程 琛，劉佳俊，汪 玲

1.宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州,234000；2.安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽宿州,234000;3.礦井水資源化利用安徽普通高校重點實驗室，安徽宿州,234000；4.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南,232000

近年來，礦產資源的開發(fā)利用產生的環(huán)境問題日益凸顯[1-4]，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進行治理與修復，走綠色礦業(yè)發(fā)展之路是新時代發(fā)展趨勢與要求[5-7]。煤礦作為重要的能源礦產，其開采及選礦生產對周邊農田、河流、居民生產生活都會產生影響[8-10]，尤其對水環(huán)境的影響日益顯現(xiàn)。煤礦水環(huán)境較為復雜，有礦井開采外排水[11]、礦井水[12]、河流水[13]、塌陷塘[14]等水體，對各類水體進行研究也是諸多學者對礦區(qū)環(huán)境研究的重要方面。兩淮礦區(qū)是我國大型煤炭基地之一，礦山企業(yè)較為密集，礦區(qū)水環(huán)境復雜，對礦區(qū)水環(huán)境常見研究有水化學特征分析、重金屬污染特征分析、生態(tài)風險評價、水環(huán)境質量評價等[15-19]。謝毫等[20]對兩淮礦區(qū)潘謝礦區(qū)和臨渙礦區(qū)主要含水層水化學特征差異進行比較研究發(fā)現(xiàn)兩淮礦區(qū)水化學特征和離子來源在空間上均有一定差異性。黃望望[21]等對淮南新集礦區(qū)深層地下水水化學特征及成因進行研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)砂巖水為高礦化度水，水化學類型主要為Cl-Na型，太灰水多為中礦化度水，水化學類型主要為HCO3·Cl-Na型和Cl-Na型。夏玉婷[22]研究了宿東礦區(qū)塌陷塘水化學特征、重金屬含量變化，并開展重金屬健康風險評價和水質綜合評價。

當前對礦區(qū)水體的研究多集中在某一類水體的研究，缺少將礦區(qū)各功能性水域作為整體進行研究。本文以安徽淮北礦區(qū)的朱仙莊煤礦為例，對礦區(qū)內及周邊各類水體進行采樣、測試、分析與評價，為礦區(qū)水資源綜合利用提供理論依據。

1 區(qū)域概況及水樣采集

1.1 采樣點概況

朱仙莊煤礦位于安徽省宿州市東南13 km處，西北距淮北市64 km。其南與蘆嶺煤礦相鄰，北、東、西均以煤層露頭為界，深部至各煤層-800 m 水平線；南北走向長9 km，東西傾向寬1.5 km～5.8 km，面積21.555 km[23]。研究區(qū)具體位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況

朱仙莊礦區(qū)周邊河、塘較多，礦區(qū)生產水體及生活污水均流向河流，礦區(qū)以西的塌陷塘周邊有以魚類養(yǎng)殖為主的池塘。水域錯綜復雜，并且各水域相距較近。根據水域功能不同，將所研究區(qū)域劃分為七個水域，每片水域采集3組樣品，共設21個采樣點。記錄采樣點經緯度，繪制采樣點分布圖，如圖2所示。

圖2 樣品采集位置點分布

1.2 水樣預處理

根據朱仙莊四面環(huán)水的特征，周邊居民居住分布不均勻的特點，對區(qū)域進行采樣時，以朱仙莊煤礦為圓心向四周擴散采集水樣，進行有間隔的多次隨機取樣。水樣采集后立即送至安徽省礦井水資源化利用重點實驗室進行預處理和測試：對常規(guī)測試水樣進行0.22 μm濾膜抽濾后低溫冰箱保存，并48 h內完成測試；對酸堿滴定的水樣24 h內進行滴定；對測試重金屬的水樣加入HNO3進行酸化確保重金屬元素成離子狀態(tài)，4 ℃冷藏避光保存，并在48 h內完成水質檢測。

2 研究方法

2.1 實驗儀器

美國賽默飛公司ICS-900型和ICS-600型離子色譜儀：AS19陰離子交換柱(250 mm×4 mm)、AG19陰離子保護柱(50 mm×4 mm)、CS12陽離子交換柱(250 mm×4 mm)、CG12陽離子保護柱(50 mm×4 mm)、AS-DV自動進樣器、RF30淋洗液發(fā)生裝置、Chromeleon 7色譜工作站。北京普析公司TAS-990型原子吸收分光光度計；北京普析公司PF6-2原子熒光分光光度計；德國賀默Z32HK高速冷凍離心機；合肥金尼克機械制造有限公司JK-100B型超聲清洗機、抽濾裝置等。

2.2 實驗方法

水樣中常規(guī)離子F-、Cl-、NO3-、SO42-、Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+含量由離子色譜儀測定；CO32-和HCO3-由傳統(tǒng)滴定方法測得；重金屬Ni、Cd、Cr、Pb含量的測定采用原子吸收石墨爐法；重金屬Hg、As含量采用原子熒光光譜儀測定。

2.3 分析方法

利用Aqua Chem3.7軟件對所測常規(guī)陰陽離子進行水化學特征分析，得到常規(guī)離子特征Piper 三線圖。以所測常規(guī)陰陽離子和重金屬為評價因子進行內梅羅綜合指數(shù)法水質綜合評價，用綜合污染指數(shù)法和分級型指數(shù)法進行驗證。

3 結果分析與評價

3.1 水化學類型分析

利用水化學軟件AquaChem對水樣中主要陰離子(Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-)和陽離子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)進行數(shù)據分析和繪圖，得到Piper三線圖，如圖3所示。

