小流域中部的農田和林地分布區。地表水是該區域農田土壤的主要灌溉用水，河流兩岸巖溶泉點出露較多，也成為研究區農田土壤的主要灌溉用水及居民的主要飲用水源。

1.2 樣品采集與分析

2013年7月對研究區周圍地表水、地下水進行系統采樣，共采集地表水32個，地下水及泉點18個。采樣點分布見圖1。采樣所需容器在實驗室用5%HNO3浸泡24 h，之后用自來水沖洗再用去離子水沖洗3遍。采樣過程中，用便攜式參數儀(Multi340i，Germany)現場測定易變參數(T、pH、EC、TDS等)，現場用0.01 mol/L鹽酸滴定HCO-3。水樣用0.45 μm 醋酸纖維濾膜過濾后分別儲存于50 mL聚乙烯瓶中，測陽離子的樣品現場用HNO3(優級純)酸化至pH<2，陰離子樣品直接過濾收集。所有樣品均用封口膜封好瓶口，帶回實驗室冷藏在冰箱中(4 ℃)直至測試。

圖1 研究區采樣點分布圖Fig.1 Map of sampling points in the study area

水樣陽離子(Ca2+、Mg2+、K+、Na+)用火焰原子吸收分光光度儀(ICE3500，USA)測定，陰離子(SO2-4、NO-3、Cl-)采用離子色譜儀(ICS-1100，Dionex, USA )測定。數據質量通過空白樣、平行樣和內標等進行控制。測試數據的準確性通過計算電荷平衡誤差百分比(%CBE)來衡量，且%CBE都在±10 %范圍內。

1.3 評價方法

評價水質量和判斷其是否可用于灌溉的最重要的特征有以下幾點[9]：通過EC測定鹽度或鹽的總濃度；鈉與其他陽離子的相對比例即鈉吸收比SAR或Na%；碳酸氫鹽的濃度與鈣鎂濃度的關系；硼或其他有毒元素濃度。此外，Kellys指數KI也被用來評價灌溉水的適宜性[10]。

SAR表示鈉離子和土壤交換反應的相對活度，用以評價灌溉水的堿化程度。高濃度的Na+水用于灌溉危害較大，因為Na+被吸附到土壤中造成土壤聚合物分散導致滲透率下降[11]。計算公式如下：

(1)

灌溉水中的Na含量包括與土壤黏土顆粒中Ca2+和Mg2+交換導致土壤的滲透率、內部排水和空氣循環降低的量。在自然水域中Na含量用百分鈉Na%表示。計算公式如下：

(2)

Kellys指數KI亦被用來劃分灌溉水的等級，KI值<1表示適合用于灌溉。計算公式如下：

(3)

此外，水質參數的空間分布采用ArcGIS10.0中的反距離加權IDW進行插值分析；地表水灌溉質量功能區分布是對EC、SAR和Na%作IDW插值分析后使用疊加分析得到。

2 結果與討論

2.1 水體物理化學特征

對研究區各類水體主要物理化學指標作了分析(見表1)。研究區受礦山開采的影響，地表水各物理化學參數變化范圍較廣，尤其是TDS、EC和SO2-4，TDS是評估水的地球化學特征的基本參數[12]，最高達5 271.03 mg/L；主要的陰陽離子中，SO2-4、Mg2+和Na+變化范圍較大，其中SO2-4濃度高達3 595.75 mg/L，主要陽離子含量為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，陰離子為SO2-4>HCO-3>NO-3>Cl-。

地下水的化學組成主要受區域地質背景條件制約下的水巖相互作用中地球化學過程控制[13]。其中，TDS、EC、SO2-4和HCO-3含量因為受到煤礦區酸性礦山排水的影響表現出空間差異很大。

表1 研究區地表水和地下水物理化學參數統計Tab.1 Physical and chemical parameters statistics of surface water and groundwater in the study area

注：n為采樣點總數。

2.2 水質空間分布特征

研究區地表水水質空間分布如圖2所示，受河流上游煤礦開采外排酸性煤礦廢水影響，pH在C1、C2和C3區域pH值偏低，EC、TDS、Ca2+、Mg2+和SO2-4離子含量較高。有研究表明[6]，煤礦開采區附近的河流水具有pH值低，EC和SO2-4濃度高的特點；同時因此引發的礦物溶解使水體中SO2-4、Ca2+、Mg2+和TDS等含量成正比增加[14]。Na+、K+和Cl-可能受人類活動排放生活污水影響在C2、C3和C4區域含量偏高，特別是C4區域更為明顯。

