潘文明，王德高

（安徽工業(yè)經(jīng)濟學(xué)院地質(zhì)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

淮南市新集一礦采煤沉陷水域重金屬元素污染調(diào)查評價

潘文明，王德高

（安徽工業(yè)經(jīng)濟學(xué)院地質(zhì)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

伴隨著煤礦企業(yè)供給側(cè)改革日益深入，煤礦企業(yè)從單一煤炭開采獲得經(jīng)濟效益，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷Σ擅撼料菟蛏鷳B(tài)環(huán)境治理發(fā)展生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)，因此采煤沉陷水域重金屬元素現(xiàn)狀調(diào)查與評價工作將是未來發(fā)展的重要方向。選擇淮南市新集一礦采煤沉陷水域為研究對象，結(jié)合實地現(xiàn)場踏勘，挑選出具有代表性四個沉陷水域（A、B、C和D）進行水樣品系統(tǒng)采集。按照地表水國家檢測標準，測定出28個水樣品中六種重金屬元素（銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鎘（Cd）、鉻（Cr）和鉛（Pb））豐度值。研究成果表明：（1）A區(qū)六種重金屬污染程度最嚴重，其次是B區(qū)，D、C區(qū)則相對較輕；（2）與周邊張集煤礦采煤沉陷水域重金屬元素豐度值相比，本次研究區(qū)重金屬元素顯著富集；（3）采用單因子指數(shù)法計算表明Cd、Cr和Pb元素屬于新集一礦采煤沉陷水域潛在危險重金屬元素，應(yīng)引起高度重視，需著重治理。

重金屬元素；采煤沉陷水域；調(diào)查評價；新集一礦

引言

淮南市是華東地區(qū)重要的煤炭生產(chǎn)加工基地，享有“華東工業(yè)糧倉”、“煤都”之譽；“因煤而建，因煤而興”是淮南市作為煤炭型工業(yè)城市典型的特征，也充分表明了與煤炭相伴生的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈是淮南市經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。

伴隨著近半個多世紀的煤炭開采、運輸、加工利用，淮南市基礎(chǔ)經(jīng)濟建設(shè)得到了飛躍式發(fā)展，一度成為了安徽省城市經(jīng)濟增長快速發(fā)展之典型；然而，如今的淮南卻為曾經(jīng)的躍進式發(fā)展付出了沉重的代價，造成了大面積地下采空區(qū)，導(dǎo)致了大大小小面積不等、星羅密布的地表沉陷水域。已有研究表明①董柳華，劉勁松：《潘集礦區(qū)塌陷水域水質(zhì)評價及其綜合利用》，《中國環(huán)境監(jiān)測》2009年第3期，第76-80頁。計承富，桂和榮，王和平等：《淮南礦區(qū)塌陷水體水質(zhì)的變化》，《煤田地質(zhì)與勘探》2008年第1期，第44-48頁。何春桂，劉輝，桂和榮：《淮南市典型采煤塌陷區(qū)水域環(huán)境現(xiàn)狀評價》，《煤炭學(xué)報》2005年第6期，第754-758頁。，采煤沉陷水域不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，包括淹沒土地、毀壞農(nóng)田、沖擊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等，還破壞了區(qū)域性生態(tài)系統(tǒng)，加重人多地少的社會矛盾，帶來了一系列的社會問題，因此針對現(xiàn)有采煤沉陷水域資源環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查與評價，對于正確認識當(dāng)前沉陷區(qū)水域水環(huán)境形勢，開展沉陷區(qū)水資源生態(tài)保護，解決地方生產(chǎn)和城鄉(xiāng)工業(yè)及生活用水日漸需求的突出問題具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，有關(guān)淮南地區(qū)采煤沉陷水域水環(huán)境調(diào)查與評價工作被廣泛報道②何春桂，劉輝，桂和榮：《淮南市典型采煤塌陷區(qū)水域環(huán)境現(xiàn)狀評價》，《煤炭學(xué)報》2005年第6期，第754-758頁。，主要集中在淮南地區(qū)北部的潘謝礦區(qū)，但對淮南地區(qū)南部的新集礦區(qū)采煤沉陷水域水環(huán)境研究工作鮮有報道。此外，以往的研究工作重點調(diào)查采煤沉陷水域礦化度、硬度、pH值、水化學(xué)類型等常規(guī)組分的豐度值③蘇桂榮，姚多喜，李守勤等：《基于ARCGIS的塌陷水質(zhì)特征研究及評價》，《安徽理工大學(xué)學(xué)報》（自然科學(xué)版）2012年第1期，第39-42頁。賈俊，高良敏，尹伶俐等：《空間差值在地表水質(zhì)分析與評價中的應(yīng)用——以淮南礦業(yè)集團潘集礦塌陷水體為例》，《安徽理工大學(xué)學(xué)報》（自然科學(xué)版）2012年第1期，43-47頁。，而針對其中有害重金屬元素豐度值僅零星報道，為此，本文選擇鳳臺縣花家湖旁新集一礦為代表，重點調(diào)查該礦井地表采煤沉陷水域有害重金屬元素豐度水平，評價重金屬元素污染程度，提出重金屬污染的相關(guān)環(huán)境問題，為該礦井開展采煤沉陷水域生態(tài)建設(shè)、水資源循環(huán)建設(shè)等工程提供技術(shù)參考。

