贵州省煤矸石堆场径流污染特征及其对溪流水质的影响

罗海波，刘方，邓为难，张玲，李准

(1.贵州大学环境与资源研究所，贵州贵阳550025;2.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳55003)

贵州省已查明的煤炭资源保有储量为5.04×1010t，居全国第5位。该省含煤面积占总面积的40%以上，除东部地区外，省内各地多有产出，主要集中于西部的盘县、水城、六枝和织金、纳雍、大方等县，其次在中部的贵阳—安顺地区。煤是贵州省最重要的能源矿产，在发展贵州省经济中具有显著的作用[1]。但是，该省大部分煤矿含硫量较高，含硫多在1%～4%。煤矿开采过程中产生大量的煤矸石，由于煤矸石含有SiO2，Al2O3以及铁、锰、硫等常量元素，还有铅、锡、汞、砷、铬等微量重金属元素，在自然的风化过程中一些有害有毒元素会不断的释放出来，在大气降水的冲刷和淋溶作用下随地表径流进入水体，对周边溪流水质造成严重污染，并通过食物链等途径直接或间接地危害人类健康[2-8]。该省山区已关闭大量的小煤矿，但大量矸石堆置地表，在自然风化和降雨作用下，矸石中污染元素不断析出，已对周边的溪流及农田产生明显的污染，成为当地的主要环境问题[7]。研究大气降水—径流过程中煤矸石堆场主要污染元素的迁移特征，有助于人们了解关闭煤矿区煤矸石堆放过程中污染物释放及迁移对水环境质量产生的影响，探讨煤矸石堆场污染控制的生态技术。因此，本研究选择贵州省中部典型的关闭煤矿区，采用无界径流小区法设置试验区，研究煤矸石堆场地表径流中主要污染物含量的变化及其对周边地表水体质量的影响，为制订合理的污染治理措施以减少煤矸石中污染物向水体的迁移及改善煤矸石周边水环境质量提供科学依据。

1 试验区概况与研究方法

1.1 试验区概况

贵州省中部地区属于中亚热带气候类型，年降雨量一般在1 100～1 200 mm，但多集中4—8月份。该区地貌以低山、丘陵为主，土壤多为碳酸盐岩石发育的石灰土以及砂页岩发育的黄壤，林地生长的主要树种有马尾松、油茶以及阔叶树，旱地主要种植作物为玉米、小麦和烤烟等。调查煤矿区所在地为贵阳市花溪区麦坪乡，麦坪乡是贵阳市的重要产煤区，历史上曾拥有大小煤窑200余口，到1996年该乡通过煤窑整治后还有62口。目前，麦坪乡仅存22口符合国家要求的煤井，大部分煤窑被关闭。由于煤矿经过多年开采，废弃的煤矸石堆积成山，不仅占用大量的土地，破坏局部地区的生态环境。同时，煤矿区植被覆盖率低，水土流失较严重，煤矸石堆场的排水及地表径流对周边水环境产生严重的污染。

1.2 地表径流水样及沉积物的采集

为了使取得的样品具有代表性，在关闭煤矿区内选择煤矸石堆场较多的小流域，从井口附近沿流水方向，按一定的距离设置观察点。在典型的煤矸石堆场上，选择有代表性的地段，采用无界径流小区法设置径流收集槽[9]，在同一时间的自然降雨下对不同类型的煤矸石堆场(6个)进行地表径流样品收集，采样时间分别于2008年5月15日(大雨，降雨强度为40～50 mm/h)和8月10日(中雨，降雨强度为20～30 mm/h)。同时，在径流收集槽中收集表层0—5 cm干涸的沉积物混合样品。沉积物带回到试验室后，自然风干，然后用研钵碾碎过2 mm筛，密封保存待用。

1.3 沉积物污染物释放试验

采用的方法是在静置和扰动下沉积物浸水一定时间后，测定沉积物中污染物释放入上层水体的数量。所谓静置释放试验是指在静水条件下进行的释放试验，而扰动释放试验是模拟水体处于一种流动状态下的释放试验，具体操作为每天定时把装有沉积物和水的三角瓶放在振荡器上振荡5 min，振荡强度相同。静置和扰动试验都分别在体积为250 ml的三角瓶中进行。

试验所用的水样为蒸馏水。试验前先测定所用沉积物的含水率，试验进行时分别取20 g的样品和200 ml的蒸馏水，使沉积物与水样按1∶10的体积进行 ，试验开始后，第 3，7，14，28 d，分别对沉积物上层的溶液进行过滤，得到待测水样，对水样的pH，电导率，Fe，Mn等项目进行测定。