研究區地下水水質空間分布如圖3所示。結果表明C1區域pH值偏堿性；C1和C2區EC值偏高；TDS、Ca2+、Mg2+、Na+和SO2-4均在C1和C4部分區域偏高，可能是因為煤礦開采排放的酸性礦山廢水的排入導致地下水受到影響；K+和Cl-在C4區域明顯偏高，可能是受周圍居民排放生活污水的影響；HCO-3在C1區域偏高，其次在C2區有較高含量。在地表水和地下水水質分布圖(圖2和圖3)，在C5區域NO-3含量都明顯偏高，表明農田區域由于施肥過多會導致NO-3含量偏高[15-17]。

2.3 灌溉適宜性評價

通過EC值對水體灌溉適宜性評價的分類等級參照Handa[18]的等級分類方案分為5類(見表2)，結果表明，研究區地表水樣點中有43.75%處于中等水平，有34.38%為高等水平，而有18.75%已達到非常高的等級，分別是S4、S6、S16、S19、S26和S27樣點；SAR值分類[19]結果表明有71.88%地表水小于10，處于低堿化水平，分別有9.38%處于中等、高和非常高的堿化水平；Na%結果表明，地表水分別有56.25%和18.75%處于低中等水平，分別有12.50%為高、非常高的Na含量；KI值表明有84.38%的地表水適合用于灌溉，有15.63%的不適合。SAR、Na%和KI值處于高和非常高的樣點主要為S3、S5、S10、S11、S14、S26、S27和S29。地下水EC值大部分都處于中低等水平，SAR、Na%和KI值基本都處于低等水平。

圖2 地表水各參數空間分布Fig.2 The spatial distribution of surface water parameters

圖3 地下水各參數空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of groundwater parameters

表2 地表水和地下水中EC、SAR、Na%和KI等級分類Tab.2 The classification of EC、SAR、Na% and KI in Surface water and Groundwater

注：n為采樣點總數；-表示無。

美國鹽度實驗室(USSL)[20]基于EC和SAR提出灌溉用水分類圖，此USSL圖是以SAR值為Y坐標和EC的對數為X坐標的散點圖，如圖4所示，地表水分別有65.63%處于中高鹽度中高鈉吸收比、9.38%處于非常高鹽度低鈉吸收比、3.13%處于低鹽度高鈉吸收比和18.75%為高-非常高鹽度超高鈉吸收比水平。地下水分別有94.44%和5.56%為低中鹽度低鈉吸收比和高鹽度低鈉吸收比。基于EC和Na%的Wilcox圖[21]展示了樣點能否用于灌溉等級情況(見圖5)，分析表明大部分地表水適合用于灌溉，有21.88%不適合。地下水都適用于灌溉。

圖4 研究區地表水和地下水水質的USSL圖Fig.4 USSL diagram of the surface water and groundwater quality in the study area

圖5 研究區地表水和地下水水質的Wilcox圖Fig.5 Wilcox diagram of the surface water and groundwater quality in the study area

根據EC、SAR和Na%參數的相似性和密切關系，將地表水各參數劃分等級(見表3)作空間分布分析。如圖6所示，單從EC值分析，大部分區域地表水不太適合用于灌溉；SAR和Na%空間分布顯示只有少部分區域不適合，主要分布在C1和C4的部分區域以及C2和C3區域；綜合3個因子使用GIS技術作疊加分析，結果表明只有C5部分區域地表水適合用于灌溉，大部分處于較適合范圍，在C1、C2、C3和C4區域不太適合以及有極少部分區域不適合用于灌溉。

表3 地表水EC、SAR和Na%的灌溉適用性分類Tab.3 Irrigation suitability classification of EC, SAR and Na% in Surface water

圖6 地表水灌溉質量功能區空間分布圖Fig.6 Space distribution of surface water irrigation function Quality

3 結 語

(1)受礦山開采的影響，地表水和地下水中的EC、TDS和SO2-4含量明顯較高；受人類活動排放的生活污水影響，在居民聚集分布區Na+、K+和Cl-含量偏高，而農田集中分布區NO-3含量偏高，可能是過度施肥所致。

(2)EC、SAR、Na%和KI指數表明研究區上游地表水受煤礦排水影響不宜直接用于灌溉， 而下游無其他污染源且由于稀釋作用處于較適合范圍；地下水受人類活動影響較小，適合用于灌溉。

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