重庆西部干旱区煤矿矿井水水质综合评价

孙红福,赵峰华,张 璐,刘一鸣,曹松华,张 伟

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

重庆西部干旱区煤矿矿井水水质综合评价

孙红福,赵峰华,张 璐,刘一鸣,曹松华,张 伟

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

为了提高重庆西部干旱区煤矿矿井水综合利用水平,缓解该区居民用水严重短缺状况,必须对该区的矿井水水质进行综合评价研究。利用Aq.QA水化学软件和模糊综合评价法对重庆西部干旱地区煤矿矿井水、矿区饮用水和水库水体的水质特征进行了综合评价,并结合煤矿地层特点对矿井水水质成因进行了分析。研究结果表明:91%的矿井水水化学类型为Cl－Na型,矿区饮用水和水库水样均为SO4－Ca型;矿井水中共有9个离子超过国家生活饮用水标准的限制,其中Cl－, Na+和Fe离子超标情况最为严重;矿井水中较高含量的Fe离子来自须家河组地层内菱铁矿结核的溶解,而严重超标的Cl－和Na+可能来自于须家河组地层部分地段岩盐的溶解;10个V级水质的矿井水包括4个微咸水、3个咸水和1个盐水水样,2个矿区饮用水为Ⅲ级水质淡水,2个水库水样和广顺县城饮用水为I级水质;模糊综合评价法能够准确评价不同类型的水体,且能揭示每个水体的主控污染因子,但无法对矿化度大于1 000 mg/L的水体进行深度评价。

重庆西部;干旱区;矿井水;水质评价;模糊综合评价

Key words:Western Chongqing;arid area;mine drainage;water quality assessment;fuzzy comprehensive evaluation

重庆西部干旱区缺水情况非常严峻,为了保障旱区群众基本生活用水,我国在西部干旱区开展了大规模的“红层”找水工程[1－4];然而重庆西部干旱区分布有数量较多的煤矿[5],这些煤矿每天都会排放掉大量的矿井水,将本区宝贵的地下水资源白白浪费。如果能够将这些煤矿矿井水资源化,将大大缓解干旱区农村人畜饮用水困难。但是在煤矿矿井水资源化的过程中,必须首先对其进行水质评价,然后才能有针对性地选取最佳的水处理工艺[6－8]。

目前,地下水和矿井水水质评价的常用方法包括综合污染指数法、函数评价法、概论统计法、灰色聚类法和模糊综合法[9－11]。其中综合污染指数法主要针对评价污染物浓度不大或者对水质评价要求不高的情况,较适合大范围的水质评价和粗略的水质评价;函数评价法算法复杂,评价结果有时会被夸大,没有大范围推广应用;概论统计法和灰色聚类法对评价样品的数量要求较高,任务量较大;模糊综合评价法重点强调“主因素”的影响,突出实测值大的指标对水质影响的程度,并考虑到了水质界限的模糊性,通过函数关系,把反映各种水质污染问题的实测值转化为反映水质质量优劣程度的质量值,评价结果可比性强且更为合理[12－15]。根据样品数量和特征笔者采用Aq.QA水化学软件和模糊综合法对重庆西部干旱区煤矿矿井水水质进行综合评价。

1 样品采集与实验

1.1 样品的采集和测试

研究区为重庆西部干旱地区(图1),位于永川、大足和荣昌3县交界处,该区域覆盖多个中小型煤矿,2011年4月初分别到研究区西部的3个煤矿采集了4个矿井水水样(WK－1,YK－1,YK－2和ZK－1)和1个广顺县城饮用水水样(GZ－1)作为对比样品;2012年4月初再次到该研究区东部和南部的5个煤矿采集样品,共采集了7个矿井水水样(WK－3, YK－4,YK－5,CK－2,XK－1,ZK－2和ZK－3),以及2个矿区附近水库的水样(WZ－2和ZZ－1)和2个矿区饮用水水样(WZ－2,CZ－1)作为对比样品,样品编号和说明见表1。