1研究區(qū)概況

新集一礦位于安徽省淮南市鳳臺縣城西約17km處，在鳳臺縣新集鎮(zhèn)內(nèi)。該井田地處淮河沖積平原，地勢低平，一般海拔22-26米，西高東低。井田周邊水陸交通方便。阜淮鐵路、潘謝公路從井田中部穿過，西淝河流經(jīng)井田東端，向東南注入淮河。井田設(shè)計產(chǎn)能90萬噸/年，其原始能利用儲量6.57億噸，到2008年底，已累計動用原始能利用儲量0.96億噸，期末保有資源儲量5.27億噸，累計探明資源儲量6.23億噸。

新集一礦全境原地系統(tǒng)為石炭-二疊系含煤地層，其中二疊系的山西組及上下石盒子組為主要含煤地層，其中主要可采煤層11層（20、13-1、13-1下、11-2、9、8、7-2、7-1、6-1、3和1煤層），總厚度27.53m，其余均不可采。原地系統(tǒng)總體上保持走向近東西、傾向北的單斜構(gòu)造，伴有一定規(guī)模的斷裂構(gòu)造和波狀起伏褶皺。

2水樣品采集與測試分析

2.1水樣品采集

通過對新集一礦采煤沉陷水域?qū)嵉靥た?，確定對現(xiàn)已形成規(guī)模并對周邊居民生活具有潛在危險的四個主要塌陷區(qū)（依次標定為A、B、C和D）進行沉陷水域表層水樣品采集。

水樣品采集、封裝和運輸嚴格依照地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838-2002）所規(guī)定相應(yīng)內(nèi)容執(zhí)行。其中，水樣品采集過程描述如下：先測定水樣采集點水深和溫度，再依據(jù)所測得的最大水深用采水器采集表層水，并定其點位信息。

將采得的水樣均勻混合于洗凈的聚氯乙烯瓶中，加入5ml濃硝酸，密封儲存，盡快送至實驗室測試。此外，所有水樣品測定準備試劑包括：硝酸（優(yōu)級純）、高氯酸（優(yōu)級純）、去離子水、標準濃度的所測重金屬元素標準儲備液以及混合標準儲備液（由所測重金屬元素混合配制而成）。

本次研究共采集四個采煤沉陷水域水樣品28個，其中A區(qū)8個、B區(qū)6個、C區(qū)4個和D區(qū)8個。所有水樣品采集位置如圖1所示，與其相對應(yīng)的點位、深度和水溫信息見表1。

