朱仙莊煤礦塌陷水域水文地球化學特征及污染評價

陳蜜蜜，任加國，程琛，陳光旭

(1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266510；2.宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；3.東華理工大學地球科學學院，江西 南昌 330000)

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環(huán)境地質(zhì)

朱仙莊煤礦塌陷水域水文地球化學特征及污染評價

陳蜜蜜1，任加國1，程琛2，陳光旭3

(1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266510；2.宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000；3.東華理工大學地球科學學院，江西 南昌 330000)

水文地球化學；內(nèi)梅羅指數(shù)；塌陷塘；朱仙莊煤礦；淮北煤田

0 引言

煤礦采掘所導致的地表沉降是礦區(qū)最為重要的地質(zhì)災害之一[1]，塌陷給周邊環(huán)境土壤[2]、生態(tài)系統(tǒng)[3]以及環(huán)境水體[4]帶來一系列影響。煤礦塌陷導致的環(huán)境問題日益顯現(xiàn)，尤其是塌陷水域的水環(huán)境問題直接影響到礦區(qū)水資源利用。對煤礦塌陷區(qū)水域的開發(fā)利用已經(jīng)成為礦區(qū)水資源綜合利用管理的重要部分，近年來受到政府部門和諸多學者的廣泛關(guān)注。

但是對于塌陷水域的研究多集中于土地復墾、生態(tài)系統(tǒng)恢復、水質(zhì)綜合評價[5-7]等，對水文地球化學特征及重金屬污染評價[8-10]不是很多。如李君滸[11]等介紹華東地區(qū)煤礦塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境的治理時，簡述了兩淮礦區(qū)塌陷區(qū)現(xiàn)狀及取得的一些成效，提出建立新功能生態(tài)礦區(qū)。桂和榮[12]等選擇淮南礦區(qū)3個不同年限的塌陷塘為對象，研究水體對塌陷塘浮游動植物的影響，利用生物監(jiān)測評價塌陷塘水質(zhì)。黃平華[13]等通過地球化學定量模擬技術(shù)對焦作礦區(qū)地下水水化學特征進行了研究。薛喜成[14]等研究了秦嶺安河礦區(qū)地表水重金屬的形態(tài)，實現(xiàn)了重金屬污染程度評價工作。該文以朱仙莊塌陷區(qū)為研究對象，通過對塌陷水體內(nèi)常規(guī)離子水化學特征及重金屬離子污染進行分析，了解水質(zhì)特征及污染現(xiàn)狀，分析成因并提出綜合治理意見，趨利避害地開發(fā)利用塌陷水域，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、塌陷區(qū)污染防治以及合理開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

朱仙莊煤礦是淮北煤田的重要組成部分，位于宿東向斜北翼，軸部為二疊系，兩翼由石炭系和二疊系組成，總體呈SN向。區(qū)內(nèi)地層有奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、新近系和第四系。朱仙莊煤礦含水層由新生界松散含水層、侏羅系含水層、二疊紀砂巖含水層、太灰含水層以及奧灰含水層組成，由于第四紀含水層的特殊位置，造成其是礦井水的主要來源，也是塌陷區(qū)域水來源。該地氣候溫和，屬溫帶半濕潤氣候。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

結(jié)合研究區(qū)具體地理位置，共布設水域采樣點24個(I塘6個，II塘9個，III塘3個，IV塘6個采樣點)，采樣時需記錄采樣點的經(jīng)緯度，繪制采樣點分布圖(圖1)。由于測試需要，現(xiàn)場采集的水樣必須24h進行預處理，所選研究區(qū)域距離安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心很近以保證所采水樣能夠及時被處理保存。

2.2 樣品測試

圖1 采樣點分布圖

3 水文地球化學特征

piper三線圖顯示(圖2)，陽離子分布比較集中，而陰離子分布分散。塌陷區(qū)域I,II,III塘水均屬于HCO3-Na型；IV塘水與其他塘存在明顯差異屬HCO3-Ca型。由于Ca2+受外界環(huán)境影響導致變異系數(shù)較大，通過對采樣區(qū)周圍調(diào)查，可知IV塘周邊有一水泥廠，由此推測研究區(qū)Ca2+受水泥廠影響，IV塘最為明顯。

表1 常規(guī)離子測試數(shù)據(jù)(mg/L)

圖2 塌陷水域piper三線圖

4 重金屬污染評價

所測5種重金屬濃度含量見表2，從表中可以看出，重金屬離子含量Mn>Pb>Cr>Cd。所測水樣中4種重金屬含量均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)II類水質(zhì)標準;Cd相對Cr,Mn,Pb而言污染較嚴重。標準偏差和方差均可表明重金屬離子濃度的平均值分散程度的一種度量，并且兩者呈正相關(guān)。各金屬質(zhì)量濃度離散程度依次為：Mn>Pb>Cd>Cr ，且Mn和Pb離散程度排前兩位，從下文水質(zhì)評價中也可看出不同塌陷區(qū)Mn和Pb污染程度也有一定差異。

表2 重金屬離子測試數(shù)據(jù)(mg/L)

4.1 評價方法4.1.1 單因子評價法

單因子評價法是我國國標規(guī)定的水質(zhì)評價方法，在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中規(guī)定，地表水環(huán)境質(zhì)量評價應根據(jù)實現(xiàn)的水域功能類別，選取相應類別標準進行單因子評價，評價結(jié)果應說明水質(zhì)達標情況，由于單因子污染指數(shù)法能夠較直觀地反應環(huán)境中各項污染指標的情況。

