毛禮鑫，王鵬程，朱士飛*，吳 蒙，姜迎春，曹 磊

（1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇徐州 221006；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221006；3.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東濟(jì)寧 272072；4.山東能源新礦內(nèi)蒙古能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 016200）

0 引言

礦井水排出是礦井安全生產(chǎn)的需要，有時(shí)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生負(fù)面影響，在西部地區(qū)更是如此。西部地區(qū)位于黃河中上游，分布著我國(guó)超過(guò)半數(shù)的煤炭基地和火電基地，也是高礦化度礦井水主要集中區(qū)之一，如內(nèi)蒙古、甘肅、陜西等地［1］。目前的脫鹽技術(shù)成本較高，西部煤礦區(qū)的高礦化度礦井水只有部分經(jīng)過(guò)處理后用于礦區(qū)的生產(chǎn)生活，大部分礦井水多儲(chǔ)集在地表人工湖中，散發(fā)刺鼻氣味，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)赝寥?、空氣以及水質(zhì)［2］?！饵S河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》指出要注重水源涵養(yǎng)、防止水土流失，對(duì)待生態(tài)敏感脆弱區(qū)要實(shí)施嚴(yán)格的污染物排放限制。西部地區(qū)多為草原型煤礦區(qū)，是我國(guó)北方地區(qū)的生態(tài)屏障，其氣候干旱，水土流失嚴(yán)重，屬于生態(tài)脆弱區(qū)，環(huán)境極易破壞且短時(shí)期難以自然恢復(fù)。此外，黃河中上游地區(qū)的環(huán)境污染會(huì)對(duì)黃河流域中下游生態(tài)產(chǎn)生影響，因此西部地區(qū)的礦井水應(yīng)當(dāng)給予更多的關(guān)注。

長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)者們更為關(guān)注原生礦井水的水質(zhì)特點(diǎn)與演化機(jī)理、水化學(xué)評(píng)價(jià)、水害防治、零排放預(yù)處理、深部回灌存儲(chǔ)以及資源化利用等問(wèn)題［3-4］。如顧大釗等從煤礦安全生產(chǎn)的角度研究神東礦區(qū)地下水的分布規(guī)律［5］，李競(jìng)贏等從礦井水化學(xué)特征的角度研究張集礦礦井水的化學(xué)組成，并采取分級(jí)分類的方法探討礦井水利用的方向［6］，王楠等從人體健康的角度研究了石河子地區(qū)地下水重金屬污染情況［7］。此外，前人通過(guò)脫鹽技術(shù)、地質(zhì)封存等手段研究高礦化度礦井水的處置與資源化利用［8-10］。然而，針對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)集在地表人工湖的礦井水研究較少，對(duì)其水質(zhì)特點(diǎn)、時(shí)間效應(yīng)、健康風(fēng)險(xiǎn)缺乏認(rèn)識(shí)。以鄂爾多斯上海廟礦區(qū)人工湖中儲(chǔ)集的礦井水為例，分析各種重金屬的污染特性、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、健康風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合水質(zhì)特點(diǎn)開(kāi)展利用評(píng)價(jià)，以期為西部地區(qū)礦井水的綠色儲(chǔ)集與資源化利用提供依據(jù)。

1 樣品來(lái)源及測(cè)試

研究區(qū)位于位于鄂爾多斯盆地西北緣，地理位置屬于中溫帶典型大陸性干旱荒漠氣侯，干旱少雨，日照時(shí)間長(zhǎng)蒸發(fā)強(qiáng)烈，黃河在其西北部約14km。系統(tǒng)梳理研究區(qū)勘探報(bào)告、建井地質(zhì)報(bào)告等資料可知（包括長(zhǎng)城一號(hào)井、二號(hào)井、三號(hào)井、四號(hào)井、五號(hào)井、六號(hào)井），上海廟礦區(qū)礦井水主要來(lái)自第四系和新近系含水層，涌水量分別為0.023 ～5.76 L/（s·m）、0.000 075 93 ～0.271 L/（s·m），其次是二疊系石盒子組含水層，石炭系含水層和奧陶系含水層的涌水量較小。整體以高礦化度水為主，礦化度為524～8 790mg/L。