圖1新集一礦采煤沉陷水域水樣品采集位置圖

表1新集一礦采煤沉陷水域水樣品基本信息匯總表

2.2水樣品測試分析

前人研究表明①王雪峰：《煤矸石淋溶微量元素污染的水動力學(xué)規(guī)律研究》，華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006年。，淮南地區(qū)大多數(shù)采煤沉陷區(qū)毗鄰煤矸石堆積場，后者在雨水淋濾、自然風(fēng)化過程中，會析出或滲出有害重金屬元素，其中銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鎘（Cd）、鉻（Cr）和鉛（Pb）元素因其對人體健康具有潛在危險而被廣泛關(guān)注?；诖耍敬窝芯恐攸c調(diào)查上述六種重金屬元素在采煤沉陷水域中的豐度值。此外，所測六種重金屬元素實驗方法列于表2中。所采集到的水樣品由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試完成，測試結(jié)果見表3。本次研究中定義單一采煤沉陷區(qū)六種重金屬元素平均總通量Q=（Cu平均值+Zn平均值+Ni平均值+ Cd平均值+Cr平均值+Pb平均值），用以反映該水域重金屬污染水平。

表2水樣品六種重金屬元素檢測方法

表3新集一礦采煤沉陷水域28個水樣品重金屬元素豐度值

3結(jié)果與討論

3.1不同采煤沉陷水域重金屬元素現(xiàn)狀

現(xiàn)對新集一礦四個采煤沉陷水域六種重金屬元素豐度值之現(xiàn)狀分述如下：

（1）A區(qū)

A區(qū)8個水樣監(jiān)測點中：Cu元素豐度最大值為0.382mg/L，最小值為0.212mg/L，平均值為0.282mg/L；Zn元素豐度最大值為1.023mg/L，最小值為0.185mg/L，平均值為0.497mg/L；Ni元素豐度最大值為0.076mg/L，最小值為0.014mg/L平均值為0.042mg/L；Cd元素豐度最大值為0.093mg/L，最小值為0.016mg/L平均值為0.040mg/L；Cr元素豐度最大值為0.456mg/L，最小值為0.032mg/L，平均值為0.285mg/L；Pb元素豐度最大值為0.478mg/L，最小值為0.048mg/L，平均值為0.313mg/L。該區(qū)六種重金屬元素平均總通量Q為1.459mg/L。

（2）B區(qū)

B區(qū)6個水樣監(jiān)測點中：Cu元素豐度最大值為0.267mg/L，最小值為0.131mg/L，平均值為0.209mg/L；Zn元素豐度最大值為0.306mg/L，最小值為0.120mg/L，平均值為0.219mg/L；Ni元素豐度最大值為0.024mg/L，最小值為0.010mg/L，平均值為0.015mg/L；Cd元素豐度最大值為0.037mg/L、最小值為0.010mg/L，平均值為0.020mg/L；Cr元素豐度最大值為0.684mg/L，最小值為0.048mg/L，平均值為0.192mg/L；Pb元素豐度最大值為0.356mg/L，最小值為0.076mg/L，平均值為0.182mg/L。該區(qū)六種重金屬元素平均總通量Q為0.837mg/L。

（3）C區(qū)

C區(qū)4個水樣監(jiān)測點中：Cu元素豐度最大值為0.142mg/L，最小值為0.078mg/L，平均值為0.110mg/L；Zn元素豐度最大值為0.156mg/L，最小值為0.070mg/L，平均值為0.102mg/L；Ni元素豐度最大值為0.022mg/L，最小值為0.013mg/L，平均值為0.017mg/L；Cd元素豐度最大值為0.012mg/L，最小值為0.007mg/L，平均值為0.010mg/L；Cr元素豐度最大值為0.059mg/L，最小值為0.051mg/L，平均值為0.055mg/L；Pb元素豐度最大值為0.130mg/L，最小值為0.057mg/L，平均值為0.085mg/L。該區(qū)六種重金屬元素平均總通量Q為0.379mg/L。

（4）D區(qū)