單因子評價法計算公式：

式中:Pi為地表水中i元素的污染指數(shù)；Ci為重金屬元素的實測濃度；Si為水樣重金屬元素環(huán)境背景值。

4.1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法建立在單因子指數(shù)法的基礎上，污染指數(shù)平均值和最大值的利用更能全面、客觀地反映重金屬環(huán)境污染狀況，是重金屬污染評價的重要方法之一。內(nèi)梅羅指數(shù)計算公式：

式中：Ci為水質(zhì)指標的實測值；COi為水質(zhì)指標i的評價標準值；n為水質(zhì)指標的個數(shù)；F為內(nèi)梅羅指數(shù)；Fi為各項污染指數(shù)的平均值；(Fi)max2為各項污染指數(shù)中的最大值。

4.2 評價結(jié)果

4.2.1 單因子評價結(jié)果

測定的重金屬數(shù)據(jù)采用單因子指數(shù)法進行水體污染評價，由于單因子計算中Si重金屬環(huán)境背景值獲取困難，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中III類標準限值作為標準。

根據(jù)各塌陷水域重金屬質(zhì)量濃度均值以及重金屬環(huán)境背景值，利用單因子污染評價法得出各個含水層的P值，其計算結(jié)果與單因子評價法標準(表3)進行對比得出評價結(jié)果(表4)。根據(jù)表4可以看出，I塘污染指數(shù)值Cd>Pb>Mn>Cr，清潔；II塘污染指數(shù)值Cd>Pb>Cr>Mn，清潔；III塘污染指數(shù)值Cd>Mn>Pb>Cr，Cd污染指數(shù)大于0.7，達到輕污染程度;IV塘污染指數(shù)值Cd>Pb>Mn>Cr,清潔。Cd,Pb相對于其他2種元素在4個塘中單因子指數(shù)值均較大，污染較嚴重，且III塘Cd單因子指數(shù)值達到1.02，屬輕度污染狀態(tài)。總體而言塌陷水域4個部分各重金屬元素的污染程度差異較小，污染指數(shù)值均小于1，屬于非污染。利用單因子評價法可以得出：朱仙莊塌陷塘水體重金屬基本無污染，已達到較清潔水平。

表3 單因子水體重金屬污染指數(shù)等級劃分標準

表4 單因子評價結(jié)果

4.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果

采用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價，內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價法等級劃分標準如表5所示。

表5 內(nèi)梅羅水體重金屬污染指數(shù)等級劃分標準

利用以上計算出的單因子值，根據(jù)塌陷水域重金屬質(zhì)量濃度計算出內(nèi)梅羅指數(shù)，通過與內(nèi)梅羅水體重金屬污染指數(shù)等級劃分標準對比，得出內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果(表6)。根據(jù)表6可以看出I塘內(nèi)梅羅污染指數(shù)值Mn>Cd>Pb>Cr；II塘內(nèi)梅羅污染指數(shù)值Cd>Pb>Cr>Mn；III塘內(nèi)梅羅污染指數(shù)值Cd>Pb>Cr>Mn；IV塘內(nèi)梅羅污染指數(shù)值Cd>Mn>Pb>Cr。Cd在II,III,IV塘中內(nèi)梅羅指數(shù)值均大于1，達到輕污染狀態(tài)。Cr,Mn,Pb三種重金屬在整個區(qū)域內(nèi)梅羅指數(shù)值均小于1，屬清潔狀態(tài)。

表6 內(nèi)梅羅計算及分析結(jié)果

4.3 研究區(qū)重金屬污染對比分析

單因子評價法和內(nèi)梅羅指數(shù)法比較：由表4、表6可以看出，利用單因子評價法對塌陷水域4個塘中Cd,Cr,Mn,Pb分別計算出了單因子污染指數(shù)值，而內(nèi)梅羅指數(shù)法則在單因子計算結(jié)果的基礎上計算內(nèi)梅羅指數(shù)值。由計算結(jié)果可以看出，利用內(nèi)梅羅指數(shù)法Cd的評價與單因子指數(shù)法稍有不同，內(nèi)梅羅指數(shù)法標明Cd在II,III,IV塘以達到輕污染水平，單因子指數(shù)法則顯示Cd僅在III塘達到輕污染水平。

5 結(jié)論

(1)朱仙莊煤礦塌陷水域雖形成后期被認為分割，水文化學特征變化不大。主要屬于HCO3-Na型；IV塘HCO3-Ca型。

(2)重金屬含量均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)II類水質(zhì)標準，Cd相對Cr,Mn,Pb污染較嚴重，達到輕污染狀態(tài)。總體而言塌陷水域重金屬污染小，水質(zhì)良好。

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Hydrochemistry Characteristics and Pollution Evolution In Zhuxianzhuang Subsidence Ponds

CHEN Mimi1, REN Jiaguo1,CHENG Chen2, CHEN Guangxu3

(1. College of Earth Science and Engineering of Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266510, China; 2. School of Resources and Civil Engineering of Suzhou University，Anhui Suzhou 234000，China; 3. College of Earth Science of East China University of Technology, Jiangxi Nanchang 330013, China)

Hydro-geochemistry; heavy metal; Nemerow comprehensive pollution index; subsidence pool; Zhuxianzhuang coal mine

2016-05-09；

2016-06-12；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201310379004)

陳蜜蜜(1992—)，女，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向：水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì);E-mail:ahcmm28@163.com

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陳蜜蜜，任加國，程琛，等.朱仙莊煤礦塌陷水域水文地球化學特征及污染評價[J].山東國土資源，2016,32(11)：44-48.CHEN Mimi, REN Jiaguo,CHENG Chen,etc.Hydrochemistry Characteristics and Pollution Evolution In Zhuxianzhuang Subsidence Ponds[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(11)：44-48.