圖3 主要陰陽離子Piper三線圖

圖3中Na代表Na+和K+濃度總和所占的每升毫克當量百分數(shù)，HCO3代表HCO3-和CO32-之和。由圖可知：陽離子主要沿著Na-Mg一端分布且靠近Na端，表明主要陽離子為Na+，Mg2+和Ca2+濃度不高；陰離子沿以HCO3-Cl一端分布且靠近HCO3端，故主要陰離子為HCO3-，其次為Cl-和SO42-。水化學類型有Na-HCO3-Cl-SO4型和Na-Mg-HCO3-Cl型并以Na-HCO3-Cl-SO4為主，這與Piper三線圖中離子分布特征及實際測試水樣濃度結果一致。

3.2 水質特征分析

圖4 朱仙莊礦區(qū)水樣中離子濃度變化

參照《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中五類水質等級標準值和補充項目標準值，根據各離子濃度大小，對礦區(qū)水體單個指標進行水質等級分類，數(shù)理統(tǒng)計分析及水質等級如表1所示。

表1 水體各元素含量分析

由表1可知,NO3-、NH4+、Cr、As濃度變異系數(shù)較大，與圖4曲線波動一致，其中Cr變異系數(shù)高達2.04較易從圖中看出，其余離子由于圖中縱坐標范圍較大本身濃度較低圖中反映不明顯；F-和NH4+離子濃度超出Ⅲ類標準較高，達到劣Ⅴ類水質標準，結合水樣分布特點，超標水樣均來自礦區(qū)水域功能劃分的生活污水，即E-礦北生活污水；由各離子最大值和最小值所屬水域可以看出，最大值多數(shù)出現(xiàn)在各類廢水排出水域，即E-礦北生活污水、F-洗煤廢水或G-礦井排水，最小值多數(shù)出現(xiàn)在人工干擾較少的自然水體區(qū)域，即A-礦區(qū)西部池塘水或B-礦區(qū)西部生活用水。

3.3 內梅羅綜合指數(shù)法

選擇F-、Cl-、NO3-、SO42-、NH4+、Ni、Cd、Cr、Pb、Hg、As共11種離子作為評價因子，采用內梅羅綜合指數(shù)法對礦區(qū)水體進行綜合評價，計算過程及計算公式如下：

內梅羅指數(shù)計算公式：

表2 內梅羅指數(shù)等級劃分標準

結合各評價因子實測濃度及《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中各類水質等級標準限值，根據表2中內梅羅綜合污染指數(shù)及其對應的污染水平，計算得到朱仙莊礦區(qū)水質評價結果，如表3所示。

表3 內梅羅綜合污染指數(shù)

由表3可知，礦區(qū)整體水質呈現(xiàn)輕污染狀態(tài)，內梅羅綜合污染指數(shù)為1.61；以各功能區(qū)水域為獨立單元進行內梅羅指數(shù)計算時，除B-礦區(qū)西部生活用水和G-礦井排水水質清潔、E-礦北生活污水為重度污染水體外，其他水域均為輕度污染水體，與礦區(qū)整體水質評價一致。礦區(qū)對水質貢獻最大的污染因子分別為NH4+、F-、NO3-和Ni，以單個評價因子為整體得到內梅羅指數(shù)分別為4.57、2.52、1.94和0.77；而以各水域功能區(qū)為單元時，這四種離子的污染權重為NH4+>NO3->F->Ni，最大指數(shù)分別為5.15、2.66、0.93和0.91。

通過Origin軟件擬合污染影響最大兩種因子NH4+和NO3-相關性，如圖5所示。

圖5 部分水樣中與相關性分析

由圖5可知， NO3-濃度在標準限值10 mg/L內，NH4+與之相關性較高，相關系數(shù)可達0.8以上。NH4+和NO3-兩種離子濃度較高的功能水域分別為E-礦北生活污水和A-礦區(qū)西部池塘水，可能與微生物活動及水產養(yǎng)殖有關。由于G-礦井排水微生物活動微弱，NH4+和NO3-含量低，濃度高的HCO3-、Na+不作為污染指標不進行水質評價，參與水質評價的重金屬Hg、Ni均以實測濃度標準上限Ⅳ類標準值進行計算，單因子結果較小，因子權重較小，最終計算出的綜合污染指數(shù)小于1.0，水質污染水平為清潔。

3.4 其他評價方法

采用綜合污染指數(shù)法和分級型指數(shù)進行驗證內梅羅指數(shù)法評價結果。

表4 綜合污染指數(shù)法和分級型指數(shù)法等級劃分標準

根據各評價因子實測濃度值及其對應的標準值，結合表4等級劃分得到各功能水域及礦區(qū)水質評價結果，如表5所示。

表5 綜合污染指數(shù)法和分級型指數(shù)法評價結果

4 結論與建議

通過內梅羅綜合指數(shù)法對礦區(qū)整體水質進行污染評價，計算得到綜合污染指數(shù)為1.61，水體屬于輕污染水平。B-礦區(qū)西部生活用水和G-礦井排水水質清潔，E-礦北生活污水為重度污染，其他水域與礦區(qū)整體水質評價一致。礦區(qū)對水質貢獻最大的污染因子NH4+>NO3->F->Ni，最大指數(shù)分別為5.15、2.66、0.93和0.91。NH4+和NO3-離子濃度在一定范圍內，存在相關性，且相關系數(shù)達0.82。

綜合污染指數(shù)中單因子平均指數(shù)NH4+>F->Cd，分級型指數(shù)法單因子分值評分較低的有F-、NH4+、Hg和Ni；綜合污染指數(shù)法和分級型指數(shù)法得到結論與內梅羅指數(shù)法所得礦區(qū)水質結論一致，水質均為輕污染水平，水質評價因子F-、NH4+均為主要影響因子，三種評價方法對于不同功能區(qū)水域評價結果，至少有兩種保持一致。