1.4 污染物浓度的测定方法

量取200 ml径流液离心后通过0.45 μ m 滤膜，测定过滤后水样污染物浓度。同时，测定沉积物的上层溶液。按国标分析方法(GB3838-2002)对水样进行测定[10]，即pH采用玻璃电极法测定，电导率采用电导率仪法测定，SO2-4采用络酸钡比色法测定、Fe采用邻菲啰啉分光光度法测定，Mn采用高碘酸钾氧化光度法测定。

2 结果与分析

2.1 煤矸石堆场地表径流中溶解态污染物浓度变化

在天然降雨量较大的条件下，煤矸石堆场地表径流水中主要污染物的浓度出现明显的差异。煤矸石堆场地表径流水的pH值变化范围达2.64～6.38，SO2-4 浓度变化范围达25～690 mg/L，Fe和Mn浓度的变化范围分别为0.10～74.5 mg/L，0.97～38.8 mg/L(表1)。说明关闭煤矿区煤矸石堆场地表径流水具有低pH值和高SO2-4 ，Fe，Mn含量的特点。

表1 不同类型煤矸石堆场地表径流中溶解态污染物浓度变化

2.2 降雨—径流下煤矸石污染物迁移对周边水体质量的影响

关闭煤矿周围的溪流来水主要是地表径流，其水质与径流水质量密切相关。由表2可见，关闭煤矿周围的溪流水体中污染物浓度与离煤矿井口距离有关。在煤矿区小流域内，离井口距离近，水体的pH值低;，Fe，Mn的浓度高。随着距离的增加，水体的pH 值逐渐增加，电导率及SO2-4 ，Fe，Mn浓度也不断下降。

表2 雨季煤矸石堆场周边地表水体水化学指标值变化

以《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值为250 mg/L，Fe为0.3 mg/L，Mn 为0.1 mg/L)来进行评价。在关闭煤矿井口周围100 m范围内，溪流水体的pH 值达2.46～2.82的浓度达387～950 mg/L，超过了标准限值的0.5～2.8倍;Fe和Mn的浓度分别为32.6～86.4 mg/L，11.6～27.4 mg/L，均超过标准限值的108～270倍。受污染流水的影响，稻田水质也受到一定程度的污染，水体的pH值达3.73，Mn的浓度达11.0 mg/L，超过了标准限值的110倍。在距井口300 m外，Mn的浓度仍超过标准限值的10倍。说明关闭煤矿区煤矸石堆场地表径流污染物迁移对附近水体会产生明显的污染。

2.3 煤矸石堆场径流沉积物中污染物释放对水质的影响

由表3可以看出，径流沉积物浸水3～28 d(静置或扰动)后，其上覆水的污染物浓度也发生明显变化。在浸水一周前，pH值达2.88～3.47的浓度变化达20～130 mg/L;Fe和Mn浓度变化分别达0.15～2.4 mg/L，0.4～1.5 mg/L。浸水两周后沉积物上覆水的pH值达2.78～3.71的浓度变化达45～167 mg/L;Fe和Mn的浓度变化分别达0.8～3.9 mg/L，1.8～2.8 mg/L。可见，随着时间的延长，沉积物中，Fe，Mn不断被释放，特别是Fe和 Mn。因此，沉积物上覆水酸性增强，污染强度增加。

以《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》为评价标准，静置和扰动条件下沉积物上覆水的pH值范围远超出地表水环境质量标准，沉积物上覆水中的浓度范围低于标准值;但Fe和Mn浓度远超过标准值;浸水一周前，Fe的浓度超过标准值2～8倍，Mn的浓度超过标准值4～15倍;浸水两周后Fe的浓度超过标准值3～10倍，Mn的浓度超过标准值18～28倍。因此，径流沉积物在下次降雨或积水的条件下，其Fe和Mn的释放对上覆水质也产生明显的影响。

3 结论

(1)关闭煤矿区煤矸石堆场地表径流的pH值变化范围达 2.64～6.38，主要污染物以，Fe，Mn为主;其中含量变化范围达25～690 mg/L，水溶态Fe和Mn含量的变化范围分别为0.10～74.5 mg/L，0.97～38.8 mg/L;这种变化主要是由于煤矸石类型及降雨强度的影响。

表3 静置和扰动条件下沉积物上覆水中水化学指标值的变化

(2)受煤矸石堆场地表径流的影响，废弃煤矿井周围100 m范围内，溪流水体的 pH值达2.46～2.82的浓度超过了集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值的0.5～2.8倍;Fe和Mn浓度超过了标准限值的108～270倍。随着离井口距离的增加，污染物的浓度逐渐下降。

(3)径流沉积物淹水3～28 d后，上覆水体的pH值达2.78～3.71的浓度变化范围达27～160 mg/L;Fe和Mn的浓度变化范围分别达0.3～3.9 mg/L，0.6～2.8 mg/L;Fe浓度超过标准限值的2～10倍，Mn浓度超过标准限值的4～28倍。径流沉积物Fe和Mn的释放对上覆水质也产生明显的影响。

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