沙地生態脆弱區礦井水資源灌溉適宜性評價

王甜甜，楊 建，趙 偉

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，西安710077；3.西安中地環境科技有限公司，西安710077）

0 引 言

目前，我國煤礦97%以上以井工開采為主[1]，在開采過程中為保障井下生產安全必須大量疏排地下水形成礦井水。據統計，我國每開采1 t 原煤約產生2 t 礦井水[2,3]，同時受采掘、運輸和人為活動的影響，礦井水極易受到污染[4.5]，常含有懸浮物、硫酸根、鹽分、重金屬等污染物[6]。污染的礦井水直接外排污染地表水及地下水、影響植物生長、破壞礦區生態環境[7]。我國西部煤炭生產區水資源短缺、地表植被稀疏、生態環境脆弱[8]。若將礦井水用于生態灌溉，可實現礦區水資源利用與礦區生態環境保護協調發展。但是污染的礦井水若未經處理直接用于植被灌溉，懸浮物可破壞土壤的團粒結構，使土壤板結；鹽分超標會造成植物細胞缺水枯黃，而且長期使用高鹽水灌溉，引起土壤鹽漬化[9]；重金屬難以降解，易在土壤中富集，并通過土壤-植物-動物-人類逐級遷移，威脅人體健康。因此，在利用礦井水進行生態灌溉之前，進行生態灌溉適宜性評價十分必要。

目前，針對礦井水資源灌溉適宜性評價的研究較少。E.B.戈里高留克[10]利用鈉吸收比分析了礦井水灌溉農田的可行性；翟建平[11]利用農業灌溉標準與礦區原水、再生水和清水的水質對比，分析其對土壤性能和土壤微生物影響；石金芳[12]主要利用EC、SAR、Na%和KI指數分析煤礦排水對農田灌溉的適宜性；前人的研究為礦井水資源的利用及灌溉提供了新的思路，但是在灌溉可行性評價方面考慮因素單一，缺少綜合性的分析與評價。而礦井水水環境是一個充滿不確定性的復雜系統，礦井水中存在多種污染物，所以僅以鹽分為主要因素去評價礦井水灌溉的可行性比較片面。礦井水灌溉適宜性評價其實質是礦井水是否對土壤產生不良影響，即有無鹽堿危害；是否破壞土壤結構，影響土壤的滲透性[13]；是否鈉含量超標，影響作物生長；是否重金屬超標，威脅地下水水質安全。

本文以典型的沙地生態脆弱區敏東一礦為例，采用鹽度危害性（S）、堿危害性（SAR）、滲透性指數（PI）、可溶性鈉含量（SSP）與重金屬污染指數（HPI）對多源礦井水資源進行灌溉適宜性評價，然后在此基礎上采用極限條件法確定各類礦井水資源的最終適宜性。以期為研究區進行礦井水資源灌溉提供科學的理論依據。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況

敏東一礦位于內蒙古自治區呼倫貝爾市，屬于沙地生態脆弱區[14]，其土壤質地粗疏，且受過度放牧和礦產開發的影響，沙化日益嚴重，植被覆蓋率逐年下降，造成區內植被類型單一，多以天然干草場為主，草場覆蓋率約為50%～70%。礦區周邊僅在伊敏河附近存在農田，多以旱地為主。

敏東一礦設計規模為500 萬t/a，主采16-3 煤層，主要含水層自上至下依次為：第四系砂礫石含水層（第四系含水層）、15 煤層組頂板及層間砂礫巖、砂巖含水巖組（Ⅰ含水層）、16煤層組頂板礫巖、砂礫巖含水巖組（Ⅱ含水層）和16煤層間礫巖、砂礫巖含水巖組（Ⅲ含水層）。

根據水文地質補勘報告，礦井水主要來源于直接充水水源（Ⅲ含水層）和間接充水水源（Ⅱ含水層、Ⅰ含水層及第四系含水層），其通過充水通道（“天窗”、斷層和導水裂隙帶）或疏放等形式進入井下，之后在采空區、工作面和巷道中局部匯集（其間也包含生產廢水的匯集），然后再通過自流或抽排的形式匯入水倉中，再由水泵抽排至地表，經處理后排入排水溝中。敏東一礦礦井水匯排過程，如圖1所示。

圖1 敏東一礦礦井水匯排過程圖Fig.1 Mindong No.1 mine water convection process diagram

1.2 取樣與檢測

為全面了解敏東一礦多源礦井水資源水質是否可以用于灌溉，分別采集充水水源、井下不同位置及地表水溝水樣。其中：充水水源10組（第四系含水層3組、Ⅰ含水層2組、Ⅱ含水層3 組、Ⅲ含水層2 組）、采煤過程5 組（采空區2 組、工作面2組、巷道1組）、水倉1組、排水溝1組，共計17組，采樣點位置分布圖如圖2所示。

