煤礦銹水對飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法及案例研究

李云，譚偉，李嬌，李君超，蔣進(jìn)元?

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心

目前公眾對環(huán)境問題尤其是突發(fā)環(huán)境事件的關(guān)注度極高,如化學(xué)品爆炸、原油泄漏等,這些環(huán)境問題對人類健康及生態(tài)環(huán)境等造成極大的威脅[1-3]。因此,對突發(fā)環(huán)境事件開展環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)能為預(yù)防、控制和減緩環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支撐。飲用水水源地作為高敏感環(huán)境受體,易受周邊化工企業(yè)或其他突發(fā)環(huán)境事件的影響,其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)尤其受到關(guān)注[4-7]。

我國煤炭資源豐富,由于早期煤炭開采管控較松,導(dǎo)致目前四川、貴州和陜西省的很多地區(qū)存在大量廢棄煤礦井口。煤礦企業(yè)閉礦前開采等人為活動已對煤系含水層造成了一定的破壞,加之礦井中的煤矸石及煤中含有的Fe、Mn、Cu、Zn、Hg等重金屬元素溶出釋放,且溶出過程中,硫酸鹽、氟化物、總?cè)芙夤腆w(TDS)、錳及總硬度等均有所釋放[8],導(dǎo)致雨季呈強(qiáng)酸性的磚紅色煤礦銹水從礦井口大量涌出,既影響感官,又可能帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。筆者建立了廢棄礦井涌水對飲用水水水源地的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系并進(jìn)行了評價(jià),同時(shí)對煤礦銹水風(fēng)險(xiǎn)管控和治理提出對策建議,以期為保護(hù)煤礦周邊生態(tài)環(huán)境以及飲用水安全提供支撐,同時(shí)也為地表水水源地周邊煤礦企業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供參考。

1 煤礦銹水對飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

1.1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

在大量資料查閱及專家咨詢的基礎(chǔ)上,采用層次分析法[9-12],以礦井涌水對飲用水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)層,分析影響煤礦企業(yè)礦井涌水和飲水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的多種因素,分別確定影響層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。礦井涌水(風(fēng)險(xiǎn)源)是引起飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要因素之一,礦井涌水的水量和遷移情況對飲用水源地產(chǎn)生不同的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),而煤礦企業(yè)和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境部門風(fēng)險(xiǎn)管理與控制能力是降低礦井涌水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素,因此,將風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)受體、遷移通道、應(yīng)急管理納入影響層；考慮到礦井口涌水、水源地敏感性、排污方式、污染物遷移過程、風(fēng)險(xiǎn)防范及應(yīng)急能力、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急設(shè)施等多個(gè)方面(準(zhǔn)則層),最終確定將12項(xiàng)可較全面反映煤礦企業(yè)對水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平的影響指標(biāo)納入指標(biāo)層。形成包括風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)受體、遷移通道[13-14]、應(yīng)急管理4個(gè)一級指標(biāo)、6個(gè)二級指標(biāo)和12個(gè)三級指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。

運(yùn)用層次分析法,對各指標(biāo)相對于目標(biāo)的權(quán)重(W)進(jìn)行專家咨詢和打分,據(jù)此計(jì)算評價(jià)指標(biāo)相對于總目標(biāo)(礦井涌水對飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn))的權(quán)重,評價(jià)指標(biāo)及各權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 礦井涌水對飲用水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的指標(biāo)體系及權(quán)重Table 1 Risk evaluation index system and weight for rust water from coal mine to drinking water sources

1.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)值計(jì)算

參照文獻(xiàn)[8]和[12],對12項(xiàng)指標(biāo)在不同條件下的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評分,具體評分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation standards of environmental risk assessment index

1.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算

各評價(jià)指標(biāo)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表征,具體計(jì)算公式見式(1)、式(2)。

式中:TIRm為第m項(xiàng)指標(biāo)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Nm為第m項(xiàng)指標(biāo)的評分；Wm為第m項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

礦井涌水對飲用水水源地總的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(TIR)定義為表1中12項(xiàng)指標(biāo)的函數(shù),具體計(jì)算公式:

1.4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分級與評價(jià)

按照式(1)、式(2)計(jì)算煤礦企業(yè)礦井涌水對飲用水源地的TIR,將風(fēng)險(xiǎn)級別劃分為4個(gè)等間隔區(qū)段,按照TIR由高到低劃分為重大、較大、一般和較低4類環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)級別[15](表3)。

表3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Calculated results of environmental risk indexes of three mines

2 案例評價(jià)