為研究礦井水長(zhǎng)期儲(chǔ)集地表后的特征以及變化，2022年2月于上海廟礦區(qū)、礦區(qū)中心水廠三號(hào)儲(chǔ)集湖分別采取原礦井水、地表儲(chǔ)集礦井水，包括原礦井水（W0）、人工湖短期儲(chǔ)集礦井水（W1）、人工湖長(zhǎng)期儲(chǔ)集礦井水（W2）以及處理后的礦井水（W3）各1 份。此外，采集湖底淤泥樣和湖岸土壤樣品各1份，用以研究礦井水儲(chǔ)集對(duì)周邊土壤的影響。

本次水質(zhì)分析及重金屬測(cè)試均由中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)特征與水質(zhì)評(píng)價(jià)

由表1 可知，水樣中陽(yáng)離子以Na+占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，Ca2+、Mg2+、K+含量較少，F(xiàn)e2+、Fe3+均未檢出。陰離子以Cl-為主，其次是SO4

表1 礦井水水化學(xué)測(cè)試結(jié)果Table 1 Hydrochemical analysis results of mine watermg/L

2-和HCO3-。研究區(qū)礦井水具有高礦化度特點(diǎn)，水質(zhì)呈弱堿性，pH 值平均為8.18，按照《煤礦礦井水分類》（GB/T 19223—2015）屬于中性礦井水。

依據(jù)水化學(xué)數(shù)據(jù)可分析地下水的主控因素。水樣中Na+/（Na++Ca2+）和Cl-/（Cl-+HCO3-）比值分別為0.93～0.96，0.67～0.77，數(shù)值均大于0.5，且樣品的TDS 較高，這表明礦井水化學(xué)組成的主要因素為蒸發(fā)結(jié)晶作用，研究區(qū)位于干旱內(nèi)陸地區(qū)，干旱氣候條件下，降水量小、蒸發(fā)量大、地下水補(bǔ)給不足，使得礦井水鹽分濃縮，而大氣降水作用對(duì)研究區(qū)地下水的影響極其微弱。

水資源匱乏是西部地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，根據(jù)鈉吸附比（SAR）和WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)方法分析礦井水用于農(nóng)業(yè)灌溉和飲用的可行性［11］。本次選取水中陰離子HCO3-、SO42-、Cl-，陽(yáng)離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+，以及pH值、TDS、EC共計(jì)12個(gè)水質(zhì)化驗(yàn)參數(shù)計(jì)算WQI值。處理后的礦井水（W3）WQI值小于50，為可飲用的優(yōu)質(zhì)水資源，而原礦井水（W0）和地表儲(chǔ)集礦井水（W1、W2）的WQI值分別大于200、300，飲用風(fēng)險(xiǎn)值極高（圖1）。并且隨著在地表儲(chǔ)集時(shí)間的增加，風(fēng)險(xiǎn)程度增加。SAR值顯示的鈉毒害風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果與WQI法評(píng)價(jià)結(jié)果一致，即W0、W1、W2鈉毒害風(fēng)險(xiǎn)值依次增加，這可能與當(dāng)?shù)貧夂蚋稍镉嘘P(guān)，隨著地表儲(chǔ)集時(shí)間的增加，蒸發(fā)濃縮作用增加了水中鹽濃度。除W3外其他水樣SAR值均大于50，表明不可作為農(nóng)業(yè)灌溉用水。

圖1 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Figure 1 Water quality assessment results

2.2 重金屬含量特征

測(cè)試了水樣、土壤樣中As、Hg 等9 個(gè)重金屬元素的含量，樣品重金屬含量有明顯差異（表2）。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017），AS、Mn、Ni 含量符合III 類地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，Cu 為II 類，其他重金屬符合I 類地下水標(biāo)準(zhǔn)。整體來(lái)看，地表儲(chǔ)集礦井水的重金屬濃度低于鄂爾多斯地區(qū)淡水中重金屬含量的平均值，高于鄂爾多斯市飲水源的重金屬含量（Cr、Cd、Mn 除外）。處理后的礦井水（W3）重金屬含量最低，地表儲(chǔ)集礦井水（W1、W2）的重金屬含量為前者的2～10 倍。土壤樣品中，湖底淤泥重金屬含量最高，濃度是內(nèi)蒙地區(qū)背景值的1.0～2.2 倍，且高于人工湖周邊土壤中重金屬的含量。