图1 研究区分布示意Fig.1 Distribution of study area

表1 重庆市西部干旱区水样采样点和编号Table 1 Sampling site and number of water samples in the arid area of Western Chongqing

每个水样采集500 mL,采集水样所用聚乙烯塑料瓶均需用3%的HNO3浸泡24 h,然后用去离子水清洗干净备用。水样采集后现场测定其pH值和氧化还原电位(Eh),并尽快将其送回实验室。在实验室用0.45 μm聚酯纤维滤膜过滤水样并将其分成2份:一份加HNO3至pH＜2,用电感耦合等离子质谱仪(ICP－MS)测定主要金属阳离子的含量;另一份不加酸,用离子色谱(IC)测定阴离子含量。采用国标法即二苯碳酰二肼分光光度法测定水样中的六价铬。处理过的水样均需低温保存。

1.2 评价方法和评价标准

利用Aq.QA水化学软件绘制的Piper图分析水样的水化学类型、硬度、盐度等参数。利用模糊综合评价法对各矿井水的水质进行综合评价,评价选取16个主要因子(F－,Cl－,NO,SO,Fe,Mn,Ba,Cu, Ni,Zn,Mo,Co,Cd,Pb,Cr6+,总硬度)进行地下水环境评价。采用《地下水质量标准》(GB/T 14848—93)作为本次研究的评价标准,将地下水质量划分为5类:Ⅰ类,主要反映地下水化学组分的天然低背景含量,适用于各种用途;Ⅱ类,主要反映地下水化学组分的天然背景含量,适用于各种用途;Ⅲ类,以人体健康基准值为依据,主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水;Ⅳ类,以农业和工业用水要求为依据,除适用于农业和部分工业用水外,适当处理后可作生活饮用水;Ⅴ类,不宜饮用,其他用水可根据使用目的选用。

2 结果与讨论

2.1 矿井水水质特征和成因

由重庆西部煤矿矿井水、水库水和饮用水水质分析结果(表2)可以发现,煤矿矿井水、水库水和饮用水的pH为7.25～8.19,均为中性和弱碱性的水体。与国家生活饮用水卫生标准(GB 5749—2006)相比,超标离子共有9个,4个超标阴离子包括Cl－,F－, NO,,5个超标阳离子分别为Na+,Fe,Ba,Ni和Mn。

表2 重庆西部干旱区煤矿矿井水、水库水和饮用水水质分析结果Table 2 Water quality analysis results of coal mine drainage,reservoir water and drinking water in the arid area of Western Chongqing

在超标阴离子中,Cl－超标的水样最多,共有8个矿井水水样(WK－1,WK－3,YK－1,YK－4,YK－5, ZK－1,ZK－2和ZK－3),超标倍数为3.82～41.10;F－超标的水样共有4个(WK－1,WK－3,YK－2和ZK－1),最大超标倍数为12倍;NO超标的3个水样分别为WK－1,ZK－1和CK－2,超标倍数分别为2.0,7.5和4.6;只有1个矿井水水样(XK－1)的SO24－超标。

超标阳离子中,Na+超标的水样共有7个(WK－1,WK－3,YK－1,YK－5,ZK－1,ZK－2和ZK－3),超标倍数为2.25～25.97;Fe离子超标的水样共有11个,除7个矿井水水样(WK－3,YK－4,YK－5,CK－2,XK－1,ZK－2和ZK－3)外,还有2个水库水样(WZ－2和ZZ－1)和2个矿区饮用水水样(YZ－3和CZ－1),矿井水中Fe离子超标倍数为2.05～9.44,水库水样和饮用水中Fe离子超标倍数为1.35～2.09;Ba离子超标的3个矿井水水样为YK－1,YK－5和ZK－1,其超标倍数分别为1.55,2.84和2.58;Ni离子超标的3个矿井水水样(YK－1,ZK－1和XK－1),最大超标倍数为6.75;只有一个矿井水水样(XK－1)中Mn离子超标4.68倍。