2.1 煤礦及飲用水水源地概況

以位于四川某區(qū)縣的3個(gè)煤礦作為風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),3個(gè)煤礦中2個(gè)已廢棄,礦井已采取封堵措施,1個(gè)由于手續(xù)問題暫時(shí)停產(chǎn)。雨季廢棄礦井中有呈酸性的磚紅色礦井銹水從井口涌出(圖1),順山間小溪匯入飲用水水源地所在河流。煤礦銹水酸性強(qiáng),主要風(fēng)險(xiǎn)污染物是總Zn、總Cd、Fe、Mn、氟化物和硫酸鹽等。從風(fēng)險(xiǎn)源分布來看,2處已廢棄煤礦礦井距離水源地較近(不超過10 km),且礦井出口順著小溪溝匯入的河流位于水源地上游；暫時(shí)停產(chǎn)的煤礦礦井出口順著小溪溝的流程較長(大于20 km),且匯入的河流在飲用水源地取水口下游。

圖1 廢棄礦井口和礦井口下游小溪溝Fig.1 Abandoned mine mouth and small gully downstream the mine mouth

飲用水水源地屬于地表飲用水水源地,日取水量為1.5萬m3。劃定的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì),定期開展水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測。水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)無居民居住,沒有與保護(hù)設(shè)施無關(guān)的建設(shè)項(xiàng)目及排污口,近年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示,水質(zhì)能達(dá)到GB 3838—2002中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)立有保護(hù)區(qū)劃標(biāo)志、隔離防護(hù)網(wǎng)、宣傳欄,設(shè)置有視頻監(jiān)控,接入市生態(tài)環(huán)境局視頻監(jiān)控終端。水源地的取水服務(wù)單位制定有應(yīng)急管理方案,具備相應(yīng)的應(yīng)急管理能力和應(yīng)急監(jiān)測能力。

2.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)評分與TIR計(jì)算

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測

煤礦銹水從井口涌出,順著溝道流入山間小溪,順勢而下匯入飲用水水源地所在河流,再通過重力或者擴(kuò)散到達(dá)飲用水水源地取水口,引發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此,在3個(gè)煤礦礦井出口,小溪溝沿程50 m、1 km,水源地匯入口上游500 m、匯入口下游1 km和距離水源地取水口上游100 m設(shè)立監(jiān)測位點(diǎn),依據(jù)GB 20426—2006《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 3838—2002分別監(jiān)測pH、DO濃度、CODMn、BOD及氨氮、總磷、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As、Hg、Se、氟化物、硫化物濃度等指標(biāo),連續(xù)監(jiān)測1周,定量分析礦井涌水遷移規(guī)律。

通過定點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),煤礦銹水從礦井口涌出時(shí)呈強(qiáng)酸性,部分特征污染物如Fe、Zn、Mn超標(biāo)。煤礦銹水在遷移過程中,經(jīng)過山間溪流稀釋、土地消納和微生物降解等綜合作用,污染物濃度得到大幅降低,在匯入飲用水水源地所在河流時(shí)水質(zhì)已達(dá)GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 各指標(biāo)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

按照式(1)分別計(jì)算12個(gè)指標(biāo)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),最后計(jì)算得到3個(gè)礦井的TIR,結(jié)果如表4所示。

表4 3個(gè)礦井環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculated results environmental risk indexes of three mines

2.2.3 各煤礦TIR

根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)值及權(quán)重的計(jì)算結(jié)果,3個(gè)煤礦TIR分別為0.504 2、0.494 4和0.288 9。對應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分級分別是一般、一般和較低。

2.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果分析

以GB 20426—2006中排放限值作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,3個(gè)案例礦井的煤礦銹水均呈強(qiáng)酸性,pH為2~5,特征污染物為Fe、Zn、Mn、Cd和氟化物；煤礦銹水Fe濃度超標(biāo)較嚴(yán)重,3個(gè)礦井煤礦銹水最大超標(biāo)倍數(shù)分別為437、138和119倍；此外,煤礦銹水Zn、Cd濃度也超標(biāo),其中Zn的最大超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)38倍。單從水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果判斷,煤礦銹水呈強(qiáng)酸性,且Fe超標(biāo)嚴(yán)重,可能存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。對2013—2019年飲用水水源地取水口斷面水質(zhì)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,飲用水水源地近7年水質(zhì)穩(wěn)定,可穩(wěn)定達(dá)到GB 3838—2002中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),特征污染物能穩(wěn)定達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%。

