閉坑礦井水影響下喀斯特河流污染特征演化及水質評價

關鍵詞：閉坑礦井水；水質評價；多元統計分析；喀斯特河流

中圖分類號：ＴＶ２１１．１＋ １；ＴＤ１２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１５

引用格式：路豪，劉埔，王靖怡，等．閉坑礦井水影響下喀斯特河流污染特征演化及水質評價［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：９０－９５，１０２．

煤礦閉坑后產生的大量礦井排水，一般呈酸性、重金屬含量較高，稱為酸性礦山廢水（ＡＭＤ）［１－２］ 。閉坑礦井水具有較高的重金屬含量、較低的ｐＨ 值，當礦井水匯入河流后會對河流的水生態環境產生較為嚴重的影響，甚至影響人類健康［３－４］ 。發源于地下水出露點的喀斯特地貌河流具有水質較好的特點［５］ ，世界上有２５％的人口依賴喀斯特地貌的地表水生活［６］ ，臨近閉坑礦區以及人類生活區的喀斯特地貌河流容易受到閉坑礦井水以及農業、生活用水等的污染。閉坑礦井水流入地表河流后將導致河流水體ｐＨ 值減小、電導率增大，以及鐵、錳、鋅、鋁、銅等重金屬含量增大［７－８］ ，其中硫酸鹽變為水體中的優勢陰離子是礦井水污染地表河流的特征之一。喀斯特地貌河流生態系統較為脆弱，受到污染后較難修復，而閉坑礦井水對地表水的污染具有持續時間長、污染面積廣等特點。

重金屬污染是河流面臨的環境問題之一，受重金屬毒性和不可降解性以及喀斯特地貌水生態系統脆弱性影響，閉坑礦井水會對喀斯特地貌河流水體造成不可逆的破壞［９］ 。在采礦和農業活動區域監測被閉坑礦井水污染的地表河流時，重金屬的污染評價是極其必要的。本文根據２０２２年３月至２０２３年２月貴陽市花溪區燕樓鎮思惹村受閉坑礦井水污染的河流監測數據，采用多元統計分析、水質評價等方法對河流水體的物理化學性質進行評價，以期為受閉坑礦井水污染的喀斯特地貌河流的水質評價提供參考、為礦井水的污染擴散研究提供理論依據。

１材料與方法

１．１研究區概況

研究區位于貴陽市花溪區燕樓鎮思惹村，夏秋兩季炎熱，春冬兩季寒冷，多年平均降水量為１２２５．３ｍｍ，年平均氣溫為１６ ℃，雨季一般集中在５—８ 月。地形起伏較小，地處云貴高原東斜坡和苗嶺山脈中段，以山地和丘陵為主，為典型的喀斯特地貌，整體地勢東高西低。研究區河流發源于老白洞，流經思惹村受地表小溪流以及泉水補給后匯入紅水河；河流流量受季節變化影響較大，雨季流量最高可達５ ０７６ ｍ^３／ ｈ。研究區閉坑礦井水受降水影響涌水量波動較大，豐水期涌水量可達３６０ ｍ^３／ ｈ，枯水期閉坑礦井水出露點涌水量較小，甚至無水。研究區出露地層主要有下三疊統夜郎組（Ｔ_１ｙ）、上二疊統長興－大隆組（Ｐ_３ ｃ_ｈ－ｄ）、中二疊統茅口組（Ｐ_２ｍ）、中二疊統棲霞組（Ｐ_２ｑ）、上二疊統龍潭組（Ｐ_３ｌ），地層巖性以灰巖、白云巖為主，礦物以方解石、白云石、石膏為主。研究區位于楊子準地臺黔北臺隆遵義斷拱貴陽復雜構造變形區黨武背斜北翼，黨武背斜軸部較寬緩，兩翼不對稱，背斜軸呈北西向展布。北東翼地層走向北西，傾向北東，地層傾角較緩，一般為１０°～１４°；南西翼地層走向北西，傾向南西，地層傾角１５°～１８°，為不對稱的寬緩背斜。

２．３水質綜合評價

采用常用的水質評價指標水質指數（ＷＱＩ）、重金屬污染指數（ ＨＰＩ）、重金屬污染評價指數（ＨＥＩ）等［１９－２０］ 對研究區水體進行水質評價，結果見圖３。

ＷＱＩ 為２３．９５ ～ ７０２．４２，平均值為９２．７３。其中最大值在５ 月閉坑礦井水匯入的采樣點Ｙ４ 處取得，５—８ 月Ｙ４ 處ＷＱＩ＞３００，表明閉坑礦井水匯入處水質最差，為不適宜飲用水源。值得注意的是，在監測的１ 個水文年中，Ｙ１ 處ＷＱＩ 均值小于５０，說明源頭處的水質較好，水質級別為優。Ｙ２ 處為匯入地表河流的支流，在流經農田時可能受到灌溉排水污染，但與Ｙ４、Ｙ６ 相比，Ｙ２ 處水質整體較好。閉坑礦井水匯入后，采樣點Ｙ４、Ｙ６ 處ＷＱＩ 值較Ｙ１ 處均明顯增大。