D區(qū)8個水樣監(jiān)測點中：Cu元素豐度最大值為0.185mg/L，最小值為0.091mg/L，平均值為0.128mg/L；Zn元素豐度最大值為0.469mg/L，最小值為0.098mg/L，平均值為0.286mg/L；Ni元素豐度最大值為0.035mg/L，最小值為0.003mg/L，平均值為0.017mg/L；Cd元素豐度最大值為0.033mg/L，最小值為0.008mg/L，平均值為0.015mg/L；Cr元素豐度最大值為0.258mg/L，最小值為0.008mg/L，平均值為0.127mg/L；Pb元素豐度最大值為0.127mg/L，最小值為0.058mg/L，平均值為0.093mg/L。該區(qū)六種重金屬元素平均總通量Q為0.666mg/L。

上述統(tǒng)計分析可以看出，六種重金屬元素平均總通量表現(xiàn)為：A>B>D>C。已有研究表明，采煤沉陷水域重金屬污染類型屬于非點源污染，主要污染類型有：采煤活動工業(yè)污染，生活廢水污染，農(nóng)田種植活動面源污染，交通運輸尾氣污染等。結(jié)合四個采煤沉陷水域水樣品點位信息（圖1），能夠看出A、B沉陷區(qū)周邊村莊分布較多，交通運輸網(wǎng)較密集，且在朱崗村附近發(fā)現(xiàn)有煤矸石堆放處，因此推斷A、B兩處采煤沉陷水域至少疊加3種以上污染源，致使其Q值較高。D沉陷區(qū)位于西淝河下游，上游村莊（熊郢孜、馬前郢孜等）所產(chǎn)生的生活污水對其水域造成一定程度的污染，且D沉陷區(qū)周邊農(nóng)田種植活動所產(chǎn)生的殘留農(nóng)業(yè)污水對其產(chǎn)生面源污染，因此推斷D處采煤沉陷水域至少疊加2種以上污染途徑，致使其Q值有所增加。C沉陷區(qū)周邊村莊稀少，公路網(wǎng)疏散，未有河流發(fā)育，推斷其水域主要污染行徑為經(jīng)風(fēng)力作用，使得采煤活動所產(chǎn)生的粉塵降落聚集于C沉陷區(qū)內(nèi)，并逐漸從固體粉塵顆粒中溶解、擴散至水體中，因此推斷C處采煤沉陷水域至少疊加1種以上污染源，致使其Q值較低。

3.2不同采煤沉陷水域重金屬元素對比和空間分析

圖2表明了不同采煤沉陷水域同一重金屬元素平均豐度值之差異性對比。結(jié)合張集采煤沉陷水域重金屬元素研究數(shù)據(jù)，得出如下主要結(jié)論：

（1）Cu元素

A區(qū)水域Cu元素豐度值最大，其次是B區(qū)，最小豐度值為C區(qū)；若以C區(qū)Cu元素豐度值為背景值，A區(qū)則是其3倍，B區(qū)則是其2倍，D區(qū)則是其1.2倍，整體性平均值則是其1.7倍，而張集采煤沉陷水域僅是其1.3倍，這反映出新集一礦采煤沉陷水域Cu元素豐度值較周邊張集煤礦的富集。

（2）Zn元素

A區(qū)水域Zn元素豐度值最大，其次是D區(qū)，最小豐度值為C區(qū)；若以C區(qū)Zn元素豐度值為背景值，A區(qū)則是其5倍，D區(qū)則是其2.8倍，B區(qū)則是其2倍，整體性平均值則是其2.6倍，而張集采煤沉陷水域僅是其2.2倍，這反映出新集一礦采煤沉陷水域Zn元素豐度值較周邊張集煤礦的富集。

（3）Ni元素

A區(qū)水域Ni元素豐度值最大，其次是C、D區(qū)，最小豐度值為B區(qū)；若以B區(qū)Ni元素豐度值為背景值，A區(qū)則是其4.2倍，C、D區(qū)則是其1.7倍，整體性平均值則是其1.8倍，而張集采煤沉陷水域僅是其1.7倍。除卻A區(qū)，B、C、D和張集采煤沉陷水域Ni元素豐度值相當(dāng)，這反映出新集一礦采煤沉陷水域Ni元素豐度值與周邊張集煤礦的相接近。