圖2 敏東一礦水樣分布圖Fig.2 Sampling location of Mindong No.1 mine

水樣選用2 L 塑料瓶采集，采樣前用待取水樣潤洗2～3次，采樣后，經初級沉淀過濾處理后密封，標注取樣地點與日期，送往至陜西工勘院環境檢測有限責任公司，按照《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)進行檢測，檢測指標包括常規離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO-3、SO2-4、Cl-)檢測及重金屬（Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、As、Se、Cd、Cr6+、Pb）檢測。

1.3 研究方法

礦井水資源灌溉適宜性評價，主要是分析礦井水資源進行生態灌溉是否對土壤和農作物產生不良反應，即是否產生鹽漬化危害，這不僅與土壤自身特征有關，還與水體中各離子的含量以及它們之間的組合比例有關[14]。因此，本文對各類礦井水源進行灌溉適宜性評價，主要包括：鹽度危害性（S）、堿危害性（SAR）、可溶性鈉含量（SSP）、滲透性指數（PI）與重金屬污染指數（HPI）分析，然后在此基礎利用極限條件法確定各類礦井水資源的最終適宜性。礦井水生態灌溉可行性評價流程如圖3所示。

圖3 多源礦井水資源灌溉適宜性評價流程圖Fig.3 Irrigation suitability evaluation flow chart of multi-source mine water resources

（1）鹽度危害性（S）。鹽度危害性（S）表示水體中Cl-和鹽類可能發生的最大危害含量，當S＞10～15 mmol／L時，大多數植物苗期會受到抑制[15]。其計算公式如下：

式中：Na+、Cl-、SO2-4濃度單位均以mmol/L表示。

（2）堿危害性（SAR）。堿危害性（SAR）為鈉吸附比[16]，表示Na+和土壤交換反應的相對活度，用以衡量灌溉水造成土壤堿化的程度，根據《城市污水再生利用綠地灌溉水質》(GBT25499-2010)標準要求，土壤堿化程度SAR≤9，則不會造成土壤堿化[17]。其計算公式如下：

式中：Na+、Ca2+、Mg2+濃度單位均以mmol/L表示。

（3）可溶性鈉含量（SSP）。當灌溉水中Na+含量較高時會引起土壤中Na+積累，使得水中Na+交換黏土顆粒吸附的Ca2+和Mg2+，導致土壤滲透性降低，土壤水分運移受阻[18]，當SSP＞60%時，則不宜用于農田灌溉[19]。SSP計算公式如下：

式中：Na+、K+、Ca2+、Mg2+濃度單位均以mmol/L表示。

（4）滲透性指數（PI）。長期使用高鹽灌溉水會影響土壤滲透性，因此需要滲透性指數（PI）判斷水體對土壤滲透性的影響[18]。如果水體PI＞70%則不會影響土壤滲透性，PI＜25%則會影響土壤滲透性[20]。其計算公式如下：

式中：Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3濃度單位均為meq/L。

（5）重金屬污染指數（HPI）。采煤活動一般會使水體受到含有重金屬煤層的影響，導致其重金屬含量增加。重金屬污染指數（HPI）[21,22]表示重金屬在水體中的總質量，是以加權算術平均值為基礎，對水體中重金屬產生的水質污染影響進行綜合評價。利用HPI分析各類礦井水重金屬的污染程度，可以反映其重金屬對土壤的毒害，通常取HPI臨界污染指數為100，當HPI＞100時，則認為該水體中重金屬污染程度已超出其承受的最高水平，會對農田產生一定的影響。其計算公式如下：

式中：wi為第i個重金屬指標的權重，wi=k/Si，k為比例常數，通常取1；qi為第i個重金屬指標的質量等級指數。

式中：mi為水體中重金屬的實際檢測濃度值，mg/L；Si為重金屬指標的最大限值，可選用《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)規定的Ⅳ類限值，因為“Ⅳ類地下水”適用于農業用水，mg/L；Ii為重金屬指標的理想值，可選用《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)規定的Ⅲ類限值，因為“Ⅲ類地下水”適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水，mg/L。

2 結果與討論

2.1 礦井水水質分析

礦井水水質特征分析是礦井水生態灌溉評價的基礎與前提，對研究區的礦井水、間接充水水源及直接充水水源中常規離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO-3、SO2-4、Cl-)及重金屬（Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、As、Se、Cd、Cr6+、Pb）進行檢測，結果見表1和表2。

表1 礦井水常規離子檢測結果Tab.1 Results of conventional ion detection in mine water

表2 重金屬污染指數（HPI）評價指標檢測結果Tab.2 Heavy metal pollution index(HPI)evaluation index test results

17 組水樣中主要的陽離子為Na+，其質量濃度為22.91～271.42 mg/L，且礦井水及其直接充水水源中Na+質量濃度大于礦井水間接充水水源，所有水樣中Ca2+、K+、Mg2+的質量濃度較小，平均質量濃度均小于10 mg/L，主要的陰離子為HCO3-，質量濃度為114.70～663.14 mg/L，其次為Cl-和SO42-。