重庆西部干旱区的6个煤矿均在开采三叠系须家河组(T3xj)的煤炭,须家河组为一套河流湖泊相含煤碎屑沉积岩,厚614.6～764.7 m,按其岩性自下而上分为6段:1,3和5段为含煤段,分别对应下组煤、中组煤和上组煤;2,4和6段为砂岩含水层段。其中在1,4,5和6段地层中含有较多的菱铁矿结核。重庆西部荣昌县地表水、大气降雨和地下水氧同位素分析测试结果表明该地区地下水的补给来源主要来自大气降水[16－17]。文中6个煤矿的主要充水水源均为大气降水,大气降水通过煤层采空区及断裂带渗入矿井或补给含水层后对矿井充水。大气降水在下渗和流动的过程中会不断与流经的围岩相互作用,将围岩中迁移性强的离子不断送入地下水中,Cl－和Na+是迁移性最强的离子,水质分析结果表明这2个离子在大多数矿井水中超标最严重,表明须家河组地层中很可能含有一定量的岩盐,岩盐的溶解增加了矿井水中Na+和Cl－的浓度。矿井水中超标的Fe离子来自菱铁矿结核的溶解;F－浓度超标可能是须家河组的部分地段含有磷灰石等含氟矿物造成。

由重庆西部干旱区采集的16个水样Piper图(图2)可看出:11个煤矿矿井水水样中有9个矿井水的水化学类型为Cl－Na,另外2个矿井水水样(XK－1,YK－2)分别为SO4－Ca和HCO3－Ca水化学类型;2个水库水样(WZ－2,ZZ－1)和2个矿区饮用水水样(CZ－1,YZ－3)为均为SO4－Ca水化学类型,广顺县城饮用水水样的水化学类型为HCO3－Ca。

图2 重庆西部干旱区矿井水、水库和饮用水水样的Piper图Fig.2 Piper graph of mine drainage,reservoir water and drinking water in the arid area of Western Chongqing

Aq.QA水化学软件对重庆西部干旱区煤矿矿井水、水库和饮用水水样的分析结果(表3)表明:9个矿井水的矿化度均非常高,其中ZK－1水样的矿化度高达16 644 mg/L,达到盐水的水质划分标准(＞1 000 mg/L);YK－5,YK－1,ZK－2和WK－3矿井水达到咸水的标准(3 000～10 000 mg/L);WK－1,YK－4, ZK－3和XK－1矿井水为微咸水(1 000～3 000 mg/L);剩下的2个矿井水水样、2个水库水样和3个饮用水水样矿化度均低于1 000 mg/L,为淡水。盐水、咸水和微咸水不能作为饮用水,若被用作灌溉用水,其盐度对土壤和农作物的危害非常大,因此必须对这些被污染的水体进行处理后才能利用。

表3 重庆西部干旱区水样的Aq.QA软件分析结果Table 3 Aq.QA software analysis results of water samples in the arid area of Western Chongqing

6个煤矿均位于重庆西部红层区内,对重庆西部红层浅层地下水的勘查研究[1,5]表明:重庆西部红层浅层地下水以矿化度＜1 000 mg/L的HCO3－Ca型淡水为主,咸水(包括微咸水)呈星点状分布,极个别点出现盐水,微咸水及咸水出现的概率为5%～13%;红层浅层地下水的矿化度随埋深的增加而增加,局部点有咸淡水界面,而在区域上没有统一的咸淡水界面;重庆西部红层的咸水均为埋藏型,埋深在20～ 125 m,浅层咸水主要出现在上沙溪庙组(J2s)。