ＨＰＩ 為１５．６６ ～１ ８２０．３３，最大值在７ 月Ｙ４ 處取得，平均值為１０１． １２， 大于ＨＰＩ 的臨界污染值１００［１３，２１］ ，說明研究區地表河流重金屬污染嚴重，特別是７ 月各采樣點ＨＰＩ 均大于其他月份的。７ 月研究區降水豐沛，推測降水量的增大促進了廢棄礦區以及堆積的廢棄礦渣的淋濾，進而導致閉坑礦井水的涌出量大于其他月份的。

ＨＥＩ 為０．０１～ ２３９．２２，最大值在５ 月Ｙ４ 處取得，ＨＥＩ 整體變化趨勢與ＷＱＩ 的相似，即在閉坑礦井水匯入后，ＨＥＩ 整體大于源頭Ｙ１ 處的，也就是說地表河流在閉坑礦井水匯入后，整體水質變差，重金屬污染程度遠高于源頭處的。由于地表河流的自凈作用以及其他地表水、地下水對河流的補給，因此被污染河流在流過一段距離后，河流污染狀況得到一定緩解，水體水質較剛被閉坑礦井水污染時有所提升，但仍劣于源頭處的。

ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 整體呈現相同的變化趨勢。以ＷＱＩ 為例，在源頭處水質為優，生活污水或灌溉排水匯入后，水質由優逐漸變為好，河流下游在受閉坑礦井水匯入污染后，水質由好轉變差，其中閉坑礦井水匯入的污染源處水質最差（ＷＱＩ＞３００），河流經泉水補給以及在自凈作用下，水質逐漸由差轉變為較差，最終恢復至好。

根據不同月份研究區河流重金屬污染指數和水質指數，結合河流Ｚｎ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｅ 等重金屬含量以及ｐＨ 值對研究區河流重金屬總含量與酸堿性進行分區［２２］ ，結果見圖４。研究區水樣大部分落在近中性－高重金屬、近中性－低重金屬２ 個區域，少部分水樣落在酸性－極高重金屬、酸性－高重金屬與酸性－低重金屬３ 個區域。落在酸性－極高重金屬與酸性－高重金屬２個區域的為采樣點Ｙ４、Ｙ６。離礦井水匯入處較近的水樣雖然為近中性，但重金屬含量依舊較高，經河流自凈作用以及地表水、地下水補給后，水樣物理化學性質逐漸演變為近中性－低重金屬。此外，圖４ 中箭頭表示酸性閉坑礦井水的衰減過程，即酸性閉坑礦井水匯入喀斯特地貌地表河流的過程，礦井水匯入處水體ｐＨ 值較低，重金屬含量較高，匯入地表河流后，經河流稀釋，水體ｐＨ 值明顯上升的同時，重金屬含量降低。原因是部分重金屬發生水化學反應生成不溶于水的沉淀，如酸性閉坑礦井水內Ｆｅ^２＋ 與空氣和水接觸后氧化為Ｆｅ^３＋， 之后Ｆｅ^３＋ 進一步水解為不溶于水的沉淀（Ｆｅ（ＯＨ）_３），附著于河道兩旁以及懸浮于水體表面。

對研究區地表河流進行水質分析發現，Ｙ１ 處ＷＱＩ小于其他采樣點的，平均值３１．１１＜５０，說明該河流源頭處水質較好，受閉坑礦井水污染后，各采樣點ＷＱＩ均有所增大，在監測的１ 個水文年中Ｙ４、Ｙ６ 的ＷＱＩ值大于其他采樣點的。ＨＰＩ 與ＨＥＩ 在１ 個水文年中的變化趨勢與ＷＱＩ 相似，在河流源頭Ｙ１ 處各月的ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 都較小，受閉坑礦井水污染后呈明顯增大趨勢，受泉水（采樣點Ｙ９）補給后，ＷＱＩ、ＨＰＩ、ＨＥＩ 整體呈下降趨勢，但都大于源頭Ｙ１處的。

總而言之，研究區河流源頭處水質較好，閉坑礦井水匯入后，水體水質級別由優變為差，受地表水、地下水補給，以及在河流自凈作用下，河流水質級別回升到好，但水質仍劣于源頭處的。結合多元統計分析，除礦井水匯入與離礦井水匯入較近的采樣點外，其他采樣點的水質滿足農業及工業用水標準。

４結論

為避免廢棄煤礦閉坑后持續產生閉坑礦井廢水污染礦區，煤礦閉坑后，應結合礦區水文地質條件對閉坑礦井水的補給、徑流、排泄情況進行排查，并加強對閉坑礦井水的監測，以便于評估環境風險，做好應急響應和科學處置工作。