（4）Cd元素

A區(qū)水域Cd元素豐度值最大，其次是B區(qū)，最小豐度值為C區(qū)；若以C區(qū)Cd元素豐度值為背景值，A區(qū)則是其4.0倍，B區(qū)則是其2.0倍，D區(qū)則是其1.7倍，整體性平均值則是其2.2倍，而張集采煤沉陷水域僅是其0.9倍，這反映出新集一礦采煤沉陷水域Cd元素豐度值較周邊張集煤礦的明顯富集。

（5）Cr元素

A區(qū)水域Cr元素豐度值最大，其次是B區(qū)，最小豐度值為C區(qū)；若以C區(qū)Cr元素豐度值為背景值，A區(qū)則是其5.6倍，B區(qū)則是其3.8倍，D區(qū)則是其2.8倍，整體性平均值則是其3.2倍，而張集采煤沉陷水域僅是其1.2倍，這反映出新集一礦采煤沉陷水域Cr元素豐度值較周邊張集煤礦的明顯富集。

（6）Pb元素

A區(qū)水域Cr元素豐度值最大，其次是B區(qū)，最小豐度值為C區(qū)；若以C區(qū)Pb元素豐度值為背景值，A區(qū)則是其3.6倍，B區(qū)則是其2.2倍，D區(qū)則是其1.2倍，整體性平均值則是其1.8倍，而張集采煤沉陷水域僅是其1.5倍，這反映出新集一礦采煤沉陷水域Pb元素豐度值較周邊張集煤礦的富集。

圖2不同采煤沉陷水域同一重金屬元素豐度值對比

為了進一步查明不同采煤沉陷水域重金屬元素豐度值之空間分布對比，采用Surfer 8.0軟件，繪制了A、B、C和D區(qū)六種重金屬元素豐度值空間分布對比圖（見圖3）。

上述對比分析表明，新集一礦采煤沉陷水域六種重金屬元素平均豐度值較張集煤礦的富集，推斷其原因可能來自于：（1）礦井煤炭資源開采年限引起重金屬元素累積量增多，新集一礦于1989年12月26日正式開工建設(shè)，1993年7月1日正式投產(chǎn)，并實現(xiàn)了當(dāng)年達產(chǎn)，至今開采已有23年，張集煤礦于2001年11月正式投產(chǎn)，至今開采已有15年兩者相比，新集一礦較張集煤礦多達8年開采年限，引起采煤工業(yè)活動污染程度增加；（2）新集一礦地處西淝河流域下游，采煤沉陷水域整體性繼承了上游采煤工業(yè)活動污染、農(nóng)田種植面源污染、居民生活污水污染等來源所釋放的重金屬，造成本區(qū)重金屬元素普遍較周邊井田富集；（3）與B、C和D沉陷水域重金屬元素豐度值相比，A區(qū)重金屬元素豐度值顯著較富集，此外，考慮到A區(qū)周邊村莊較多，其沉陷水域重金屬元素對人體環(huán)境污染潛在危險效應(yīng)較高，但也需要認識到，重金屬元素在水體中復(fù)雜的地球化學(xué)行為，因此針對采煤沉陷水域水環(huán)境治理先后順序，建議按照A→B→D→C順序執(zhí)行。素未超出標準值。

圖3不同采煤沉陷水域六種重金屬元素空間分布

3.3.2評價結(jié)果

參照公式（1）計算，得到六種重金屬元素環(huán)境污染評價結(jié)果（見表4）。

3.3不同沉陷水域重金屬元素污染等級評價

采煤沉陷水域重金屬元素評價方法主要包括：單因子標準指數(shù)法，內(nèi)梅羅指數(shù)法，模糊集理論法，綜合水質(zhì)指數(shù)法等①桂和榮，胡友彪，宋曉梅：《礦業(yè)城市淺層地下水資源研究》，北京：煤炭工業(yè)出版社，2002年。。鑒于本次研究重點評價采煤沉陷水域六種重金屬元素環(huán)境污染能力，為此，選擇快捷、簡易的單因子評價法對其進行環(huán)境污染等級評價。