表2 重金屬測(cè)試結(jié)果與背景值Table 2 Heavy metal test results of samples and regional background valuesx

如圖2所示，計(jì)算儲(chǔ)集時(shí)間不同水樣中重金屬濃度差值、湖底淤泥與湖岸土壤中重金屬濃度差值?？梢钥闯?，水樣重金屬差值為負(fù)值（As除外），而土壤樣中重金屬差值為正值（As 除外），并且兩者有明顯的線性關(guān)系（R2=0.84）。前人研究表明水中重金屬可以通過(guò)物理、生物、化學(xué)作用沉淀富集在底部沉積物中［12］，通常人工湖底鋪有防塵隔離，底泥很少，因此推斷淤泥中的重金屬來(lái)源于人工湖儲(chǔ)集的礦井水，這與長(zhǎng)期儲(chǔ)集水樣（W2）的重金屬含量降低的結(jié)果是一致的。通過(guò)水樣、淤泥樣品中重金屬含量的差異性可以看出，礦井水在地表儲(chǔ)集會(huì)產(chǎn)生湖底淤泥重金屬富集效應(yīng)，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生威脅。

圖2 礦井水與淤泥中重金屬關(guān)系Figure 2 Relationship between heavy metals from mine drainage and silt

2.3 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

單因子污染指數(shù)I用于明確不同重金屬的生態(tài)污染效應(yīng)，可初步評(píng)價(jià)重金屬污染狀況。然而，重金屬污染不僅與濃度相關(guān)，更與不同重金屬的毒理性關(guān)系密切，選擇潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)多種重金屬對(duì)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)［13］。為了全面研究地表儲(chǔ)集礦井水對(duì)周邊環(huán)境的影響，本次分別對(duì)水樣和湖底淤泥的重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。水樣重金屬的背景值參考鄂爾多斯市淡水湖重金屬濃度平均值，數(shù)據(jù)來(lái)源于鄂爾多斯市生態(tài)環(huán)境局，土壤樣品背景值依據(jù)內(nèi)蒙古土壤重金屬含量平均值［14］。

單因子污染指數(shù)I計(jì)算結(jié)果表明，除Cr元素外，地表儲(chǔ)集礦井水重金屬污染指數(shù)（0 ～2.95）大于鄂爾多斯市飲水源（0 ～0.87），并且長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)集的水樣W2 的污染指數(shù)明顯小于短期儲(chǔ)集礦井水W1（圖3）。地表儲(chǔ)集礦井水中重金屬污染程度Pb ＞Cr ＞Hg ＞Zn ＞Cu ＞As ＞Cd，其中Pb、Cr、Hg 污染指數(shù)大于1，屬于輕度污染。然而，淤泥中所有重金屬的污染指數(shù)I均大于1，重金屬遷移的過(guò)程中可能導(dǎo)致水體重金屬污染程度加重。

圖3 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Figure 3 Evaluation results by single factor pollution index

由于引入重金屬毒性效應(yīng)系數(shù)Tr，依據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)結(jié)果得出的重金屬污染程度排序結(jié)果與單因子污染指數(shù)不一致（圖4），水樣中重金屬污染程度Hg ＞Pb ＞Cr ＞As ＞Cu ＞Zn ＞Cd，除Hg外其他重金屬的潛在生態(tài)污染系數(shù)均小于40。淤泥中Hg 和Cd 的潛在生態(tài)污染系數(shù)分別為40、56.6，為中等污染風(fēng)險(xiǎn)。累計(jì)求和可得多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI，水樣和淤泥樣品RI值均大于100，表明在多種重金屬累積下存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Figure 4 Evaluation results of potential risk index of heavy metals