重庆西部煤矿须家河组矿井水矿化度的变化特点与该区浅层地下水比较相似,ZQ煤矿+200水平的矿井水ZK－3矿化度为1 853.0 mg/L,明显低于－70水平的矿井水的矿化度(6 593.0 mg/L);须家河组内的上组煤比下组煤标高大约相差260 m,WG煤矿上组煤矿井水WK－1的矿化度(2 952.0 mg/L)显著低于该矿下组煤矿井水WK－3的矿化度(4 049.0 mg/ L)。YC煤矿新排放的上组煤矿井水YK－1的矿化度(7 223.0 mg/L)低于该矿新排放的下组煤矿井水YK－5的矿化度(9 078.0 mg/L)。矿井水矿化度增加的原因可能是随着埋深的增加,地下水的循环交替条件变差造成的,另外不同层位的岩盐含量也会强烈地影响地下水的矿化度。

另外,共有6个矿井水水样的总硬度大于国家生活饮用水卫生标准(GB 5749—2006)最大值450 mg/ L,其中2个矿井水水样(ZK－1和XK－1)的总硬度均大于1 000 mg/L,为特硬水;2个矿井水水样(YK－1, YK－5)为超高硬水(700～1 000 mg/L),2个矿井水水样(ZK－2,ZK－3)为高硬水(450～700 mg/L)。

2.2 基于模糊综合评价法进行的水质评价

2.2.1 因子集和评价集的建立

评价项目及其限值标准见表4,建立因子集u= {F－,Cl－,NO,SO,Fe,Mn,Ba,Cu,Ni,Zn,Mo,Co, Cd,Pb,Cr6+}。根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—93),评价等级分5个等级,组成的评价等级集合:V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},各等级的标准限值见表4。

表4 地下水质量分类标准Table 4 Standard for classification of groundwater quality mg/L

2.2.2 模糊评价矩阵的建立

以WK－1为例,根据各个评价因子的隶属函数及其实测值,求出各评价因子对于各级水的隶属度,并组成模糊矩阵R,即

2.2.3 评价因子的权重矩阵的建立

WK－1评价因子的权重计算结果A=(0.253, 0.546,0.095,0.076,0,0,0.016,0.001,0.011,0, 0.002,0,0,0,0),各采样点的权重计算结果见表5。

2.2.4 模糊综合评价

以WK－1水样为例,根据模糊综合评价法的原理,B=A·R=(0.012,0.042,0.145,0.002,0.799)。

根据水样对应的评价因子权重值(表5)可揭示10个V级水质矿井水水样的主要污染因子,其中WG煤矿矿井水中主要污染因子为Cl－和F－,对应的权重值a分别为0.546,0.253;YC煤矿3个混合矿井水中Cl－为主要污染因子,权重值a分别为0.653, 0.676和0.833,F－和Fe为次要污染因子,权重值a分别为0.283和0.175;ZJ煤矿矿井水中F－为主要污染因子,权重值a为0.724;CH煤矿矿井水NO为主要污染因子,其权重值a为0.506;XX煤矿矿井水中SO和Fe离子为主要污染因子,对应的权重值a分别为0.448和0.377;ZQ煤矿2个矿井水中Cl－超标严重,为主要污染因子,权重值a分别为0.806和0.464。

表5 重庆西部干旱区水样评价因子的权重值结果Table 5 The weight values of sample evaluation factor in the arid area of Western Chongqing

在WK－1样品的模糊评价隶属度矩阵(0.012, 0.042,0.145,0.002,0.799)中0.799数值最大,根据最大隶属度原则,即哪一级水质的隶属度最大,则水质污染就是哪一级,故WK－1的水质评价等级为V级。重庆西部干旱区的16个水样的水质评价结果(表6)显示,11个煤矿矿井水水样中有10个水样的水质评价结果为V级,只有1个矿井水水样(YK－2)为Ⅲ级水质;2个矿区饮用水水样(YZ－3和CZ－1)为Ⅲ级水质,而2个水库水样和广顺县城饮用水水样为I级水质。对于矿化度较高的V级煤矿矿井水,必须经过适当处理后才能使用。反渗透膜处理法能够很好地处理高矿化度的矿井水[18－20],不仅出水水质能够达到国家生活饮用水卫生标准(GB 5749—2006)的要求,并且运行维护成本相对较低,是高矿化度矿井水资源化的最佳处理方法。