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838-2002）規(guī)定的水域分類，Ⅲ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源二級保護區(qū)，結(jié)合采煤沉陷水域環(huán)境治理用途，本次研究采用Ⅲ類地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值作為采煤沉陷水域重金屬元素環(huán)境污染評價之依據(jù)，即：Cu元素≤1.0mg/L，Zn元素≤1.0mg/L，Ni元素≤0.02mg/L，Cd元素≤0.005mg/L，Cr元素≤0.05mg/L，Pb元素≤0.05mg/L。

3.3.1評價模型

單項重金屬元素i的標準指數(shù)Pi為：

Pi=Ci/Cs

（1）式中：Ci為重金屬元素i污染物實測濃度，mg/L；Ci為重金屬元素i污染物評價標準，mg/ L。當(dāng)Pi>1時，表明評價樣點重金屬元素超出標準值；當(dāng)Pi=1時，表明評價樣點重金屬元素基本達到標準值；當(dāng)Pi<1時，表明評價樣點重金屬元

表4不同采煤沉陷水域六種重金屬元素環(huán)境污染評價結(jié)果

由表4可以看出，A、B、C和D采煤沉陷水域Cu、Zn和Ni元素未超標；Cd、Cr和Pb元素達到嚴重、中度超標。鑒于人體健康安全，Cd、Cr和Pb元素屬于新集一礦采煤沉陷水域潛在危險重金屬元素，應(yīng)引起高度重視，需著重治理。

4主要結(jié)論

本次研究主要結(jié)論有：

（1）通過對比四個沉陷水域重金屬平均總通量及其空間分布，表明了A區(qū)重金屬污染程度最嚴重，其次是B區(qū)，D、C區(qū)則相對較輕；

（2）與周邊張集煤礦采煤沉陷水域重金屬元素豐度值相比，本次研究區(qū)重金屬元素顯著富集，并提出了建議按照A→B→D→C順序執(zhí)行環(huán)境治理方案；

（3）采用單因子指數(shù)法評價四個沉陷水域六種重金屬環(huán)境污染潛力，得出Cd、Cr和Pb元素屬于新集一礦采煤沉陷水域潛在危險重金屬元素，應(yīng)引起高度重視，需著重治理。

The investigation of heavy metals in Huainan city Xinji1 coal mining subsidence water area

PAN Wenming,WANG Degao

with the deepening of the reform of coal mining enterprises to the supply side,coal mining enterprises obtain economic benefits from a single source gradually to the development of ecological tourism relative to the ecological environment control of coal mining subsidence water area.Therefore,the investigation of heavy metals in coal mining subsidence waters will be an important direction for future development.This paper selects the Huainan city Xinji1 coal mining subsidence water area as the research object,based on field investigation,four representative subsidence waters(A,B,C and D)were determined to collect water samples. Six kinds of heavy metal elements(Cu,Zn,Ni,Cd,Cr and Pb)in 28 water samples were determined by the national standard of surface water.Research results show that:(1)the most serious pollution area of six kinds of heavy metal is A,followed by B,D,C area is relatively light;(2)compared with the heavy metals in abundance nearby Zhangji coal mining subsidence water area,the values of these elements in the this study is significantly enriched;(3)the results of single factor index shows that Cd,Cr and Pb elements belong to the potential hazardous heavy metal elements in the coal mining subsidence water area,which should attach great importance to govern.

heavy metal elements；coal mining subsidence water area；investigation；Xinji1 coal mine

O653

A

1009-9530（2017）03-0099-05

2016-10-08

潘文明(1968-)，男，安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院地質(zhì)學(xué)院工程師，碩士。