通過將研究區水樣中重金屬質量濃度與《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)及《城市污水再生利用綠地灌溉水質》標準（GB/T19772-2005）對比發現，十種重金屬中Hg、As、Se、Cd、Cr6+5 種重金屬質量濃度遠低于Ⅲ類限值，證明研究區未遭受Hg、As、Se、Cd、Cr6+五種重金屬的污染。僅Fe、Mn、Zn、As、Pb 五種重金屬質量濃度超過Ⅲ類限值，其中，Fe 和Zn 的超標率較高，17 組水樣中9 組水樣中Fe 的質量濃度大于0.3 mg/L，且05 工作面2 水樣中Fe 的質量濃度高達36.02 mg/L；同樣，9組水樣中Zn的質量濃度大于1 mg/L，且間接充水水源及礦井水中Zn的質量濃度均超過1 mg/L。因此選擇Fe、Mn、Zn、As、Pb 5種重金屬作為HPI模型的評價指標。

2.2 礦井水生態灌溉適宜性評價

根據公式(1)～(6)分別對各類礦井水資源進行鹽度危害性（S）、堿危害性（SAR）、可溶性鈉含量（SSP）、滲透性指數（PI）與重金屬污染指數（HPI）計算，并根據計算結果繪制評價指標柱狀圖（圖4）。

由圖4（a）可知，17 組水樣鹽度危害性（S）為0.12～5.60 mmol/L，均小于10 mmol/L，說明各類礦井水源鹽度均符合要求，直接進行灌溉不會抑制植物生長。

由圖4（b）和圖4（c）可知，17 組水樣堿危害性（SAR）為0.76～32.40，可溶性鈉含量（SSP）為27.31～97.26，其中直接充水水源、采空區、工作面、巷道、水倉水樣評價結果分別為13.29～32.40、91.13～97.26，均大于適宜限值（9 和60），說明水體中的堿含量、可溶性鈉含量偏高，不適宜生態灌溉。因為，敏東一礦礦井水主要來源于Ⅲ含水層的疏放，而Ⅲ含水層由于埋深較大，地下水的補給、徑流、排泄條件比上覆含水層較弱，致使水體中的Na+質量濃度較高，進而導致可溶性鈉含量偏高，同時采空區、工作面、巷道、水倉等礦井水評價結果也受其影響。而地面水溝水樣為水處理后的排放水，因此該水體的評價結果為適宜。

圖4 礦井水資源灌溉適宜性評價結果Fig.4 Evaluation results of suitability of mine water resources for irrigation

由圖4（d）可知，滲透性指數（PI）為53.33～136.36，均大于25，大部分水樣評價結果大于70%，為適宜灌溉，只有部分第四系含水層水樣評價結果在25～70，為比較適宜灌溉。說明各類礦井水源長期進行灌溉對土壤滲透性不會造成影響。

由圖4 （e） 可知，重金屬污染指數（HPI） 在7.44～448.81，礦井水間接水源HPI值小于100，適宜灌溉，但是直接充水水源及礦井水，HPI值均遠大于100，不適宜灌溉。這是由于Ⅲ含水層及礦井水中重金屬Fe、Zn、Mn、AS等重金屬質量濃度較高，超出地下水質量標準Ⅲ限值。

為綜合評價研究區水樣灌溉適宜性，對各指標的評價結果使用極限條件法，即根據評價結果中最差的指標確定灌溉的適宜性，極限條件法綜合評價結果見表3。由結果可知，直接充水水源、采空區、工作面、巷道、水倉水樣均不適宜農田灌溉，長期灌溉會嚴重威脅植物的生長安全，而間接充水水源和可用于生態灌溉。由此說明，敏東一礦淺部含水層（第四系含水層、Ⅰ含水層、Ⅱ含水層）水質符合植被灌溉要求，而深部含水層（Ⅲ含水層）和井下采煤過程疏放水、生產廢水和水倉水由于受地層礦物溶濾、采煤活動等因素的影響，其水質無法達到植被灌溉要求，所以對于這類礦井水樣必須進行處理達標后灌溉，不可直接用于灌溉。

表3 極限條件法確定最終灌溉適宜性評價結果Tab.3 Limit condition method to determine the final evaluation results of irrigation suitability

3 結 論

（1）研究區水樣中主要陽離子為Na+，陰離子為HCO3-，礦井水直接充水水源及礦井水中Fe、Mn、Zn、As、Pb 5 種重金屬質量濃度較高，超出地下水質量標準Ⅲ限值及《城市污水再生利用綠地灌溉水質》標準。

（2）敏東一礦各類礦井水資源中只有直接充水水源、采空區、工作面、巷道和水倉水樣的SAR（13.29～32.40）和SSP（91.13～97.26）及礦井水樣的HPI（150.43～448.81）不適宜生態灌溉，其他水樣均適宜，同時各類礦井水樣的S（0.76～32.4）和PI（53.33～136.36）符合生態灌溉要求。

（3）根據極限條件法原則，礦區淺部含水層符合生態灌溉要求，而礦井水直接充水水源及礦井水（采空區、工作面、巷道、水倉水樣）由于地層礦物溶濾和采煤活動的影響，水質未達到生態灌溉要求，灌溉前必須進行處理。