模糊综合水质评价法评价结果与实际情况和Aq.QA水化学软件分析的结果比较一致,能够很好地区分不同类型的水体,同时能够获得各个水样的主控污染因子;但对于矿化度超过1 000 mg/L的微咸水、咸水和盐水水样无法很好地区分评价,因此需要借助Aq.QA水化学软件等其他手段对污染较重的水样进行深度评价。

表6 重庆西部干旱区水样的模糊综合评价结果Table 6 The fuzzy comprehensive evaluation results of water samples in arid area of Western Chongqing

3 结 论

(1)重庆西部干旱区绝大多数煤矿矿井水矿化度和硬度均非常高,矿井水的矿化度随埋度的增加而增加;依据矿化度对其进行分类:1个为盐水、4个为咸水、4个为微咸水,2个为淡水。煤矿矿井水中共有9个离子超过国家生活饮用水卫生标准的限值,分别为Cl－,F－,NO,SONa+,Fe,Ba,Ni和Mn,其中Cl－,Na+和Fe离子超标情况最为严重,超标离子可能来自须家河组地层中的岩盐、菱铁矿和磷灰石等矿物的溶解。91%的矿井水的水化学类型为Cl－Na型,2个矿区饮用水和2个水库水样均为SO4－Ca型水体,广顺县城饮用水为HCO3－Ca型。

(2)对重庆西部干旱区的16个水样的模糊综合评价结果表明:10个矿井水均为污染严重的V级水质,2个矿区饮用水和1个矿井水为轻度污染的Ⅲ级水质,2个水库水样和广顺县城饮用水为清洁的I级水质。模糊综合评价法能够很好地区分污染较重的矿井水、污染较轻的矿区饮用水和清洁的饮用水,但对于矿化度大于1 000 mg/L的矿井水则无法进一步评价。

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Comprehensive assessment of coal mine drainage quality in the arid area of Western Chongqing

SUN Hong-fu,ZHAO Feng-hua,ZHANG Lu,LIU Yi-ming,CAO Song-hua,ZHANG Wei
(College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to raise the utilization level of coal mine drainage and alleviate domestic water shortages in the arid area of Western Chongqing,water quality of coal mine drainage in this district must be comprehensively evaluated.Water quality of coal mine drainage,mine drinking water and reservoir water were comprehensive evaluated by Aq.QA water chemistry software and fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that hydrochemistry type of 91%mine drainage are Cl－Na type,mine drinking water and reservoir water are SO4－Ca type.There are 9 ions in mine drainage over the national standard of drinking water limit,and the degree of exceed the standard for Cl－,Na+and Fe ions are most serious.The high content Fe ion in mine drainage is derived from dissolution of siderite concretion in the Xujiahe formation,and dissolution of rock salt in the Xujiahe formation may cause the high content of Cland Na+ions in mine drainage.Ten mine drainage of V grade water quality includes four brackish water,three salt water and one brine.Two mine drinking areⅢgrade freshwater,and two reservoir water and one drinking water of Guangshun country are I grade freshwater.Fuzzy comprehensive evaluation method can evaluate different types water accurately,and reveal the main pollution factors of every water.Hovever,fuzzy comprehensive evaluation method can’t further evaluate the mine drainage with salinity over 1 000 mg/L.

X751

A

0253－9993(2014)04－0736－08

孙红福,赵峰华,张 璐,等.重庆西部干旱区煤矿矿井水水质综合评价[J].煤炭学报,2014,39(4):736－743.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0510

Sun Hongfu,Zhao Fenghua,Zhang Lu,et al.Comprehensive assessment of coal mine drainage quality in the arid area of Western Chongqing [J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):736－743.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0510

2013－04－19 责任编辑:韩晋平

国家自然科学基金资助项目(41102096);国家国际科技合作资助项目(S2012GR0036);重庆市科技攻关计划资助项目(2011GGC493)

孙红福(1977—),男,河南鹤壁人,讲师,博士。E－mail:shf_cumtb@163.com