2.4 重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的同時(shí)，通過(guò)直接或者間接的方式對(duì)人類的健康產(chǎn)生威脅。選擇危害商數(shù)指數(shù)HQ、致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)R分別評(píng)估化學(xué)非致癌物質(zhì)和化學(xué)致癌物質(zhì)對(duì)人體的危害，計(jì)算模型參考文獻(xiàn)［15-16］，該模型將人體通過(guò)飲水等途徑接觸重金屬的含量與參考含量RfD、SF（本次參考美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的推薦值［17-18］）的比值作為健康風(fēng)險(xiǎn)判別依據(jù)，研究認(rèn)為，當(dāng)HQ＞1 時(shí)存在健康風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)R＞1×10-4時(shí)存在致癌風(fēng)險(xiǎn)。

表3 為健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，人工湖儲(chǔ)集礦井水重金屬的危害商數(shù)均小于1，經(jīng)過(guò)求和可得出8種重金屬累積危害商數(shù)指數(shù)，礦井水的累積指數(shù)分別為0.28、0.23，表明地表儲(chǔ)集礦井水重金屬的非致癌風(fēng)險(xiǎn)和總體非致癌風(fēng)險(xiǎn)較低。致癌風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)中Cd 小于1E-06，As、Cr 的數(shù)值大于1E-06 但是小于1E-04，說(shuō)明重金屬致癌風(fēng)險(xiǎn)整體可控。通過(guò)與鄂爾多斯市飲水源水質(zhì)比較可知，地表儲(chǔ)集礦井水與當(dāng)?shù)仫嬎此|(zhì)存在明顯差距，大部分重金屬的非致癌風(fēng)險(xiǎn)大于當(dāng)?shù)仫嬎矗–r除外），As的致癌風(fēng)險(xiǎn)也大于當(dāng)?shù)仫嬎础?/p>

表3 重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Results of health risk assessment for heavy metals

前人研究表明水環(huán)境（pH 值、鹽度、溫度等）的改變會(huì)影響水中重金屬的遷移［12］，由于研究區(qū)氣候干燥，隨著儲(chǔ)集時(shí)間的延長(zhǎng)地表儲(chǔ)集礦井水鹽度不斷增加，湖底淤泥中重金屬存在釋放的可能，因此，不能忽視那些儲(chǔ)集礦井水中濃度不高但是淤泥中濃度較高的重金屬元素。綜合礦井水和淤泥的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)結(jié)果認(rèn)為，地表儲(chǔ)集礦井水存在Hg、Cd、Pb、Cr 等重金屬污染的可能，需要重點(diǎn)關(guān)注Hg、Cd 的生態(tài)污染風(fēng)險(xiǎn)和As、Cr 的致癌風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

1）研究區(qū)礦井水是以Na+、Cl-為主的高礦化度礦井水，隨著地表儲(chǔ)集時(shí)間增加，礦井水的pH 值、TDS等水質(zhì)參數(shù)增大，蒸發(fā)-濃縮作用是其水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素；水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示儲(chǔ)集時(shí)間較長(zhǎng)的礦井水鈉毒害風(fēng)險(xiǎn)、飲用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)更大，不適宜作為飲用水和灌溉用水。

2）地表儲(chǔ)集礦井水重金屬含量超過(guò)當(dāng)?shù)仫嬎?，符合III 類地下水標(biāo)準(zhǔn)，其中As、Mn、Ni 濃度較高；湖底淤泥重金屬含量是背景值的1.0～2.2 倍，與水中重金屬有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3）水和淤泥中污染程度較高的重金屬分別是Hg、Pb、Cr 和Hg、Cd，地表儲(chǔ)集礦井水和湖底淤泥多種重金屬累積下均存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。水質(zhì)環(huán)境變化會(huì)誘導(dǎo)淤泥重金屬的釋放，因此需要重點(diǎn)關(guān)注Hg、Cd的生態(tài)污染風(fēng)險(xiǎn)和As、Cr的致癌風(fēng)險(xiǎn)。