從風(fēng)險(xiǎn)源來看,廢棄煤礦1和廢棄煤礦2煤礦銹水呈強(qiáng)酸性,且水質(zhì)部分指標(biāo)超標(biāo)倍數(shù)較高,對TIR貢獻(xiàn)較高；從遷移通道來看,2個(gè)廢棄煤礦距離飲用水水源地均較遠(yuǎn),煤礦銹水順河道經(jīng)過長距離遷移,經(jīng)過山間溪流稀釋、土地消納、微生物降解等綜合作用,污染物濃度大幅降低,在匯入水源地所在河流時(shí)水質(zhì)已達(dá)GB 3838—2002中Ⅲ類；從風(fēng)險(xiǎn)受體來看,飲用水水源地水質(zhì)長期達(dá)標(biāo),水質(zhì)較好,環(huán)境容量大。可見,2個(gè)廢棄煤礦TIR評價(jià)結(jié)果為一般。

相比于廢棄煤礦1和廢棄煤礦2,暫時(shí)停產(chǎn)煤礦水質(zhì)超標(biāo)倍數(shù)低。從遷移通道來看,暫時(shí)停產(chǎn)煤礦距離飲用水水源地較遠(yuǎn),從小河溝先匯入B河流,B河流再經(jīng)過數(shù)km匯入水源地入流河流,匯入水源地時(shí)水質(zhì)已達(dá)到GB 3838—2002Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),不影響飲用水水源地水質(zhì)。此外,煤礦銹水混入的小溪溝與飲用水水源地所在河流的匯入口位于飲用水水源地取水口下游,因此遷移通道幾個(gè)指標(biāo)對飲用水水源地的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值非常小。廢棄煤礦1和廢棄煤礦2無人管理,基本不具備應(yīng)急管理能力,而暫時(shí)停產(chǎn)煤礦具有臨時(shí)廢水儲存池,也一直有人值班,具備一定的應(yīng)急能力。因此,相較2個(gè)廢棄煤礦,暫時(shí)停產(chǎn)煤礦環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為較低。

3 風(fēng)險(xiǎn)管理對策建議

根據(jù)上述環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)論,對飲用水水源地周邊有多處煤礦礦井的區(qū)域提出風(fēng)險(xiǎn)管理對策建議:1)強(qiáng)化管理與煤礦銹水治理。按照《煤礦防治水細(xì)則》(煤安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14號)[16]要求,對廢棄煤礦采取有效封堵措施,封堵填實(shí)或在井口澆注堅(jiān)實(shí)的鋼筋混凝土蓋板；同時(shí),加強(qiáng)對礦井涌水的水質(zhì)監(jiān)測,每年不少于2次；從“排、堵、截、治”等方面對煤礦銹水開展治理研究,降低引發(fā)環(huán)境事故的風(fēng)險(xiǎn)。2)開展煤礦銹水遷移河道生態(tài)修復(fù)。本研究案例的3個(gè)煤礦的煤礦銹水對下游遷移河道有100~2 000 m的影響,但對下游的水源地?zé)o影響,因此,建議運(yùn)用河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)加強(qiáng)對受影響河道的污染治理。3)加強(qiáng)飲用水水源地保護(hù)。加強(qiáng)環(huán)境管理,定期開展現(xiàn)場巡查和執(zhí)法檢查,按要求每季度對飲用水水源地進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測,逐步開展一次綜合生物毒性監(jiān)測,啟動持久性有機(jī)污染物(POPs)、內(nèi)分泌干擾物等監(jiān)測。4)強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。煤礦企業(yè)和飲用水水源地取水服務(wù)公司要完善應(yīng)急管理,建立應(yīng)急管理信息系統(tǒng),開展相關(guān)應(yīng)急技能培訓(xùn)和演練,做好應(yīng)急準(zhǔn)備。建設(shè)較為完善的污染物防控和飲用水源地的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控預(yù)警體系。

4 結(jié)論

(1)確定了風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)受體、遷移通道、應(yīng)急管理4個(gè)一級指標(biāo),礦井口涌水、水源地的敏感性、排污方式、污染物遷移過程、風(fēng)險(xiǎn)防范及應(yīng)急能力、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急設(shè)施6個(gè)二級指標(biāo)和12個(gè)三級指標(biāo)形成的指標(biāo)體系,采用層次分析法,建立了煤礦銹水對飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)方法,對煤礦銹水對飲用水水源地的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評價(jià)。

(2)從污染源(煤礦銹水)、污染受體(水源地)水質(zhì)、煤礦銹水遷移河道水質(zhì)、綜合整體評價(jià)4個(gè)方面,評價(jià)了3個(gè)案例煤礦銹水對飲用水水源地的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明,3個(gè)煤礦TIR分別為0.504 2、0.494 4和0.288 9,對應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分級分別是一般、一般和較低。